Мобильная версия энциклопедии:

Глава 9 РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ И ОТРАБОТАВШЕЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО

Это неприятное слово «отходы»

Да, неприятное, – но не более того. В Интернете несложно найти фотографии городских свалок: настоящие горы, на фоне которых мощные машины, работающие там, кажутся мелкими насекомыми. При взгляде на эти несметные количества мусора возникает странное чувство, смесь брезгливости и своего рода благоговейного ужаса. Тем не менее, в большинстве случаев человек склонен относиться к таким «красивейшим» пейзажам с известным пониманием: в конце концов, отходы являются неотъемлемым элементом существования цивилизации, и никуда от этого не деться.   

 

Городская свалка

Честно говоря, подобные «веселые» картинки мало кого заставляют переосмыслить отношение хотя бы к бытовому мусору, который в итоге оказывается все там же, – на свалке, становясь частью общей огромной кучи. И ладно, если бы речь шла только об относительно безобидных предметах вроде картона или испорченной пищи. В мусоропровод идут батарейки, люминесцентные лампы и прочие изделия, которые представляют опасность для окружающей среды. Получается, что человек сам способствует загрязнению природы и повышению техногенных рисков.

Но тот же человек, без задней мысли выбрасывающий в ведро токсичный мусор, может всерьез обеспокоиться, если вдруг узнает о строительстве в своем регионе хранилища радиоактивных отходов. Конечно! Они же Р-А-Д-И-О-А-К-Т-И-В-Н-Ы-Е! Местная общественность, без преувеличения, встает на дыбы, стараясь всеми силами воспрепятствовать появлению столь неприятного «соседа» у себя под боком.

С другой стороны, известная пословица гласит: «Не так страшен черт, как его малюют». Насколько это применимо к радиоактивным отходам? Прежде чем делать выводы, следует понять, откуда вообще берутся подобные материалы, что они собой представляют, и, главное, – какие меры предпринимаются для обеспечения безопасности человека и окружающей среды.

«Хвосты» на пути к реактору

В традиционном понимании радиоактивные отходы – это твердые, жидкие или же газообразные вещества, которые не предназначены для дальнейшего использования и в которых содержание радиоактивных изотопов превышает установленные пределы. В соответствии с этим к радиоактивным отходам относится широкий круг всевозможных материалов и изделий: от загрязненной воды до сложных измерительных приборов. Впрочем, главный признак, который их объединяет, – ненужность. То есть радиоактивные отходы, равно как и любые другие, называют отходами потому, что они исчерпали свой полезный ресурс.

Радиоактивные отходы (РАО) в обязательном порядке возникают в процессе повседневной работы с радиоактивными веществами. Это данность, и с ней приходится мириться. Однако в человеческих силах снизить количество образующихся отходов до минимального уровня, а также обеспечить их переработку и надежную изоляцию от окружающей среды.

Рассказ об отходах атомной отрасли правильнее начать с первой стадии ядерного топливного цикла – добычи урана. В третьей главе уже говорилось, что извлечение его руд из недр карьерным или шахтным способом сопровождается образованием больших холмов – отвалов пустой породы. А после «вскрытия» руды, то есть ее обработки раствором подходящего реагента (кислоты или соды), не растворившийся остаток отправляют в хвостохранилище. Это естественная впадина или сухая долина, выложенная слоем глины, бетона или другого материала. Таким образом, хвосты как бы заливают в «ванну», где они и хранятся в изоляции от окружающей среды. С экономической точки зрения урана там слишком мало, чтобы с ним возиться; но с точки зрения охраны окружающей среды – хвосты и отвалы все же содержат радиоактивные вещества. Следовательно, за упомянутыми объектами нужно внимательно следить, не допуская просачивания загрязненных вод в водоносные горизонты. С этой целью создается система контрольных скважин, из которых регулярно отбирают пробы грунтовых вод. Кроме того, хвостохранилища дополнительно изолируют, создавая целый ряд защитных барьеров, препятствующих вымыванию урана дождевыми водами и его проникновению в грунт.

Можно ли назвать отвалы и хвосты радиоактивными отходами? Их радиоактивность обусловлена естественными изотопами, извлеченными из-под земли, и к тому же она сравнительно невелика. Поэтому приставка «радиоактивные» применима к этим материалам, скорее, формально: они не представляют заметной радиационной опасности. К слову, отвалы пустой породы и хвосты образуются при любых горнорудных работах, причем зачастую в более значительных количествах по сравнению с урановыми шахтами. 

 Схема постепенного заполнения хвостохранилища: хвосты в форме пульпы – смеси измельченной породы и воды – заливают в «ванну» типа дамбы с укрепленными водонепроницаемыми бортами. Вода отводится, а измельченная порода остается на месте.

По дозе облучения проживание в непосредственной близости от отвалов сопоставимо с проживанием, например, в Финляндии. Почему именно в Финляндии? Потому что значительная часть территории этой страны расположена на гранитных породах, из-за чего средняя годовая доза для жителя Финляндии составляет около восьми миллизивертов, что примерно в два раза больше среднего показателя по России. 

Когда запасы руды истощатся и месторождение закроют, площадку вполне можно восстановить: вырастить на ней лес или даже сделать пригодной для сельскохозяйственной деятельности. Другой вопрос, что это не всегда целесообразно с экономической точки зрения.

Следует напомнить, что при добыче урана подземным выщелачиванием руда из-под земли не извлекается, а значит, хвосты и отвалы пустой породы не образуются.

Но добыча урана сопровождается образованием не только твердых отходов. Существует еще и проблема рудничных вод, с которыми приходится иметь дело при прокладке уранодобывающих шахт: вода попадает в рудник из подземных водоносных слоев; просачиваясь через урановую породу, она растворяет часть урана и сопутствующих ему радиоактивных веществ, и сама становится слаборадиоактивной. Однако рудничные и сточные воды не так сложно очистить, используя стандартные химические и биологические технологии. К примеру, растительные экосистемы в прудах-отстойниках могут выступать в качестве природных фильтров: растворенные радиоактивные вещества поглощаются водорослями и другими растениями. Поскольку исходная активность рудничных вод невелика, то данная мера оказывается достаточной, и за пределы прудов вытекает очищенная вода, которую вполне можно сбросить в природный источник. 

От руды до центрифуги

Полученный раствор урана идет на дальнейшую переработку. Конечным продуктом следующего этапа является твердое вещество – так называемый «желтый кек» или же смесь оксидов урана. При этом образуются и жидкие отходы с небольшим количеством радиоактивных веществ, от которых можно практически полностью избавиться с помощью уже упомянутых биотехнологий.

Однако в уран в «желтом кеке» содержит слишком мало «полезного» изотопа (урана-235) – всего семь атомов на тысячу. Поэтому далее урану предстоит пройти процедуру обогащения. Следует напомнить, что с этой целью промежуточный продукт подвергают конверсии: оксиды превращаются в гексафторид. Это соединение затем подогревают для перевода в газообразное состояние и прогоняют через каскад центрифуг, чтобы увеличить долю урана-235 до нескольких десятков атомов на тысячу. На выходе центрифужного каскада получают обогащенный уран в форме гексафторида, который – наконец-то! – можно использовать для изготовления ядерного топлива. Но вместе с ним образуется обедненный уран, а точнее, обедненный гексафторид урана (ОГФУ). Снова отходы? Не совсем… 

Чем богат обедненный уран?

Как уже было сказано, отходами называют вещества, полностью исчерпавшие свой полезный ресурс. Но к обедненному гексафториду урана (ОГФУ) это относится лишь частично. Например, при переработке ОГФУможно получить фтор – важный элемент, который широко используется в различных отраслях промышленности.

Но не фтор определяет основную ценность ОГФУ, а именно обедненный уран, состоящий в основном из урана-238. Уран является одним из самых тяжелых элементов, поэтому в виде металла он может использоваться, например, в бронебойных снарядах, в качестве противовесов в самолетах или, как ни странно, в качестве экранирующего материала для защиты от радиации. Однако и этим потенциал обедненного урана не исчерпывается. Так, изначально уран-238 был использован в качестве «сырья» для получения оружейного плутония-239 – начинки ядерных бомб. Уже говорилось, что плутоний-239 тоже относится к так называемым делящимся изотопам. Значит, его, как и уран-235, можно использовать для изготовления ядерного топлива, чтобы затем «сжечь» в реакторе и получить энергию. Это и продемонстрировали французские атомщики, давно сумевшие приспособить плутоний для нужд энергетики.

