Различные экологические организации любят расшифровать это сокращение, как «отходы ядерного топлива», в то время, как правильная его расшифровка звучит совсем иначе: «отработанное (или облучённое) ядерное топливо».
Именно в различии этих двух расшифровок и заключена разность в подходах к ОЯТ: либо это отходы — и тогда им место на свалку, либо это — топливо, которое лишь потеряло часть своих свойств и может быть с затратой каких-либо усилий возвращено в ядерный цикл для того, чтобы продолжать служить людям.
Из чего же состоит ОЯТ? Скажу сразу, что он разный для разных видов реакторов, но, в целом, ОЯТ можно упрощённо представить в виде следующей простой составной схемы: в ОЯТ содержится 0,8–1,0% 235U, 0,95–1,20% плутония всех видов (в основном — изотопов 239Pu и 240Pu), 3–4% продуктов деления урана и плутония и 94–95% 238U. Только недобросовестные политики-популисты и больные на голову экологи могут называть этот продукт отходом.
То, что весьма условно можно назвать «отходом» ядерного цикла заключено в тех самых 3–4%, относящихся к продуктам деления урана и плутония. Именно эта доля ОЯТ и есть та «ядерная зола», которая уже непригодна для дальнейшей работы ядерного реактора.
Однако, именно эта зола и доставляет максимум неприятностей при работе ТВЭЛа — многие из образовавшихся в результате деления атомов урана и плутония элементов вредны для дальнейшего протекания цепной реакции, являясь активными поглотителями нейтронов, часть из них токсичны или же влияют на прочность урановой таблетки, часть являются газами или же альфа-источниками, а часть и лучат во все стороны целебным гамма-излучением. В общем, от всего этого адского коктейля после кампании ТВЭЛа в реакторе желательно бы избавится. Ну и, конечно же, обогатить отработанное ядерное топливо свежими делящимися изотопами, которые снова позволят запустить его в бой.
Вот об этом-то процессе, который и должен превратить «грязь» во что-то путное, я и расскажу сегодня.
Сегодня в мире приняты две системы обращения с ОЯТ — окончательное захоронение (открытый топливный цикл) и переработка (частично замкнутый топливный цикл). Из стран, обладающих промышленными ядерными реакторами, Швеция, Финляндия, Канада, Чехия, Германия сегодня ориентируются на окончательное захоронение ОЯТ, в то время, как Россия, Франция, Индия, Япония и Великобритания занимаются (либо совсем недавно занимались) переработкой ОЯТ.
Оставшиеся владельцы ОЯТ (например, большинство европейских стран-владельцев реакторов и страны бывшего соцлагеря, которые получили реакторные технологии из СССР или России) ориентируются на передачу ОЯТ на заводы, осуществляющие их переработку на коммерческой основе (в основном — во Франции и в России) или же выбирают половинчатое решение — хранить их на временных площадках, расположенных обычно возле тех же АЭС.
Кроме того, стоит сказать, что на сегодняшний день ни одного постоянного геологического могильника для ОЯТ в мире не создано.
Пионерами в деле захоронения ОЯТ сегодня выступают Финляндия и Швеция, которые на сегодняшний день уже построили опытные хранилища постоянного типа, в которые и поместили тестовые количества ОЯТ с целью выяснить, сколько дней десятков лет без инцидента сможет проработать Спрингфилдская АЭС такого рода могильник.
Финский могильник Онкало для хранения контейнеров с ОЯТ после его выдержки в течение 30 лет в пристанционных хранилищах АЭС будет располагаться в скальной породе на глубине более 500 метров под дном Балтийского моря. В настоящее время проработана система захоронения с обеспечением несколько степеней защиты: топливные сборки будут помещаться в герметичный чугунный кожух для предотвращения смещения сборок, чугунный кожух будет помещен в медную капсулу для защиты от коррозии, а между медными капсулами будет залита бентонитовая глина для обеспечения стабильного положения капсул в породе.
Практически аналогичную технологию выбрали для захоронения ОЯТ в Швеции. Здесь также намерены складировать ОЯТ в скальных породах, возраст которых составляет около 1,8 млрд. лет на которые расположены на глубине около 500 метров. В настоящее время около города Остхоммар, в гранитных породах на уровне 450 метров под землей создана исследовательская лаборатория, где контейнера для ОЯТ проходят натурные испытания. Причем рачительные шведы, в отличии от финнов, допускают, что, возможно в будущем, замурованное глубоко под землей ОЯТ будет извлечено и переработано. Шведская технология предусматривает техническое решение для его извлечения.
Промышленный пуск обеих площадок по захоронению ОЯТ намечен на 2020-е годы, сейчас на них идут масштабные испытания и пробные закладки партий ОЯТ.
