24 августа 2012

Фрэнк Паркер, Вандербильтский университет: «Преимущества и перспективы «защищенного» ядерного топливного цикла»

Atomic-Energy.ru
Почетный профессор Университета Вандербильта Фрэнк Паркер

Вопросы ядерного нераспространения стоят перед мировым сообществом с середины прошлого века. Для ее решения в современных условиях известный американский ученый, почетный профессор Университета Вандербильта Фрэнк Паркер предлагает вариант ядерного топливного цикла, в корне ограничивающий возможности использования ядерных материалов в военных целях.

– Господин Паркер, расскажите, пожалуйста, в нескольких словах о своем профессиональном опыте.

– Я впервые начал заниматься вопросами обращения с радиоактивными отходами в 1950 году по контракту с Комиссией по атомной энергии США. В начале 1960-х годов я участвовал в проекте «Соляная камера», в рамках которого осуществлялось сооружение и эксплуатация первых экспериментальных геологических хранилищ отходов в солевых формациях на площадках Хатчинсон и Лайонс в штате Канзас. В то время я возглавлял исследовательскую группу по обращению с РАО в Окриджской национальной лаборатории.
После  11 лет работы в лаборатории я перешел в МАГАТЭ на  должность главы исследовательской группы  по вопросам окончательной изоляции РАО.

Сегодня я почетный профессор кафедры природных и водных ресурсов, гражданского строительства и охраны окружающей среды в Вандербильтском университете. По совместительству я также руковожу группой по радиационной безопасности биосферы в  Международном институте прикладного системного анализа в Лаксенберге в Австрии. В рамках работы группы мы провели много исследований радиационных загрязнений в странах бывшего Советского Союза, в соавторстве со мной выпущена монография «Ядерное наследие СССР». 

Я также являюсь членом Национальной инженерной академии США.

– Сегодня Вы предлагаете новый, «защищенный» вариант ядерного топливного цикла. Чем обусловлена его актуальность?

– В мире растет спрос на атомную энергетику, особенно в Китае, Индии, России и Бразилии. Кроме того, есть многие страны, которые не имеют собственных АЭС и которые, тем не менее, в них нуждаются. У этих стран нет опыта развития ядерного топливного цикла. Применяемый сегодня в мире ЯТЦ допускает производство высокообогащенного урана, плутония и облученного топлива, что в свою очередь увеличивает риск создания ядерного оружия и «грязных» бомб.  Сейчас у нас появляется возможность помочь странам-новичкам реализовать ЯТЦ со значительно более высокими гарантиями безопасности.

Предлагаемый мной вариант ядерного топливного цикла устраняет или ограничивает возможности распространения ядерных материалов, поскольку не подразумевает добычи, конверсии и обогащения урана. В таком ЯТЦ также производится меньшее количество плутония на единицу вырабатываемой энергии, не осуществляется переработка и выделение плутония из отработавшего топлива и не создается отдельный поток высокоактивных отходов. Отработавшее топливо предлагается к захоронению в донных отложениях на глубине 1000 м и более.

– Каковы Ваши предложения для начальной стадии цикла?

– Проект предполагает выделение урана из морской воды. Его общее количество в океане составляет 4,5 млрд т, что примерно в 700 раз больше, чем известные запасы урана на суше. Если извлечь хотя бы половину имеющегося в морской воде урана, его хватит на производство ядерного топлива для работы АЭС суммарной мощностью 3000 ГВт с однократным ядерным топливным циклом в течение 6500 лет.

В настоящее время, наиболее развитой технологией добычи урана из океанской воды обладает Япония. Данный метод предполагает погружение в морскую воду специальной ткани на амидоксимной основе, из которой затем извлекается уран с использованием соляной кислоты. Поскольку время абсорбции урана не имеет большого значения, установки будут размещаться в «спокойных» морях. Поскольку в морской воде очень низкая концентрация урана, изменений ее химического состава, так же, как и возвратных вод, практически не происходит.

Извлеченный уран обрабатывается для производства ядерного топлива так же, как и добытый в материковых месторождениях. Чтобы избежать этап обогащения урана, его целесообразно использовать вместо легководных реакторов в реакторах типа  CANDU, которые работают на природном (необогащенном) уране.

Отработавшее топливо реакторов типа CANDU содержит изотоп 235U в концентрации приблизительно 0,2%, а плутония – в два раза меньше, чем у ОЯТ легководных реакторов. Следовательно, переработка такого топлива экономически нецелесообразна, а без нее не будет нарабатываться плутоний.

Таким образом, из ЯТЦ исключаются операции, при которых возможно «переключение» высокообогащенного урана или плутония на военные цели.

 

Рис. 1. Упрощенный вариант ядерного топливного цикла с ограничением возможностей для распространения ядерных материалов и окончательной утилизацией радиоактивных отходов

 

– Насколько затратной будет такая технологическая схема?

– В 2009 году цена фунта урана, извлеченного в форме U3O8 из морской воды, составляла $96. Стоимость сырья, добываемого в Японии, сегодня не очень отличается от текущих цен на уран и, как ожидается, значительно снизится по мере дальнейшей доработки технологии.

С другой стороны, защищенный от распространения ядерный цикл имеет неоспоримые экономические преимущества. Поскольку уран в морской воде распределен практически равномерно, с реализацией такого ЯТЦ отпадет необходимость в разведке и разработке новых месторождений урана на суше во все более удаленных регионах. Требования к транспортировке продукции также минимальны.