Эффективная технология наработки плутония-239 подразумевает использование реакторов на быстрых нейтронах. Как рассказывалось ранее, наша страна удерживает лидирующие позиции в «быстрой» энергетике, и эту ветвь планируют развивать и дальше. Выстраивается следующая последовательность действий: загрузка обедненного урана в быстрые реакторы → наработка из него плутония-239 → выделение плутония из облученного материала → очистка плутония → изготовление ядерного топлива на его основе. Если удастся решить сопутствующие технические проблемы и наладить подобный процесс, то наши атомные станции будут обеспечены топливом на многие сотни и даже тысячи лет. В связи с этим, термин «радиоактивные отходы» применим к обедненному гексафториду урана лишь частично (или правильнее будет сказать временно?).  

Отдельным вопросом, требующим решения, является хранение ОГФУ: на данный момент многие тонны гексафторида дожидаются своего «звездного часа» на специальных охраняемых площадках. Рядом с контейнерами, где хранится данный материал, радиационный фон повышен, но не это является главным фактором риска. Здесь на первое место выходит химия: гексафторид урана является весьма ядовитым веществом, которое хорошо растворимо в воде, а при нагреве всего до пятидесяти шести градусов и вовсе переходит в газообразное состояние. А поскольку масштабное строительство быстрых реакторов, куда планируется загружать обедненный уран, представляется весьма неблизкой перспективой, то не мешало бы подстраховаться от возможных неприятностей, переведя уран из гексафторида в более безопасное соединение. Приемлемым вариантом является возврат в форму оксидов, достаточно стойких с химической точки зрения, – эта технология ныне реализуется на обогатительных предприятиях.  

 

Площадка хранения контейнеров с обедненным гексафторидом урана

Казалось бы, все написанное выше бросает тень на атомную отрасль: еще не дошли до выработки электроэнергии, а уже столько отходов! Но к этому следует отнестись философски. Ведь мало найдется людей, которые едят орехи вместе со скорлупой или бананы в кожуре. Продукты сначала моют и очищают, иными словами, готовят к употреблению. Так почему в случае с ураном, который загружается отнюдь не в кастрюлю, а в ядерный реактор, должно быть иначе? К тому же, отходы, о которых шла речь до сих пор, содержат только природные радиоактивные вещества, а по уровню опасности не превосходят шламы нефтедобычи. Однако далее по циклу следует «сжигание» обогащенного урана в реакторах атомных электростанций, и отходы, образующиеся на этой стадии, уже требуют более серьезного отношения. 

Отработавшее ядерное топливо – «зола» атомных электростанций

Ядерное топливо, подвергаясь воздействию нейтронного потока, выделяет тепловую энергию, которая используется для получения электричества. Но тепловыделяющие сборки (ТВС), несмотря на их огромную энергоемкость, не могут работать вечно: в современных тепловых реакторах срок их службы составляет от трех до пяти лет. После этого их выгружают из реактора, заменяя на свежие. Разумеется, воздействие мощного нейтронного потока, которому ядерное топливо подвергается в активной зоне, не проходит бесследно. Нейтроны вызывают деление урана-235, поэтому к концу цикла от начальных тридцати-пятидесяти атомов на тысячу остается лишь небольшое количество; говорят, что уран-235 «выгорает», а на его месте остаются радиоактивные продукты деления. Кроме того, при сжигании урана протекает уже рассмотренный выше процесс: «балластный» изотоп уран-238 ловит нейтроны и превращается в уран-239, который затем трансформируется в плутоний-239. Вдобавок образуются и другие тяжелые изотопы урана, нептуния, плутония, америция.

Таким образом, отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) представляет собой весьма сложную смесь, содержащую около одного процента урана-235, примерно столько же плутония-239 и, конечно, многочисленные продукты деления – широкий спектр радиоактивных атомов, представляющих едва ли не половину элементов таблицы Менделеева. И если свежее ядерное топливо можно спокойно брать руками, то с ОЯТ подобное не пройдет: облучившиеся в реакторе таблетки диоксида урана являются источником жесткой радиации, которую испускают образовавшиеся изотопы. Мощность дозы настолько велика, что все операции по перегрузке ОЯТ выполняются дистанционно, без прямого вмешательства человека. 

 

Урановое ядерное топливо: до и после работы на АЭС

Высокая радиоактивность отработавшего топлива обусловливает его саморазогрев, поэтому от ОЯТ требуется непрерывно отводить тепло, – в противном случае оно просто расплавится. По этой причине выгрузка ОЯТ из реактора происходит при непрерывном охлаждении водой. Специальный аппарат (в случае с РБМК – разгрузочно-загрузочная машина, на блоке с ВВЭР – так называемый полярный кран) перемещает облученные тепловыделяющие сборки в бассейн выдержки. Там они хранятся под слоем воды в течение трех-пяти лет; вода одновременно служит охлаждающей средой и ослабляет испускаемую сборками радиацию. За указанное время значительная часть радиоактивных изотопов, входящих в ОЯТ, успевает превратиться в стабильные, поэтому интенсивность излучения и выделения тепла значительно снижается. Излучение от «тэ-вэ-эсок» все равно остается довольно сильным, – к ним по-прежнему не подойти. Но после выдержки в бассейне их хотя бы можно переместить в более объемное хранилище, расположенное в отдельном здании на территории АЭС. 

Эти хранилища также представляет собой большие бассейны с облицовкой из нержавеющей стали, оборудованные системой очистки воды и вентиляцией. В них отработавшее топливо, уже изрядно «подрастерявшее пыл», может храниться довольно долго в ожидании дальнейшей судьбы. В последнее время во всем мире внедряются «сухие» хранилища ОЯТ: в них тепло от пеналов с отработавшими «тэ-вэ-эсками» отводится воздухом. Преимущество перед «мокрым» хранением налицо: бассейн с водой может «прохудиться», и возникшую в этом случае течь будет непросто устранить из-за высокого радиационного фона. Понятно, что сухому хранилищу подобное не грозит.

Вода в бассейнах тщательно очищается от различных примесей, и от радиоактивных изотопов в том числе. Некогда, чтобы убедить в этом сомневающихся, сотрудники хранилища на производственном объединении «Маяк» использовали неопровержимый аргумент: на глазах восторженных зрителей пили воду, зачерпнутую прямо из бассейна. По слухам, некоторые посетители, проникшись доверием, повторяли подобный «фокус».

Первое «сухое» хранилище ОЯТ в России, сооруженное на Горно-химическом комбинате (ГХК), было готово к концу 2011 года. К безопасности хранения отработавшего топлива относятся очень ответственно, поэтому к проектированию нового хранилища подошли со всей серьезностью: это современный объект, оснащенный новейшим оборудованием с высокой степенью автоматизации. Стены способны выдержать и восьмибалльное землетрясение, и даже падение самолета. Как и на ядерных энергоблоках, на «сухом» хранилище использован принцип «пассивной» безопасности, рассмотренный в седьмой главе: защита от аварий не требует ни участия человека, ни электропитания. Она обеспечивается продублированными системами, которые в критической ситуации срабатывают «сами по себе».

Что хорошего есть в ОЯТ, кроме радиации?

С одной стороны, вырисовывается не слишком привлекательная картина: ОЯТ, которое также называют «ядерной золой», представляет немалую опасность: хвосты сортировки и переработки руды по сравнению с ним – просто «цветочки». Выходит, что, производя электроэнергию на атомных станциях, в качестве довеска мы получаем опасные радиоактивные материалы, к которым и близко нельзя подойти даже после десятилетней выдержки. Но важный вопрос заключается в том, относятся ли данные материалы к отходам? И здесь еще раз уместно напомнить, что отходы – это те вещества, которые нельзя полезно использовать. Справедливо ли это по отношению к ОЯТ? И да, и нет.  