Однако такое, казалось бы «окончательное» решение вопроса ОЯТ является на деле и самым дорогостоящим. Во-первых, как я уже написал, условно-вредным в составе ОЯТ можно считать лишь 3–4% продуктов деления урана и плутония. Более того, при пристальном рассмотрении даже данного процента «ядерной золы» видно, что в её составе полным-полно полезных радиоактивных изотопов, которые легко использовать в медицине, для запитки радиоизотопных источников энергии. Особенно экзотические изотопы, например, несуществующий в природе элемент технеций, может быть использован даже для улучшения сплавов железа, благо период полураспада для 99Tc составляет 212 000 лет, а распадается он по весьма приятному бета-распаду.
Кроме того, надо учесть и объёмы уже накопленного ОЯТ. На сегодня в мире накоплено 345 тысяч тонн отработанного ядерного топлива и ежегодно из реакторов выгружается около 10,5 тысяч тонн ОЯТ. В одной только России сегодня есть около 20 тысяч тонн ОЯТ и каждый год добавляет к этой цифре ещё 670 тонн.
Учитывая сложность и высокую стоимость создания могильников, ограниченность территорий большинства стран, имеющих ядерные реакторы и планирующих их постройку, можно утверждать, что концепция окончательного захоронения ОЯТ является тупиковой веткой — в существующие, запланированные или же перспективные хранилища просто невозможно запихнуть ни сегодняшнее, ни тем более — будущее ОЯТ.
Наглядным примером такого тупика являются США, около 20 лет назад отказавшиеся от переработки ОЯТ и растерявшие (да, снова, я не шучу) к сегодняшнему дню технологии и специалистов по переработке отработанного топлива. К настоящему времени в США накоплено почти треть мирового количества ОЯТ — около 110 тысяч тонн. Это громадное количество отработанного топлива сегодня размещено в 77 приреакторных хранилищах, заполненных до отказа, или же близких к заполнению. Эти хранилища размещены в 33 штатах, и только в Калифорнии (в самом густонаселенном штате США) на площадках АЭС находится около 3 000 тонн ОЯТ. Такое же количество ОЯТ хранится и в одной из самых густонаселенных стран мира — в европейской Швейцарии.
В настоящий момент времени у тех же США есть только одна реальная точка для захоронения таких громадных количеств ОЯТ — это «Пилотный завод по изоляции отходов» (Waste Isolation Pilot Plant) в штате Нью-Мексико, который был запроектирован ещё в 1973 году, завершён к постройке в 1991 и принял первые грузы радиоактивных отходов в 1999 году.
Однако данный могильник никогда не планировался под переработку гражданского ОЯТ — большая часть его содержимого на 2010 год (около 73 000 кубометров отходов) представляет собой отходы от производства ядерного оружия. Цифра в 73 000 м3 является отчасти лукавой — большую часть этого объёма занимает тара, а вес военных отходов в открытой прессе не разглашается.
Поэтому общий размер данного хранилища совершенно недостаточен для того, чтобы упрятать под землю даже малую часть того ОЯТ от ядерных реакторов, которое накоплено в США на «временных» хранилищах возле атомных станций.
Да и общие расходы налогоплательщиков на создание и поддержание в работоспособном состоянии данного хранилища, рассчитанного на хранение отходов на протяжении 10 000 лет, которые составили в долларах 1999 года проектную цифру более 19 млрд. долларов США, в общем-то, символизируют всю тупиковость такого пути.
Как я уже сказал, сторонниками переработки ОЯТ в мире являются Россия, Великобритания, Франция, Япония и Индия. Несмотря на потенциальную опасность, ОЯТ является ценным продуктом, содержащим различные элементы, которые можно использовать повторно, в том числе и для производства энергии.
Ведь даже исключив «ядерную золу», которую всё же нельзя заново засунуть в обычный ядерный реактор, мы всё равно получаем на выходе из переработки ОЯТ более 96% от его веса в виде полноценного полуфабриката ядерного топлива.
Радиохимическая переработка ОЯТ обеспечивает полное использование энергетического потенциала урана, плутониевые загрузки будущих реакторов на быстрых нейтронах или же изготовление МОХ-топлива для обычных реакторов, а также минимизирует количество и объем образующихся отходов. Ресурсы вторичного сырья в ядерной энергетике, по сути дела, даже в случае частично замкнутого цикла безумно велики.
Так, реактор с графитовым замедлителем, по сути дела выгружает из себя по завершению кампании около 70-80% от загруженного в него урана в виде смеси урана и плутония, а легководный, обычный и массовый ВВЭР обеспечивает воспроизведение, как минимум от 50 до 60% от начального топлива.
Кроме того, надо учитывать, что накопление ОЯТ, как я сказал, пошло отнюдь не вчера. Так, например, запасов ОЯТ, уже накопленных в Канаде, достаточно для обеспечения работы всех канадских АЭС в течение 1000 лет.
