Ядерные отходы: Обработка ядерных отходов

Содержание

Обработка ядерных отходов | МАГАТЭ

Перед выбором стратегии обращения с отходами необходимо определить и понять источник отходов и темпы образования отходов, а также объемы и характеристики отходов. Характеризация – это метод, позволяющий получить информацию о физических, химических и радиологических свойствах отходов, помогающий установить надлежащие требования безопасности и потенциальные варианты их обработки. Она также обеспечивает совместимость и соответствие принятым критериям хранения и захоронения.

Существуют три основных этапа обработки ядерных отходов: предварительная обработка, обработка и кондиционирование.

В ходе предварительной обработки отходы подготавливаются к обработке, и она может включать их сортировку и разделение на загрязненные и незагрязненные предметы. Иногда оказывается необходимым уменьшить физические размеры отходов, например, путем их резки или измельчения с целью оптимизации последующей обработки. Методы дезактивации позволяют уменьшить объем отходов, требующих обработки, благодаря чему сокращаются затраты на их захоронение.

После того, как отходы надлежащим образом подготовлены, следующим шагом является обработка с целью повышения их безопасности и снижения затрат на дальнейшие этапы обращения, такие как хранение или захоронение. Обычно процессы обработки приводят к уменьшению объема радиоактивных отходов в результате отделения радиоактивной составляющей от общей массы отходов, что часто изменяет состав отходов в процессе обработки. В зависимости от характера отходов и требований к форме отходов на выбранной площадке захоронения, могут быть использованы разнообразные этапы процесса обработки отходов. Двумя типичными примерами обработки являются сжигание твердых отходов и выпаривание жидких отходов.

В ходе третьего этапа технологического процесса – кондиционирования – отходы переводятся в безопасную, стабильную и удобную в обращении форму, с тем чтобы их можно было перевозить, хранить и подвергать захоронению. Целью методов кондиционирования является замедление высвобождения в окружающую среду радионуклидов из подвергнутых захоронению отходов. При кондиционировании отходов перед захоронением их зачастую подвергают герметизации или отверждению в цементе, битуме или стекле или помещают в защитные чехлы, представляющие собой специальные контейнеры.

МАГАТЭ оказывает государствам-членам помощь в создании надлежащей системы безопасности при обращении с радиоактивными отходами и отработавшим топливом. Оно разрабатывает нормы безопасности для обращения с радиоактивными отходами и отработавшим топливом перед захоронением и оказывает государствам-членам поддержку в их применении. Агентство также координирует работу Комитета по нормам безопасности отходов, который является одним из пяти комитетов по нормам безопасности МАГАТЭ. Он был учрежден с целью предоставления Агентству отзывов и рекомендаций относительно его программ по безопасности отходов.

Кроме того, МАГАТЭ предоставляет услуги Секретариата для совещаний Договаривающихся сторон Объединенной конвенции о безопасности обращения с отработавшим топливом и о безопасности обращения с радиоактивными отходами.

Агентство регулярно организует международные проекты и рабочие группы для проведения работы по согласованию подходов к обеспечению безопасности обращения с радиоактивными отходами перед их захоронением. Эти мероприятия также обеспечивают площадку для обмена между государствами-членами.

МАГАТЭ охватывает широкий спектр тем в области обращения с радиоактивными отходами перед их захоронением, таких как политика и стратегии; оценка инвентарных количеств; анализ затрат и экономических параметров обращения с отходами; минимизация отходов; совершенствование эксплуатационной практики на ядерных установках; и разработка технологий обращения отходами. Оно также принимает участие в международных проектах по этой тематике, одним из которых является проект CRAFT. Эта инициатива касается демонстрации безопасности установок по обращению с радиоактивными отходами перед их захоронением.

Агентство оказывает государствам-членам помощь в рамках своих сетей LABONET и IPN и своей программы технического сотрудничества.

Радиоактивные отходы — что это такое и как с ними обращаются в России / Хабр

«Как Россия превратилась в мировую свалку ядерных отходов». «Россия вновь становится свалкой радиоактивного мусора?» И десяток других, похожих друг на друга заголовков, в которых фигурируют апокалиптичные суда с ядерными отходами, плывущие в Россию. Обычно так реагируют СМИ, когда в страну в очередной раз собираются завести что-то радиоактивное, например регенерированный уран из Франции или «урановые хвосты» из Германии. Вновь разгораются сражения в извечной войне экоактивистов и ядерщиков. И вновь жертвами становятся люди, для которых тонкости атомной индустрии такие же далекие, как и панды в Китае. Расставим точки над «i» и выясним, что является ядовитым мусором, а что — ценным сырьем.

Радиоактивные отходы (РАО)

До некоторого времени радиация и радиоактивные вещества были естественной частью окружающей среды. Однако в какой-то момент человек сделал большой шаг вперед и приручил силу атома. С тех пор радиоактивные вещества и радиация применяются в самой разнообразной деятельности: от промышленности и производства энергии до медицины и сельского хозяйства. И как подобает нетривиальному человеческому труду, вся эта деятельность приводит к образованию отходов в различных формах. Причем не просто отходов, а радиоактивных отходов.

Что такое РАО?

Чем отличаются обычные и радиоактивные отходы? В последних содержатся атомы с нестабильными ядрами (радионуклиды). Таким ядрам свойственно спонтанно изменяться, испуская ионизирующее излучение. В быту его часто называют радиацией, хотя это не совсем точно. Бывают и другие виды радиации, например, солнечная, не имеющая никакого отношения к радиоактивности.