Спецвагон, предназначенный для перевозки отработавшего ядерного топлива по железной дороге к месту длительного хранения и переработки

В облученном топливе содержится немало ценных компонентов: остатки урана-235, плутоний-239 и – в меньшей степени – другие «тяжелые» изотопы. Некоторые из радиоактивных продуктов деления тоже представляют интерес: стронций-89, стронций-90, цирконий-95, ниобий-95, рутений-106, цезий-137 и другие. Возможность их извлечения из ОЯТ, очистки и последующего использования начали прорабатывать еще в пятидесятые годы прошлого века. Но эта задача оказалась не из простых, поскольку для получения нужных изотопов приходится возиться с материалом, испускающим жесткое излучение.

Иными словами, извлечь из ОЯТ целевые компоненты можно только с помощью дорогостоящей и весьма «грязной» (с точки зрения радиационной опасности) технологии. К тому же, большинство изотопов, содержащихся в ОЯТ, не может быть полезно использовано – это балласт, причем балласт опасный, относящийся к категории высокоактивных отходов. От них нужно как-то избавляться, что тоже требует расходов.

И еще один момент, который необходимо учесть: если исходное обогащение урана слишком низкое, то перерабатывать облученное топливо будет заведомо невыгодно. Поэтому, в частности, в нашей стране не берутся за переработку ОЯТ уран-графитовых реакторов типа РБМК-1000, в то время как топливо водо-водяных «котлов» (ВВЭР-440, ВВЭР-1000), в котором содержится больше «несгоревшего» урана-235, имеет гораздо более весомый экономический потенциал.

Поразмыслив так и этак, большинство стран, обладающих развитой ядерной энергетикой, вообще отказалось от переработки ОЯТ. С их точки зрения облученное топливо однозначно относится к опасным радиоактивным отходам. А вот что с ним делать – уже другой вопрос. Некоторые государства (например, США, Канада, Швеция) предполагают запечатывать отработавшие сборки в герметичные капсулы и захоранивать на большой глубине. Другие страны поступают проще: за деньги отправляют свое ОЯТ тем, кто умеет его перерабатывать. В Европе основным «пунктом утилизации» топлива, извлеченного из ядерных реакторов, является Франция, – и французские атомщики на этом очень неплохо зарабатывают! Так же могла бы зарабатывать и российская атомная отрасль: Росатом владеет соответствующими технологиями.

Контейнер для перевозки отработавшего топлива проходит испытания на прочность: ему предстоит выдержать падение с высоты девять метров

Если подвести краткий итог вышесказанному, можно констатировать следующее: отработавшее ядерное топливо современных реакторов после извлечения из активной зоны еще может быть использовано. Исходя из этого, ОЯТ не относится к радиоактивным отходам, – разумеется, при условии, что страна имеет предприятия, занимающиеся его переработкой, то есть реализует замкнутый ядерный топливный цикл. Почему замкнутый? Потому что в этом случае уран-235 буквально «гоняют по кругу»: его остатки выделяют из ОЯТ и снова возвращают на АЭС в виде свежих топливных таблеток. 

 

Пурекс-процесс – путь к замыканию ядерного топливного цикла

Наиболее популярной технологией переработки ОЯТ сегодня является так называемый Пурекс-процесс.

Непривычное уху обозначение «Пурекс» скопировано с англоязычной аббревиатуры «PUREX» (Plutonium Uranium Recoveryby EXtraction). В дословном переводе это означает «экстракционное извлечение плутония и урана».

К чему, в общих чертах, сводится суть Пурекс-процесса? Сначала тепловыделяющие сборки разрезают на куски и растворяют в концентрированной азотной кислоте. При этом растворяются и сами топливные таблетки, и циркониевые трубки, в которые они помещены. Данный вариант является вынужденным, – ведь «вытряхнуть» таблетки из трубок не так-то легко, особенно учитывая, что речь идет о материале, с которым можно работать только дистанционно. В результате получается раствор, содержащий уран, плутоний, цирконий и многочисленные радиоактивные продукты деления. Следует отметить, что все операции выполняются автоматически или посредством манипуляторов, а контроль ведется с помощью видеокамер или через толстые свинцовые стекла, «непробиваемые» для радиации.

На следующем этапе полученный ранее кислотный раствор перемешивают с органическим веществом, которое «вытягивает» из водной фазы уран и плутоний. Данный метод называется экстракцией, а упомянутое органическое вещество – экстрагентом. Таким образом, в результате экстракции главные компоненты – уран и плутоний – оказываются в органической фазе, а остаток с продуктами деления – в растворе кислоты.

Может быть, простой бытовой пример поможет лучше понять суть происходящего. Взять, хотя бы, «валерьянку» – препарат для успокоения нервов, также известный своим весьма необычным действием на кошек. Для получения этого средства корни валерианы лекарственной вымачивают в спирте, который в данном случае служит экстрагентом, извлекающим нужные соединения из растительных тканей.

Далее происходит разделение урана и плутония: для этого плутоний восстанавливают с помощью подходящего реагента. Восстановленному плутонию уже «не сидится» в органической среде, и он вымывается в специально подобранный водный раствор. Иными словами, происходит обратный процесс – реэкстракция. После этого пути урана и плутония расходятся: каждый из них проходит цикл очистки, в результате которого удается выделить элемент без примесей.

Не стоит забывать про водный остаток – раствор, содержащий продукты деления. Он не бесполезен, поскольку в нем есть изотопы, нужные промышленности. Они извлекаются в последующих циклах экстракции-реэкстракции, тоже очищаются и идут в дело. Ну а «хвост» этого остатка, увы, уже относится к радиоактивным отходам, к тому же весьма опасным (так называемым высокоактивным). Их перерабатывают, переводя в подходящую форму. Впрочем, об этом – чуть позже.

Пурекс-процесс – технология извлечения ценных компонентов из отработавшего ядерного топлива

В общем, Пурекс-процесс – весьма сложная последовательность, поэтому неудивительно, что по всему миру наберется лишь… четыре страны с замкнутым топливным циклом: на сегодняшний день переработку ОЯТ осуществляют Франция, Великобритания, Япония и, конечно же, Россия.

В России отработавшим ядерным топливом занимаются специалисты Росатома на заводе РТ-1, который входит в комплекс ПО «Маяк» (г. Озерск Челябинской области). Завод вступил в строй еще в советские времена, в 1977 году, и работает до сих пор. На РТ-1 поступает ОЯТ от энергоблоков с ВВЭР-440, БН-600, атомных подводных лодок и исследовательских реакторов.

Топливо более крупных ВВЭР-1000 до недавних пор оставалось в стороне, но в ближайшем будущем им собираются заняться вплотную: в конце 2016 года на «Маяке» ввели в эксплуатацию новую линию, которая позволит перерабатывать те виды топлива, за которые раньше не брались (соответственно, в их число входит и ОЯТ «вэ-вэ-эровских» тысячников).  

Ну а «ядерную золу» уран-графитовых РБМК-1000, как было сказано выше, не собираются перерабатывать, – «овчинка» выделки не стоит. Во всяком случае, пока. Выходит, на сегодняшний день в России перерабатывается не все отработавшее топливо, а лишь некоторая доля (примерно одна шестая). Этот факт нередко используют для нападок на отрасль, говоря не без ехидства, что российский ядерный топливный цикл замкнут только на бумаге.

Надо сказать, что наши атомщики и сами понимают, что в данной сфере давно пора заняться укреплением позиций. В перспективе (уже после 2025 года) планируется ввод в действие нового крупного завода РТ-2, который будет перерабатывать топливо ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и других реакторов, опираясь на более совершенные технологии. Вопрос в том, где взять пресловутые технологии? Об этом тоже подумали. В настоящее время в Красноярском крае, на площадке Горно-химического комбината, создается опытно-демонстрационный центр по переработке ОЯТ. Там будут осваивать сразу несколько приемов многоуровневой переработки отработавшего топлива нового поколения. Цель – создать способы, которые будут иметь лучшие экономические и экологические показатели, то есть те, которые позволят получать больше прибыли при меньшем вреде для природы. В 2015 году завершилось строительство пускового комплекса центра.  