Более того, самое скромное содержание изотопа 235U, характерное для ОЯТ лёгководных реакторов (около 1%) превышает его содержание в природном уране (0,72%). Поэтому, даже если не вовлекать в ЗЯТЦ наработанный плутоний, переработанный ОЯТ гораздо лучшее сырьё для центрифуг, нежели природный уран.
На сегодняшний день в мире фактически используют всего две технологии переработки ОЯТ и всего три страны из пяти упомянутых (Россия, Великобритания, Франция, Япония и Индия) фактически занимаются сегодня переработкой ОЯТ.
Вот тут можно найти полный перечень закрытых заводов по переработке ОЯТ и список стран, которые, к сожалению, «сошли с дистанции» в погоне за ядерным фениксом, который снова и снова буквально «восстаёт из пепла» отработанного ядерного топлива.
Как всегда, знания западных экспертов «об этих странных русских» весьма оригинальны.
Например, мощность действующего завода «Маяк» (Озерск), указанная в таблице, почему-то заявлена, как 400 тонн ОЯТ в год, в то время, как по данным многих отечественных экспертов она составляет, как минимум 600 тонн ОЯТ в год.
То же самое можно сказать и о строящемся российском заводе по переработке ОЯТ в Железногорске — в отечественных источниках его мощность заявлена, как 1500 тонн перерабатываемого ОЯТ в год, в то время, как в таблице ему скромно нарисовали всего 800 тонн годовой производительности.
Однако, несмотря на разночтения в оценке мощности российских заводов (которые, в общем-то, сугубо избыточны для целей переработки и российского, и даже — будущего возвращаемого из-за рубежа ОЯТ, самым крупным заводом по переработке ОЯТ в мире сегодня продолжает оставаться французский завод на мысе Ла-Аг во Франции, который сегодня принадлежит французскому атомному гиганту Areva.
Завод на мысе Ла-АгЭто целый индустриальный остров на севере Нормандии, основной задачей которого и является превращение ОЯТ в разделённые количества урана, плутония и остальных, так называемых «минорных» изотопов.
Ла-Аг начали строить ещё в 1969 году, когда Франция взяла курс на отделение от кильватерного строя всех западных держав, которые тогда выступали против СССР единым строем.
Сначала Де-Голль, а потом и Валери Жискар Д'Эстен за 1960-е годы целым рядом продуманных шагов добились от США уважения к «особой» позиции Франции по многим внешнеполитическим и внутренним вопросам. У всех, конечно же, на слуху и в памяти «корабль с долларами», который был послан Де-Голлем к берегам Америки, однако, на деле, независимость Франции ковалась в других местах. И одним из таких французских «линкоров из бетона и стали», которые своими залпами возвестили о независимости Франции, и стал завод Ла-Аг.
Именно Ла-Аг, который столь вовремя подоспел к нефтяному кризису 1973 года, позволил Франции практически полностью обеспечить переработку своего ОЯТ. В отсутствие дешёвых центрифуг французский завод «Евродиф» в Пьерлате смог получать достаточно качественный, переработанный уран, а французские заводы по производству МОХ-топлива, главный из которых располагается во французском Маркуле, смогли обеспечить и вовлечение в топливный цикл наработанного во Франции реакторного плутония.
Сегодня, после ряда модернизаций по мощности и по технологии, производительность завода Ла-Аг составляет около 2000 тонн перерабатываемого ОЯТ в год.
Сегодня завод в Ла-Аге перерабатывает топливо не только с АЭС Франции, но и замкнул на себя поставки ОЯТ с с АЭС Бельгии, Германии, Швейцарии, Японии и других стран. Практически все эти страны (включая, как я уже говорил, даже Бельгию!) в своё время имели на своей территории заводы по переработке ОЯТ. Однако не многие смогли обеспечить их выживание в конкурентном мире и в противостоянии с экологическими организациями и противниками атомной энергии.
Почему же все так боятся ОЯТ? Всё дело в том, что за заводами-переработчиками ОЯТ тянется длинный шлейф различных аварий, которые были страшны сами по себе, но были неизбежной платой за совершенствование технологии разделения плутония и урана и других, минорных актинидов.
На заре ядерной эры, и в СССР и в США были внедрены весьма опасные, примитивные и малопроизводительные процессы разделения урана и плутония на основе неорганических соединений.
В США первый такой процесс, основанный на применении фосфата висмута, был разработан в Оак-Риджской лаборатории ещё в 1943 году. Именно с помощью висмут-фосфатного процесса и был получен первый плутоний, использовавшийся США для изготовления бомбы, сброшенной на Нагасаки.
Hanford
Хэнфорд. Тут ковали американский ядерный меч.