Кроме того, благодаря такой схеме, снижается негативное воздействие ядерного топливного цикла на окружающую среду.

– Расскажите подробно об экологических преимуществах проекта.

– Во-первых, на начальной стадии ЯТЦ не будет наноситься ущерба окружающей среде в связи с добычей урановой руды. Не будет отвалов пустой и низкосортной породы, хвостохранилищ, требующих реабилитации или особого обращения в течение тысяч лет. Из ЯТЦ исключаются этапы добычи и транспортировки руды, занимающие, соответственно, второе и четвертое места в перечне технологических операций с наибольшим количеством смертельных случаев на производстве в США.

С отказом от обогащения перестанут образовываться запасы обедненного урана. В США его уже накоплено в 10 раз больше, чем ОЯТ. Между тем, этот материал представляет опасность в течение такого же периода времени, что и «хвосты» уранового производства.

В таком топливном цикле будут образовываться только низкоактивные и короткоживущие радиоактивные отходы. Для РАО такого типа уже существуют объекты окончательной изоляции.

– Каким должно быть обращение с ОЯТ в Вашем варианте ЯТЦ?

– Так как переработка ОЯТ не предусмотрена, обращение с ОЯТ будет сводиться к его изоляции. Один из наиболее изученных подходов к захоронению отработавшего топлива заключается в его размещении в поддонных отложениях. Данный метод не требует выемки грунта и герметизации хранилища для защиты грунтовых вод и практически исключает возможность извлечения радиоактивных материалов террористическими группами или «странами-изгоями». За счет расположения в открытом океане, эти участки могли бы быть использованы как международные полигоны захоронения отходов.

Участки, подходящие для захоронения, расположены в подводных горах Great Meteor East и абиссальной равнине Southern Nares в Атлантическом океане, есть площадка и в Тихом океане.

– Насколько исследована данная технология? Готова ли она к внедрению?

– Масштабные исследования возможности подводной изоляции ОЯТ и ВАО в поддонных отложениях были выполнены в 1970-1980-х годах Агентством по ядерной энергии (OECD/NEA), Европейским Союзом и Министерством энергетики США.

«Пилотный» проект предусматривал, что ОЯТ и/или высокоактивные отходы будут доставляться с производств и пунктов временного хранения автомобильным транспортом, баржей, кораблем или железнодорожным составом в порт, откуда транспортироваться на специально оснащенных судах к месту захоронения. Здесь их будут сбрасывать – свободно с контролем при помощи пенетрометров или в бурильные колонны в поддонных отложениях (рис. 2).

 

Рис. 2. «Пилотная» система поддонной утилизации ВАО

 

Тем не менее, реализации данного метода препятствуют правовые рамки и возражения со стороны общественности. Лондонский протокол 1996 года запрещает сброс радиоактивных материалов в море. Однако поддонные отложения находятся под морем и не являются его частью, и споры по интерпретации соглашения продолжаются. Кроме того, в 2006 году в протокол были внесены изменения, допускающие изоляцию CO2 в поддонных геологических формациях, несмотря на возможность повышения кислотности океанской воды. Почему же не допустить размещение здесь ОЯТ и ВАО?

Даже если из контейнеров с отходами произойдет утечка радиоактивных веществ, их значительную часть поглотят отложения, обладающие высокими абсорбционными свойствами, а оставшиеся будут сильно разбавлены (физически и химически) морской водой. Наконец, такая вода непригодна к употреблению человеком, благодаря чему блокируется один из основных возможных путей воздействия радионуклидов на население.

– Какую систему транспортирования отходов Вы считаете предпочтительной?

– Для транспортировки ОЯТ я предлагаю широко использовать баржи и корабельный флот. При водных перевозках снижается количество рейсов по сравнению со смешанной транспортной системой, поскольку за один рейс можно перевезти груз значительно большей массы. Соответственно, уменьшаются риски несанкционированного захвата и распространения опасных материалов.

Мощное грузоподъемное оборудование на площадках АЭС уже имеется.

Транспортировка ОЯТ по воде штатной технологией, принятой в шведской компании SKB. С 1982 года SKB использует судно M/S Sigyn длиной 90 м, которое способное принять на борт десять контейнеров с ОЯТ. Планируется строительство нового корабля длиной около 100 м и грузоподъемностью 12 контейнеров, его спуск на воду ожидается в 2013 году.

Россия также закупила судно Rossita для транспортировки отходов АПЛ в Северо-западном регионе. Этот корабль, спущенный на воду 16 декабря 2010, имеет 84 м в длину и 14 м в ширину и может перевозить грузы массой до 720 т на расстояния до 3000 км.

– Какими Вы видите следующие шаги в развитии «защищенного» ЯТЦ?

– Предлагаемый мной вариант топливного цикла основан на технологиях, которые уже апробированы или прошли полевые испытания. Конечно, для окончательного подтверждения работоспособности и определения затрат по предлагаемой схеме потребуется ее практическая реализация и опытно-промышленная эксплуатация. Кроме того, нужна оценка экологического воздействия, в том числе на стадиях монтажа, обслуживания и вывода из эксплуатации установок и оборудования.

Полученные результаты необходимо будет сопоставить с аналогичными показателями других вариантов ядерного топливного цикла – но не «идеальных», а существующих или опробованных в реальных условиях.

Беседу вела Алена Яковлева