Наиболее радикальные «зеленые» круги требуют, чтобы Росатом «избавил всех от иллюзий»: признал ОЯТ отходами и начал обращаться с отработавшим топливом соответствующим образом. В частности, приводятся в пример США и прочие так называемые высокоразвитые страны, отказавшиеся от переработки ОЯТ. Вот и нам предлагается закрыть технологию, которой мы обладаем, и вместо нее начать создавать какую-нибудь альтернативу. Может, это и выход. Но более здравой кажется мысль о том, что от имеющихся достижений следует не отказываться, а, напротив, развивать их, поднимать на новый уровень. Тем более, нет гарантий, что со временем ситуация не изменится: запасы урана-235 постепенно истощаются, и его извлечение из отработавшего топлива (вместе с плутонием-239), которое ныне многим представляется невыгодным, в перспективе может стать вполне привлекательным. И будет не слишком хорошо, если мы «потеряем нить» сейчас: создание подобной технологии «с нуля» является сложнейшей и дорогостоящей задачей.

Откуда взяться отходам на АЭС?

Образуются ли при сжигании урана еще какие-либо отходы, помимо отработавшего топлива и связанного с ним высокоактивного «хвоста»? Да, образуются. Однако не следует сильно беспокоиться по этому поводу, поскольку появление радиоактивных отходов предусмотрено проектом и происходит при обычной, безаварийной работе АЭС.

Основным источником образования излучающих материалов является, конечно же, реактор. Взять, к примеру, любой ядерный энергоблок с водным теплоносителем. Вода заходит в активную зону, чтобы забрать тепло у твэлов, но при этом она подвергается воздействию мощного нейтронного потока. Однако угрозу несет даже не сама вода, а содержащиеся в ней стабильные изотопы металлов – железа, хрома, никеля, кобальта, марганца. Откуда они берутся? Из труб и аппаратов, внутри которых течет вода, ведь они изготовлены из металла – главным образом из нержавеющей стали!

Известно, что металл подвергается коррозии даже в специально подготовленной, очень чистой воде. Правда, не следует рисовать в воображении знакомую картину: сталь, покрытая толстой пленкой коричневой ржавчины, как слоем шоколада, – ни о чем подобном в случае с АЭС речи не идет. Стабильные изотопы переходят в воду в очень малых количествах. Судьба растворенных металлов проста: вместе с теплоносителем они попадают в активную зону, где подвергаются действию мощного нейтронного потока, пронизывающего реактор. Ядра атомов металлов захватывают нейтроны, становятся радиоактивными и… тем самым создают целый ряд проблем.

Во-первых, происходит радиоактивное загрязнение теплоносителя, сохраняющееся в течение длительного времени. Во-вторых, образовавшиеся радиоактивные вещества разносятся по трубам и аппаратам и откладываются на внутренних поверхностях: в результате «железо» начинает серьезно «фонить». Наконец, следует помнить о ситуациях, когда приходится вскрывать оборудование основного контура, – например, при перегрузке топлива, а также при выполнении ремонтных работ. В данных условиях радиоактивные изотопы могут загрязнить полы, стены, наружные поверхности аппаратов и даже воздух рабочих помещений.

Очевидно, что нейтроны воздействуют не только на теплоноситель, – нейтронный поток облучает все узлы реактора. Это приводит к возникновению так называемой «наведенной» активности: в толще конструкционных материалов стабильные ядра тоже превращаются в радиоактивные. В реакторе типа РБМК облучению подвергаются технологические каналы, в которые вставляются кассеты с ядерным топливом, и графитовые «кирпичи» замедлителя/отражателя. В случае с ВВЭР основной удар принимает на себя стальной корпус реактора и устройства, находящиеся внутри него.

Впрочем, пока ядерная установка эксплуатируется, «наведенная» активность компонентов реактора не представляет опасности, поскольку реактор находится за толстыми плитами бетонной защиты. А вот радиоактивное загрязнение теплоносителя создает проблемы, ведь оно распространяется вместе с водой (а в случае с РБМК – еще и с паром) по различным узлам ядерной установки. Со стороны может показаться, что данный факт создает серьезную угрозу для персонала. На деле же фактор риска учтен, и работа организуется таким образом, чтобы дозы, получаемые людьми, находились ниже допустимых уровней. Для этого приходится, помимо всего прочего, удалять радиоактивные вещества из теплоносителя и с загрязненных поверхностей, что в итоге приводит к образованию радиоактивных отходов (РАО).

 Конечно, можно заняться пространным перечислением всех источников РАО на атомных станциях, но это долго и скучно. Лучше рассмотреть несколько конкретных примеров, чтобы сформировать представление о проблеме в целом. 

Пример № 1. Группу любознательных школьников или студентов привели на АЭС на экскурсию. Перед входом в так называемую «контролируемую» зону посетителей заставят надеть на обувь бахилы, но не такие, как в поликлинике, а из более толстого и прочного полимерного материала. На выходе из зоны бахилы придется снять и выбросить в контейнер: возможно, они загрязнены радиоактивными веществами. Содержимое этого контейнера нельзя бесконтрольно выкинуть на обычную свалку, ведь то, что там лежит, может относиться к твердым органическим радиоактивным отходам.

Пример № 2. Часто приходится наблюдать, как уборщицы моют пол в школе, на вокзале, в торговом центре и т.п. Помещения АЭС также нуждаются в регулярном мытье, – значит, на АЭС тоже требуются уборщики. Правда, их должность именуется более весомо: рабочие-дезактиваторщики. Водный раствор, которым они моют полы и стены, в процессе использования вбирает радиоактивные вещества и превращается в жидкие радиоактивные отходы, которые собирают в специальные емкости.

Бак-сборник жидких радиоактивных отходов

Пример № 3. На одноконтурных ядерных установках с реакторами типа РБМК-1000 пар, как рассказывалось ранее, образуется непосредственно в реакторе. Этот пар радиоактивен. Он идет на турбину и, отработав на ней, снова превращается в воду, – но не полностью. Тот газ, который не сконденсировался, направляется в специальные емкости для сбора газообразных сред (газгольдеры). Причем это не просто газ, а газообразные радиоактивные отходы.

Пример № 4. Нет такого промышленного оборудования, которое могло бы работать вечно. Рано или поздно оно изнашивается, и появляется необходимость его полной или частичной замены. АЭС в этом смысле тоже не является исключением. Куда деваются изношенные детали, остающиеся, например, после ремонта насоса, качающего радиоактивную воду? Они не вывозятся на свалку, а отправляются на участок хранения металлических радиоактивных отходов.

Металлические радиоактивные отходы собирают в специальный контейнер

Пример № 5. Узлы, которые подвергаются воздействию нейтронного потока непосредственно в реакторе, сами становятся радиоактивными за счет «наведенной» активности. Когда срок службы ядерной установки подходит к концу, эти облученные изделия автоматически попадают в категорию радиоактивных отходов.

Итак, суть проблемы ясна: в процессе работы ядерных энергоблоков образуются радиоактивные отходы, которые могут представлять опасность для персонала АЭС, населения, окружающей среды. 

О связи между отходами и кондиционерами

Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соответственно, радиоактивные отходы также бывают твердыми, жидкими и газообразными. Впрочем, газообразные отходы недолго остаются таковыми: они проходят многоступенчатую очистку на фильтрах, заполненных твердыми сорбентами. Из системы фильтрации выходит чистый воздух, а радиоактивные вещества удерживаются внутри: так отходы из газообразных превращаются в твердые. В другом варианте загрязненный воздух подвергается «мокрой» очистке, проходя через слой жидкости (аналогично тому, как это происходит в пылесосе с аквафильтром). В результате из газообразных отходов образуются жидкие.   

А что предпринять в отношении жидких и твердых радиоактивных отходов (сокращенно – ЖРО и ТРО), чтобы снизить их потенциальную опасность?