Свою версию висмут-фосфатного процесса применил для извлечения плутония и СССР. Как и американцы, СССР производил растворение облученных в «Аннушке» урановых блоков в азотной кислоте.
Работы по разделению плутония и урана производились на «Заводе Б», расположенном на площадке сегодняшнего «Маяка», в Озерске, тогда носившем название Челябинск-40.
Тогда, сразу после окончания Великой Отечественной войны, основную работу на заводе, полностью изолированном от остальной части Челябинской области, выполняли девушки. Мужчин тогда катастрофически не хватало даже на тяжёлых работах, а ту их не было и вовсе. Условия были нелегкими: технология была очень несовершенная, техника безопасности слабая, а контроль за сроками и качеством работы – постоянный и жесткий. Радиоактивные растворы содержали плохо фильтрующиеся осадки, нередко растворы выливались из аппаратов, приходилось вручную ликвидировать протечки, да и пробы для анализа отбирали вручную. Случались «хлопки» – взрывы водорода, выделявшегося при начальном растворении алюминия; при переливе концентрированного раствора плутония однажды произошла самопроизвольная цепная ядерная реакция.
Кроме того, неорганические компоненты вынуждали несколько раз зацикливать процесс — и внутренняя поверхность некоторых аппаратов на радиохимическом заводе впитывала столько радиоактивных веществ и наведенного нейтронного излучения, что и сама уже испускала слабое, но заметное в темноте свечение.
Процесс этот был неприятен ещё и тем, что протекал с выделением бурых паров ядовитых оксидов азота. Одновременно освобождались и переходили в газовую фазу радиоактивные изотопы галогенов и инертных газов — йода, криптона и ксенона.
Именно эта особенность процесса и сыграла злую шутку с СССР в 1957 году, когда не выдержала внутреннего давления одна из ёмкостей комбината.
Ostural-Spur
Взрыв полностью разрушил емкость из нержавеющей стали, содержащую около 80 т отходов процесса разделения, сорвав и отбросил в сторону на 25 метров бетонную плиту перекрытия. Из хранилища в окружающую среду была выброшена смесь радионуклидов общей активностью 20 миллионов кюри. Большая часть радионуклидов осела вокруг хранилища, а жидкая пульпа (взвесь), активность которой составляла 2 миллионов кюри была поднята ветром на высоту 1-2 километра и образовала радиоактивное облако, состоящее из жидких и твердых аэрозолей. Радиоактивные вещества попутным ветром разнесло на сотни квадратных километров. Заражённая территория и сегодня называется «Восточно-уральским радиоактивным следом».
Волею судеб в него не попал ни один из крупных городов Урала — облако пронеслось и мимо близкого к Озерску Челябинска, и мимо лежащего совсем рядом с трассой облака Свердловска.
Однако, несмотря на это, площадь загрязнения составила 23 тысячи км2, оказались загрязненными 217 населенных пунктов с общей численностью населения 272 тысячи человек. Облучение населения, проживающего на территории Восточноуральского следа, было как внешним, так и внутренним: сказался режим секретности объекта и нежелание властей информировать жителей об опасности радиоактивного заражения воды и пищи. В результате от радиационного облучения только в течение первых 10 дней погибли около 200 человек, общее же число пострадавших оценивается в 250 тысяч человек.
Вот такой была кровавая жатва процесса разделения изотопов урана и плутония, которую можно смело записать на счёт висмут-фосфатного процесса и советской секретности и спешки в создании атомного оружия в ответ на бомбардировки США Хиросимы и Нагасаки и принятия замечательных планов вида «короткого теннисного удара».
Эта примитивная, многостадийная и грязная по сегодняшним понятиям технология висмут-фосфатного процесса, сегодня уже давно заменена значительно более совершенным и безопасным процессом, основанным на органических веществах — ионнообменных смолах. Но тогда это был лучший возможный в СССР и в США вариант получения оружейного плутония.
Ну а «Восточно-уральскиий радиоактивный след» очень надолго (хочется верить) останется третьим по масштабу в истории аварийным событием, связанным с ядерной энергией.
Рождение же современного процесса, который сегодня применяется и на Ла-Аге, и на «Маяке», связано с именем американского химика Леарнеда Аспрея (Larned "Larry" Brown Asprey).
Именно он запантентовал в 1947 году принципы процесса, который сегодня применяется для разделения урана и плутония практически повсеместно. Этот процесс впоследствии был назван пьюрекс-процессом (PUREX). Этот процесс помог США наработать основные количества оружейного плутония, и именно он сейчас используется на производственной площадке французского завода Ла-Аг и на российском новом заводе на «Маяке», который заменил «Завод Б» в 1978 году.
И вот тут мы, наконец, подходим к вопросу того, что же плохо в пьюрекс-процессе сегодняшнего дня и что в нём можно улучшить в самом ближайшем будущем.