Проблема в том, что уровень радиоактивности отходов нельзя уменьшить обычными способами, поскольку повлиять на скорость радиоактивных превращений с помощью привычных инструментов практически невозможно. Объяснить это «на пальцах» можно примерно так: если взять один грамм радиоактивного цезия-137 с периодом полураспада тридцать лет, то, что бы с ним ни делали, спустя три десятилетия на руках останется половина исходного количества (то есть полграмма). При этом цезий можно плавить, испарять, прессовать, травить кислотами и щелочами, обрабатывать плазмой, но любые подобные манипуляции не заставят его распадаться быстрее.

Таким образом, нельзя быстро обезвредить радиоактивные отходы; можно лишь терпеливо ждать, пока их опасность не снизится за счет распада. Но ждать придется долго – десятки, сотни, а для отдельных изотопов тысячи и даже миллионы лет. Поэтому отходы требуется кондиционировать.

Всем известный прибор, называемый кондиционером, «оптимизирует» такие важные параметры воздуха, как температура и влажность. В этом смысле кондиционирование радиоактивных отходов по смыслу не отличается от кондиционирования воздуха. Вопрос заключается в том, какие параметры считать оптимальными в отношении отходов? Чтобы это понять, следует рассмотреть ряд ситуаций, с которыми можно столкнуться на практике.

Пример № 1. Радиоактивный раствор хранится в стальном баке. Но нержавеющая сталь, несмотря на название, все же подвержена коррозии. Поэтому, если оставить отходы в таком виде на десятки и сотни лет, бак проржавеет до дыр, и раствор протечет наружу. Даже если зарыть бак в землю, это не решит проблему, – ведь в подобном случае радиоактивные вещества впитаются в почву и могут попасть в грунтовые воды. Отсюда следует первый важный вывод: жидкие радиоактивные отходы непригодны для длительного хранения. Поэтому жидкие отходы в процессе переработки всегда переводят в твердую форму.

Пример № 2. Жидкие отходы переработали, превратив их в сухие соли, которые поместили в бочки. Но если бочка разгерметизируется при контакте с теми же грунтовыми водами, соль начнет растворяться. Получается, что такой вариант тоже не лишен изъянов. Значит, желательно получить на выходе цикла переработки нерастворимый материал.

Твердые радиоактивные отходы с небольшим уровнем активности допускается помещать в стальные бочки

Пример № 3. В атомной отрасли широко используется способ цементирования отходов, суть которого состоит во включении радиоактивных веществ в цементные блоки. А если из-за неосторожных действий погрузчика блок треснет и раскрошится? Результат очевиден: куски радиоактивного цемента на полу, радиоактивная пыль в воздухе. Следовательно, надо стремиться к тому, чтобы конечные материалы, которые получаются в процессе переработки, были механически прочными.

И вот теперь можно объяснить, что имеется в виду под кондиционированием радиоактивных отходов: кондиционирование – это перевод в химически стойкое, экологически безопасное состояние. Иными словами, в результате переработки и кондиционирования РАО последние должны превратиться в твердые прочные блоки из химически инертного материала.

Что перерабатывать, как перерабатывать

Очевидно, что переработка отходов – не бесплатный процесс. Приходится тратиться на оборудование, на реагенты, на зарплату рабочим, на защиту от радиации, на электроэнергию, – но и это еще не все. Кондиционированные отходы с серьезным уровнем радиоактивности нельзя сваливать под открытым небом как пустую породу: для них нужны хранилища. Естественно, что к таким хранилищам предъявляют многочисленные требования, из-за чего их строительство обходится намного дороже по сравнению с обычными промышленными зданиями. В связи с этим важной задачей становится сокращение объема отходов: чем меньше будет объем, тем меньше денег уйдет на сооружение хранилищ и могильников.

Например, на крупном ядерном энергоблоке за год образуется порядка десяти тысяч кубометров радиоактивной воды. Если все это количество «загонять» в цемент, затраты будут непомерно велики. Но есть выход из положения. Большинство радиоактивных изотопов в водных растворах находятся в форме нелетучих соединений: при кипячении они не уходят с паром. Этим свойством успешно пользуются, направляя жидкие отходы в выпарной аппарат.

В нем радиоактивный раствор кипятят совсем как в чайнике. Но если в последнем пар вылетает из носика наружу, то в выпарном аппарате он отводится из верхней части, охлаждается, конденсируется и собирается в емкости в виде практически чистой воды. Почти все радиоактивные вещества – из-за своей нелетучести – остаются в нижней части аппарата, – в упаренном растворе, называемом кубовым остатком. Кубовый остаток сливают из пресловутого «чайника» в бак-сборник, где он хранится в ожидании дальнейшей переработки. При этом объем кубового остатка оказывается в пятьдесят-семьдесят раз меньше по сравнению с объемом отходов до кипячения! 

 

Выпаривание в несколько десятков раз сокращает объемы жидких радиоактивных отходов

Что же делать с полученным кубовым остатком, в котором сконцентрировались не только радиоактивные вещества, но и соли, которые также присутствуют в выпариваемых отходах? Между прочим, концентрация солей может достигать трехсот-четырехсот граммов в литре – немаленький показатель. Конечно, «куб» можно окончательно упарить и получить сухую радиоактивную соль. Но последняя растворима в воде, то есть требует особой изоляции от окружающей среды. В принципе, соль можно засыпать в специальные железобетонные контейнеры, закрыть крышкой, загерметизировать стык – такой вариант подойдет для длительного хранения. Но что, если по тем или иным причинам необходимо повысить уровень безопасности кондиционированных РАО? В этом случае соль желательно перевести в нерастворимое состояние. И здесь на помощь атомщикам приходит технология из общей промышленности – цементирование.

Цементирование в принципе является универсальным приемом кондиционирования отходов с низким и средним содержанием радиоактивных веществ, – то есть низко- и среднеактивных отходов. Действительно, чего уж проще: использовать цемент, «затворив» его не водой, а радиоактивным раствором. Для этого не требуется особо сложное оборудование: аппараты для перемешивания цемента с отходами принципиально не отличаются от обычных бетоносмесителей, используемых на стройке. Однородная смесь («цементное тесто») выгружается из нижней части смесителя в специальную форму, в которой затвердевает. 

 

Цементирование предназначено для перевода радиоактивных отходов в твердую нерастворимую форму

Полученный цементный блок устойчив к действию воды, перепадам температур и достаточно прочен, поскольку для радиоактивных отходов используют наиболее прочные марки портландцемента, а также специально разработанные цементоподобные композиции. В таком виде радиоактивные отходы уже можно отправлять в хранилище: при соблюдении ряда условий цементные блоки сохранят свои свойства на протяжении сотен лет. 

Установка цементирования жидких радиоактивных отходов

Если взять и зацементировать все кубовые остатки, накопленные на атомных станциях, то суммарный объем РАО в форме цементных блоков окажется весьма и весьма велик. Поэтому наши инженеры разработали способ, позволяющий в еще большей степени снизить количество отходов. Основу способа составляет технология так называемой селективной очистки: концентрированные растворы кубовых остатков прогоняют через фильтры, которые избирательно «вытаскивают» из водной среды радиоактивные изотопы. Таким образом, на выходе образуется чистый солевой раствор. Его затем выпаривают до сухих солей, которые засыпают в бочки. Сказать, что эти соли совсем уж безопасны, нельзя: в них содержатся соединения, способные нанести вред природе. Но речь здесь идет о чисто химической опасности, к тому же сравнительно небольшой. А главное в том, что устрашающее прилагательное «радиоактивные» к данным отходам уже не применимо. Все радиоактивные вещества улавливаются на фильтрах, объем которых гораздо меньше по сравнению с исходными кубовыми остатками.

Селективная очистка позволяет извлечь радиоактивные изотопы из кубовых остатков (растворов с высоким содержанием солей)

Давим, жжём, плави

Для снижения объема твердых радиоактивных отходов существуют свои подходы. Один из них – прессование. Ведь если исходная активность отходов низка, то нет необходимости включать их в прочный, химически стойкий монолитный блок. Достаточно спрессовать материал и поместить его в металлическую бочку. Современная промышленность предлагает очень мощные прессы, и сейчас на отечественных предприятиях работают суперкомпакторы – аппараты, действующие с усилием до двух тысяч тонн. Это число сопоставимо с давлением, которое оказывали бы на прессуемый объект полсотни тяжелых танков!

В частности, суперкомпакторы используются для дополнительного сокращения объема уже утрамбованных и загруженных в бочки отходов. Модуль прессования устроен таким образом, что диаметр «расплющенной» бочки немного меньше по сравнению с исходным, поэтому образовавшиеся «блины» легко помещаются в точно такие же стандартные бочки – по пять штук в одну. Соответственно, и объем отходов уменьшается в пять раз.  

Прессование – способ снижения объема твердых радиоактивных отходов

 

Погрузчик доставил к прессу очередную порцию бочек с отходамиДругой широко известный способ переработки – сжигание.

Однако, если исходная активность отходов значительна, то стенка бочки уже не является достаточным барьером. Для более опасных радиоактивных материалов требуется использовать более надежные способы кондиционирования. 

Робототехника, используемая для манипуляций с бочками

Одним из способов является уже упомянутое цементирование: твердые РАО можно заливать цементом прямо в бочках. В другом варианте заполненные бочки устанавливают в бетонный контейнер, в промежутки между бочками засыпают мелкий радиоактивный мусор, и затем все содержимое заливают цементным раствором. Соответственно, в хранилище поступают уже не бочки, а контейнеры – своего рода цементные «пирожки с начинкой».

Железобетонный контейнер НЗК (расшифровывается как «невозвратный защитный контейнер») для хранения и захоронения РАО с низким и средним уровнем активности

Бочки с радиоактивными отходами, загруженные в контейнер типа НЗК: для большей надежности бочки дополнительно зальют цементным раствором.

Для перемещения тяжелых контейнеров НЗК используют специальные механизмы

Другой широко известный способ переработки – сжигание. Эта технология применяется, прежде всего, для горючих твердых отходов, хотя «палить» можно и органические жидкости. Следует отметить, что при горении количество радиоактивных атомов не уменьшается, – лишь разрушается содержащий их материал. В результате от отходов остается небольшое количество радиоактивной золы, вдобавок некоторая часть радиоактивных веществ уходит вместе с горячими дымовыми газами. Эти газы требуют особого обращения: их нужно охладить и очистить на фильтрах.

Что касается золы, то она является лишь полупродуктом, который еще предстоит перевести в экологически безопасное состояние. Для этого ее можно зацементировать, как описано выше. Другим вариантом является остекловывание.

Как следует из названия, в последнем случае золу включают в матрицу из стекла. А почему именно стекло? Казалось бы, это далеко не самый прочный материал. Но его выбор обусловлен, в первую очередь, превосходными химическими показателями: матрицы из стекла более надежно удерживают радиоактивные вещества по сравнению с цементными блоками. Кроме того, остеклованные отходы могут храниться многие сотни и даже тысячи лет, что подтверждается находками археологов (древние изделия из стекла демонстрируют, несмотря на возраст, прекрасное состояние). 

Радиоактивные отходы не возят в обычных машинах: особым «пассажирам» требуется специальный транспорт

На практике остекловывание может быть реализовано следующим образом: горючие отходы сжигают в камере, золу выгружают из ее нижней части и смешивают со стеклообразующими добавками. Полученную смесь (шихту) загружают в тигель – специальную емкость, способную выдерживать высокие температуры. Тигель помещают в печь и нагревают. Шихта плавится, и образовавшийся радиоактивный расплав сливают в заранее подготовленную форму. Остывая, раскаленная жидкость превращается в цельный стеклоблок, который можно отправлять в хранилище.

Если же речь идет о кондиционировании отходов с высоким уровнем активности, то остекловывание является единственным приемлемым вариантом из тех, что используются в наши дни: цементные матрицы разрушаются под действием слишком сильной радиации; стекло же выдерживает.

 

Транспортные контейнеры с остеклованными высокоактивными отходами (Германия) 

Следует напомнить, что жидкие высокоактивные отходы образуются в ядерном топливном цикле при переработке отработавшего топлива. Однако их не включают в стекло непосредственно в жидком виде: вначале воду практически полностью выпаривают, а оставшиеся соли дополнительно сушат. Дальнейшая же схема аналогична уже описанной: радиоактивную соль смешивают со стеклообразующими добавками и загружают в тигель, тигель нагревают в печи, получая жидкий расплав, который остывает и превращается в стекло.

Немного в стороне стоит такой метод переработки отходов, как переплав. Данная технология лишний раз свидетельствует об условности понятия «отходы». Дело в том, что радиоактивное загрязнение обычно не проникает вглубь металлических изделий, а держится на поверхности. Причем эту «грязь» можно удалить множеством способов, – например, дробеструйной обработкой (аналогичный подход широко применяется для очистки бронзовых памятников или гранита, хотя там вместо дроби используют песок).

Но изделия из металла, обработанные дробью, еще недостаточно чисты, поэтому их режут на куски и отправляют в печь переплава. Радиоактивные вещества при этом частично переходят в шлак, образующийся на поверхности расплава, а их небольшой остаток равномерно распределяется по всему объему горячего жидкого металла, который разливают по формам. Образующиеся после застывания металлические слитки уже не относятся к радиоактивным материалам: содержание радиоактивных веществ в этих «чушках» ниже допустимых уровней, поэтому их можно использовать в промышленности. Таким образом, загрязненный металл возвращается в производство вместо того, чтобы разделить судьбу прочих радиоактивных отходов.

 

После остывания расплав превратится в слитки очищенного металла, пригодного для использования в промышленности

В землю закопать и надпись написать…

Кондиционированные радиоактивные отходы помещают в хранилища. Это очень ответственные сооружения, к которым предъявляются жесткие требования. Наиболее строги условия для хранения высокоактивных отходов, в то время как для материалов с низкой активностью допустимы значительные послабления. К примеру, контейнеры и бочки с отходами, не представляющими серьезной радиационной угрозы, можно хранить в легких ангарах – это вполне безопасный вариант. Но зачастую обстоятельства требуют повышения уровня безопасности, – и тогда приходится создавать более дорогостоящие конструкции.  

Металлический ангар для хранения твердых радиоактивных отходов с невысоким уровнем активности

Наземное хранилище РАО на Калининской АЭС – зал для временного хранения капсул с отходами. Круги на полу – это лючки шахт, в которые помещаются бочки

Несмотря на определенные удобства временного хранения, конечной стадией обращения с отходами является их окончательная изоляция, часто называемая захоронением. Чем одно отличается от другого? Из хранилищ отходы можно без труда извлечь, однако там их приходится держать под постоянным наблюдением на охраняемой территории. К тому же срок службы хранилища ограничен, и, когда он закончится, отходы придется перевозить в другое место, а может, и перекладывать в новые контейнеры. Поэтому для снижения радиационных рисков отходы целесообразнее захоронить – «в землю закопать и надпись написать», в полном соответствии с цитатой из известного фильма. Иными словами, надо загрузить отходы в специальное сооружение, тщательно запечатать и забыть о них.  

На международном уровне уже давно сформировалась концепция захоронения радиоактивных отходов в так называемых пунктах окончательной изоляции, – выражаясь более понятным языком, могильниках. Но захоронить отходы не так-то просто, ведь определение «окончательная изоляция» ко многому обязывает. Действительно, «хоронить» можно тогда и только тогда, когда есть гарантия, что материалы, испускающие радиацию, останутся там, куда их поместили. Следует напомнить, что в ряде случаев речь идет об огромных периодах времени вплоть до сотен тысяч и даже миллионов лет. 

Содержание радиоактивных веществ в отходах со временем неизбежно уменьшается благодаря радиоактивному распаду. Таким образом, опасность захороненных РАО в перспективе будет снижаться, и однажды достигнет уровня, при котором отходы могут быть сняты с радиационного контроля. Вплоть до этого момента барьеры безопасности могильника должны обеспечивать надежную изоляцию РАО от окружающей среды и злонамеренных действий.

Сложность конструкции могильника зависит от того, с какой категорией радиоактивных отходов имеют дело. Есть два главных параметра РАО, определяющих способ их захоронения: первый – это удельная активность, то есть количество радиоактивных веществ в одном килограмме материала, а второй – период полураспада, отражающий время жизни содержащихся в отходах радиоизотопов. Понятно, что самой надежной изоляции требуют высокоактивные отходы (ВАО), включающие долгоживущие изотопы.

Чтобы могильник выполнял свои функции, в нем должно быть создано несколько барьеров безопасности, чья задача – не допустить выхода радиоактивных веществ в биосферу. Поэтому в могильнике укладывают толстые слои (стены) из материалов, которые, во-первых, эффективно задержат радиоактивные вещества, если те «попытаются выбраться» наружу, и, во-вторых, не дадут грунтовым водам просочиться к контейнерам с отходами. Даже место размещения могильника выбирают так, чтобы горные породы служили дополнительным барьером. А если речь идет о высокоактивных отходах, то требуется еще и система отвода тепла, выделяющегося при радиоактивных превращениях.

Секции нового хранилища ждут своих «жильцов»

Надежной породой для удержания радиоактивных веществ является всем известная глина. Например, затонувшие корабли хорошо под ней сохраняются, поэтому глинистые материалы применяют для защиты контейнеров с радиоактивными отходами от воды. Согласно исследованиям, даже если все рукотворные барьеры в могильнике будут разрушены и радиоактивные вещества попадут в глину, то за десять тысяч лет они сумеют «проползти» всего лишь… один метр.

Как обустроить «кладбище» для отходов?

Чем руководствуются при выборе места для размещения объекта окончательной изоляции? Важнейшим критерием является тектоническая, вулканическая и сейсмическая стабильность территории: защитные барьеры могильника не должны быть разрушены при землетрясении или смещении горных пород. Кроме того, в сооружение не должны проникать подземные воды.

Мировой опыт показал, что подходящими свойствами для размещения объектов окончательной изоляции, помимо глины, обладают солевые формации и магматические горные породы (граниты, базальты).

Наконец, могильники должны находиться на достаточно большом удалении от крупных городов, ценных природных объектов, месторождений полезных ископаемых. Последний пункт важен, поскольку нет гарантии, что спустя много лет какой-нибудь геологоразведчик не примется бурить скважину прямо в «крыше» опасного объекта.

Если отходы характеризуются низким и средним уровнем активности, их можно захоранивать вблизи земной поверхности.

Хорошим примером приповерхностного объекта является Эль Кабриль в Испании, где создан единый центр по обращению с РАО и их окончательной изоляции. Могильник рассчитан на объем, превышающий пятьдесят тысяч кубометров. В нем есть несколько барьеров безопасности: выходу радиоактивных веществ препятствуют твердая цементная матрица, в которую включены отходы, стенки контейнера, инженерные сооружения и геологические условия природной террасы, на которой размещен объект.

Захоронение низко- и среднеактивных отходов производится так: отвержденные или спрессованные отходы в бочках помещают в специальные бетонные контейнеры, в пустое пространство между бочками для перестраховки заливают цементный раствор, а затем заполненные контейнеры укладывают в железобетонные каньоны в несколько рядов. Когда каньон заполняется, его сверху закрывают железобетонной плитой, которую для верности дополнительно изолируют, да еще и защищают от осадков с помощью крыши. Под каньонами находится инспекционная галерея, снабженная дренажной системой для откачки воды: в подобных сооружениях она обычно конденсируется из воздуха (хотя может ненароком просочиться снаружи). В общем, предусмотрены все возможные меры, чтобы не допустить влагу к контейнерам с опасным грузом.

Загрузка РАО в отсек могильника Эль Кабриль (Испания)

Могильники такого типа существуют и во Франции. Один из них расположен на берегу пролива Ла-Манш, разделяющего Францию и Великобританию. (К слову, рядом с ним находится завод по переработке отработавшего ядерного топлива Ла-Аг, – настолько французы уверены в безопасности своих технологий). Эксплуатация упомянутого могильника продолжалась с 1969 по 1994 год, и за это время туда «упрятали» более полумиллиона кубометров отходов. Сейчас объект находится под мониторингом, который продлится несколько сотен лет.

В 2016 году в Новоуральске был запущен в эксплуатацию первый в России могильник (его «умное» название – приповерхностный пункт финальной изоляции радиоактивных отходов, сокращенно – ППЗРО). Это подземный могильник, представляющий собой железобетонную конструкцию глубиной семь метров, способен вместить до пятнадцати тысяч кубометров отходов с низкой активностью. Срок службы пункта изоляции – три сотни лет. Защита объекта включает пять барьеров безопасности. 

Устройство могильника траншейного типа, предназначенного для захоронения радиоактивных отходов в России

В мире можно найти и примеры могильников, предназначенных для глубинного захоронения РАО. В частности, в Германии в свое время активно изучались соляные формации, в результате чего в одной из соляных шахт появилось ныне законсервированное хранилище низко- и среднеактивных отходов Морслебен. А в США хранилище WIPP размещено в соляных породах на глубине примерно семисот метров. Оно предназначено для захоронения радиоактивных отходов от американской военной программы, в том числе материалов, содержащих долгоживущие радиоактивные вещества.

Глубинное захоронение РАО в соляной шахте (Морслебен, Германия)

В Швеции для захоронения отходов среднего и низкого уровня активности вблизи АЭС «Форсмарк» построено централизованное подземное хранилище SFR, которое впоследствии предполагается превратить в могильник. Этот объект «вырезан» в скале под дном Балтийского моря, на глубине 55 метров. В хранилище можно загрузить до девяноста тысяч кубометров отходов, заключенных в контейнеры из бетона или стали.

Интересно, что отходы с разной удельной активностью размещаются в различных точках хранилища SFR – что-то попадает в один из четырех туннелей, а самые радиоактивные отходы оказываются в цилиндрическом бетонном бункере под названием Silo. 

Туннели подземного хранилища SFR (Швеция)

Что касается высокоактивных отходов, образующихся при переработке ядерного топлива, то для них приповерхностные могильники признаны слишком ненадежными: только захоронение на глубине в несколько сотен метров позволяет обеспечить долговременную безопасность окружающей среды и населения. В России одним из наиболее подходящих мест для окончательной изоляции высокоактивных отходов считается гранитный массив в Красноярском крае:  остеклованные отходы в специальных контейнерах предполагается опускать в горные выработки на глубину нескольких сотен метров и размещать в скважинах. Имеющиеся пустоты будут заполнять смесью песка и бентонита, а камеры после заполнения скважин запечатывать специальной твердеющей смесью. Такой подход позволит обеспечить безопасность на много тысячелетий вперед.

 Радиационный контроль вентиляционной шахты приповерхностного хранилища РАО (Россия)

Если разделить количество радиоактивных отходов, накопленных за всю историю мировой атомной энергетики, на число людей на Земле, то получится всего несколько литров на человека – не так много, как казалось. Причем наибольшая часть этих отходов характеризуется малой активностью и, следовательно, обладает низкой потенциальной опасностью. Так что игра стоит свеч.

Консервация хранилища радиоактивных отходов

Когда реактор уходит на покой

Отдельно следует сказать о такой проблеме, как вывод из эксплуатации ядерных энергоблоков и других предприятий атомной отрасли, где имеют дело с радиоактивными веществами. Собственно, суть проблемы в том, что при очистке оборудования и помещений, при демонтаже аппаратов, конструкций и зданий образуется большое количество радиоактивных отходов. Подсчеты показывают, что их львиная доля, как правило, приходится на загрязненный бетон, являющийся основой зданий; объемы металлических и других материалов будут на порядок ниже.   

Однако загрязнение бетона в большинстве случаев довольно незначительное (как правило, бетон относится к категории отходов с очень низким уровнем активности). В связи с этим, правила обращения с ним весьма мягкие, – ведь отходы данного класса можно захоранивать приповерхностным способом прямо на территории предприятия, в специально оборудованных емкостях или траншеях, с минимальным набором защитных барьеров. К тому же значительную часть бетона можно очистить, сняв верхний загрязненный слой каким-нибудь механическим способом. В этом случае с оставшейся массой материала можно будет обойтись как с промышленными отходами, то есть отправить на обычную свалку.

Содержание радиоактивных веществ в других типах отходов может быть значительно выше по сравнению с бетоном. Что касается атомных электростанций, то при их выводе из эксплуатации отдельную проблему представляют материалы с уже упомянутой «наведенной» активностью, а именно – реакторные конструкции. Ведь здесь речь идет о радиоактивных веществах, сидящих внутри материала: их оттуда никак не «выковырять». Что делать с «котлом» при выводе ядерного энергоблока из эксплуатации? Демонтировать его вручную нельзя, поскольку рабочий не сможет забраться в шахту реактора без риска получить внушительную дозу от сильно «фонящего» оборудования. А технические средства для дистанционной разборки пока еще, к сожалению, не так продвинулись, чтобы выполнить эту сложную процедуру без участия человека.

В связи с этим инженеры склоняются к такому варианту, как отложенный демонтаж: предлагается снять все, что снимается без угрозы недопустимого облучения рабочих, плотно «законопатить» все коммуникации, через которые могут «просочиться» радиоактивные вещества, и оставить реактор на своем месте на длительный период – от полувека до ста лет. С одной стороны, это не очень хорошо, поскольку получается, что мы перекладываем проблему на плечи потомков. С другой же стороны, подобное решение кажется оправданным, ведь за долгие годы «наведенная» активность снизится в сотни, а то и в тысячи раз, и демонтаж реактора уже не будет такой опасной процедурой. Вдобавок техника не стоит на месте: можно надеяться на появление в будущем нового поколения роботизированного оборудования, которое вообще позволит обойтись без человеческих рук.

Можно подвести предварительный итог: при производстве ядерного топлива, в процессе выработки энергии на АЭС, при обращении с отработавшим топливом образуются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные отходы. Однако атомщики умеют с ними обращаться, и в их руках есть обширный арсенал методов перевода отходов в безопасную форму. А размещение РАО в специализированных хранилищах или объектах окончательной изоляции (могильниках) позволяет полностью устранить исходящую от них опасность.

А что там у соседей?

Логично попытаться сравнить атомную энергетику и прочие энергетические сферы именно по «отходному» показателю. В этом отношении самыми безотходными можно считать гидроэлектростанции: вода, отрабатывая на турбине, ничем не загрязняется и течет себе дальше. Однако следует напомнить, что строительство плотины и обустройство водохранилища само по себе весьма негативно влияет на окружающую среду, – прежде всего, на реку и приречные экосистемы.

Тепловые станции на природном газе тоже, с одной стороны, не образуют отходов: метан сгорает и уходит в атмосферу в виде углекислого газа. Получается, других отходов нет? Ну, не совсем. Газ в природе сопутствует нефти, поэтому метан и нефть зачастую добываются совместно. Нефтегазодобыча приводит к образованию нефтешламов – довольно неприятных отходов, состоящих из органических веществ, воды и грунта. Нефтешламы весьма опасны для окружающей среды; кроме того, следует учесть, что они часто имеют повышенное содержание природных радиоактивных изотопов. Нередко в шламах есть еще и тяжелые металлы. Да, действительно, газовые станции сами по себе почти безотходные, но если обратить внимание на «голову» процесса, позитивная картинка несколько портится.

Угольная энергетика в этом смысле намного хуже газовой. Во-первых, большое количество отходов образуется на стадии добычи угля – это настоящие рукотворные горы (терриконы), состоящие из отвалов пустой породы, складируемой в районах расположения угольных шахт. Во-вторых, уголь, в отличие от метана, не сгорает полностью, – остается примерно десять процентов золы, которая в виде жиденькой кашицы (пульпы) выгружается на специальные открытые площадки – золоотвалы. Золоотвалы содержат тяжелые металлы, а иногда еще и «фонят» за счет концентрирования природных радиоактивных веществ, входящих в состав сжигаемого угля. Зола представляет опасность и при пылении, и при проникновении влаги из нее в грунтовые воды: оба случая порождают возможность распространения вредных веществ. В общем, соседство с такой площадкой – малоприятно. 

 

Процесс выгрузки золы с угольной станции в золоотвал не радует ни глаз, ни окружающую среду 

А как обстоят дела с «чистой» альтернативной энергетикой? Если говорить об отходах, то довольно двусмысленно. Для начала, производство огромного количества ветрогенераторов, солнечных батарей и зеркал подразумевает использование промышленных технологий, которые, разумеется, не обходятся без отходов. Использование энергии ветра и солнца само по себе отходов не дает. Но вот, к примеру, панели, которые используются на солнечных электростанциях, отнюдь не вечные, – их требуется довольно часто менять. А на вышедшие из строя модули, содержащие канцерогенный мышьяк или кадмий, при всем желании нельзя прилепить популярный ярлык «экологически безопасно», и на обычную промышленную свалку их не отвезешь.

Примерно то же можно сказать и о ветрогенераторах. Отдельную проблему представляют лопасти «ветряков», изготовленные из композитных материалов. Их срок службы не так велик – двадцать-двадцать пять лет. При этом число ветряных электростанций, построенных по всему миру, таково, что в ближайшем будущем придется вплотную взяться за утилизацию большого количества отработавших лопастей: по оценкам, к 2035 году их суммарная масса вырастет до впечатляющих двухсот тысяч тонн. Популярным способом переработки композитных лопастей является сжигание, которое тоже не относится к «экологически безопасным» процессам, – особенно если учесть, что при горении стеклопластика в воздух летит еще больше вредных веществ, чем при сжигании угля.

Так ли страшен черт…

А чем могут похвастаться в отношении отходов другие отрасли промышленности? Какова судьба опасных материалов, образующихся на целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, металлургических, пищевых производствах? Чтобы ответить, достаточно регулярно смотреть новости. Конечно, следует критически относиться к совсем уж радикальным сообщениям вроде того, что дожди, идущие в поселке, расположенном неподалеку от крупного предприятия, прожигают зонты. Однако и без таких информационных вбросов причин для беспокойства хватает. Реки разных регионов нашей страны то и дело окрашиваются в приятные морские тона (бирюзовый, зеленый, аквамариновый), а иногда еще и светятся в темноте. Зимой выпадают снега чуть ли не всех цветов радуги. Сопки в окрестностях металлургических заводов чудесным образом «лысеют». В одной области с завидной регулярностью горят токсичные отходы на крупном полигоне, в другой – «побочные продукты» птицефермы распространяют такой аромат, что местные жители задыхаются; в третьей – специалисты ломают головы над тем, что делать с залитой нефтью почвой.  

То здесь, то там обнаруживаются несанкционированные свалки опасных отходов: многие производители предпочитают свозить их туда, чтобы не платить деньги специализированным организациям за хранение и переработку. На одной из таких свалок было найдено несколько килограммов опаснейшего продукта – жидкой ртути, разлитой в бутылки. Но это лишь капля в море, один случай из множества. Впрочем, и население часто, не задумываясь, сливает в раковину и отправляет в мусорное ведро все, что попало.

На фоне прочих отраслей промышленности ядерная энергетика выглядит весьма достойно. Действительно, на деле выходит так, что атомный комплекс Росатома является чуть ли не единственным сектором российской экономики, который несет полную ответственность за свои отходы и оплачивает все расходы по их сбору, переработке и хранению. А ведь главное, что должно волновать, – это не то, насколько опасны отходы ВООБЩЕ, а то, насколько они опасны ДЛЯ НАС. А для человека опасность представляют оксиды серы и азота, бензпирены и диоксины в воздухе, соединения хрома, марганца, мышьяка и кадмия в воде, нефтепродукты в почве. К сожалению, фактор риска повышается и за счет того, что система учета, сбора и переработки этих веществ в нашей стране несовершенна и требует серьезных улучшений.

В то же время «опасные» радиоактивные отходы постепенно приводятся в соответствие с самыми жесткими требованиями российских и мировых стандартов и хранятся в специальных сооружениях на охраняемых площадках. Их безопасность обеспечивается целым рядом мер, – начиная с организации сбора жидких и твердых отходов и заканчивая размещением в хранилищах продуманной конструкции. В итоге сложно привести пример еще хотя бы одной крупной отрасли, которая относилась бы к своему «мусору» с таким же вниманием.