Логично предположить — не всё, что содержит радионуклиды, можно записать в радиоактивные отходы. Уточним определение, зайдя на соответствующую страницу русскоязычной вики.

Радиоактивные отходы (РАО) — отходы, содержащие радиоактивные изотопы химических элементов и не подлежащие использованию.

Доверять Википедии — моветон, поэтому заглянем в более надежный источник. А именно в основополагающий для отечественной атомной индустрии документ со страшным названием Федеральный закон от 21 ноября 1995 г. N 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии». Там находим следующее.

Радиоактивные отходы — не подлежащие дальнейшему использованию материалы и вещества, а также оборудование, изделия (в том числе отработавшие источники ионизирующего излучения), содержание радионуклидов в которых превышает уровни, установленные в соответствии с критериями, установленными Правительством Российской Федерации.

Хотя вторая формулировка значительно длиннее, общий посыл простой. РАО — нечто «излишне» радиоактивное, не подлежащее дальнейшему использованию. А если все-таки подлежит, то это уже никакое не РАО.

Какие РАО бывают?

Ядерные отходы могут похвастаться многообразием форм, характеристик и аббревиатур, которыми их называют ядерщики. Чтобы разобраться who is who, приведем некоторые важные свойства радионуклидов и веществ в целом.

Агрегатное состояние. Тут все банально, веществам свойственно иметь различное физическое состояние. РАО — не исключение. Они бывают твердыми (ТРАО), жидкими (ЖРАО) и газообразными (ГРАО).

Уровень активности и период полураспада. Увы, жизнь несправедлива, поэтому срок, отпущенный радионуклидам, сильно варьируется от элемента к элементу. Одни распадаются за несколько миллисекунд, например Нобелий и Лоуренсий. Такие радионуклиды очень радиоактивны. Другие сохраняют свои свойства тысячи и миллионы лет. Периодом полураспада называется время, за которое радиоактивное вещество естественным образом теряет половину своей радиоактивности. Как нетрудно догадаться, чем длиннее период полураспада, тем меньше радиоактивность. По периоду полураспада радионуклидов в отходах можно выделить короткоживущие и долгоживущие РАО.

Радиоактивный элемент	Период полураспада	Удельная активность
Йод 131	8 дней	4,6 квадриллионов Бк/г
Цезий 137	30,2 лет	3,2 триллионов Бк/г
Плутоний 239	24 000 лет	2,3 миллиарда Бк/г
Уран 238	4,5 млрд лет	12 300 Бк/г

Активность в беккерелях (Бк) равна числу атомов, распадающихся за секунду (1 Бк соответствует распаду одного атома за секунду). Удельная активность — активность на единицу массы.

Тепловыделение. Слово говорит само за себя. Некоторые РАО выделяют настолько много тепла, что их требуется активно охлаждать. По уровню активности и тепловыделения РАО подразделяют на высокоактивные (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО).

Также к важным свойствам относят тип испускаемого излучения (α, β и γ) и радиотоксичность (опасность с биологической точки зрения).

Классификация РАО, предложенная МАГАТЭ (Серия норм безопасности МАГАТЭ, No GSG-1). Каждый класс связан с надлежащим подходом к обращению и захоронению.

Принадлежность к тому или иному классу зависит от количественных радиационных характеристик конкретных РАО. Каждая разновидность требует «индивидуального» подхода в обращении и утилизации. Процедуры регулируются национальными правилами и регламентами. Например, в России правила игры задают НРБ 99/2009 и ОСПОРБ 99/2010.

Классификация, принятая в РФ.

Каждый класс связан с надлежащим подходом к обращению и захоронению.

Как РАО образуются?

Радиоактивные отходы проникают в нашу жизнь не только во всевозможных обличиях, но и самыми разнообразными способами. Как говорилось выше, многие виды человеческой деятельности ведут к образованию РАО: от промышленности до медицины и сельского хозяйства. Например, в медицине при лечении онкологических заболеваний применяют высокоактивные кобальтовые источники. Такие источники становятся радиоактивными отходами, когда приходят в негодность.

Существуют процессы, в которых природный радиоактивный материал в концентрированном виде попадает в отходы. Возникают радиоактивные отходы! Отличной иллюстрацией может послужить обедненный уран (ОУ). При изготовлении топлива для некоторых типов ядерных реакторов природный уран обогащают (увеличивают в нем изотопа U-235). Обедненным ураном называют смесь, оставшуюся после удаления обогащенного урана. Его можно отнести к РАО, если не планируется его дальнейшее использование. Например, американцы в ходе войны в Персидском заливе применяли боеприпасы, изготовленные из ОУ.

Боеприпасы с ОУ, использовавшиеся в ходе косовского конфликта. Фото: А. Бляйзе/МАГАТЭ

Само собой, РАО образуются при деятельности атомной промышленности. Работа АЭС, операции ядерного топливного цикла (изготовление топлива или переработка урановой и ториевой руд), эксплуатация атомоходов и радиационные катастрофы — все это трудно представить без жидких радиоактивных отходов.

Звучит грозно, особенно если вы любите природу. Однако наибольшие опасности, а значит и технические трудности, связаны с высокоактивными отходами и отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Слава богу, их доля в общем физическом объёме РАО относительно невелика. К слову об опасностях, ОЯТ настолько токсично и радиоактивно, что убивает человека за пару минут. В ходе химической переработки ОЯТ образуются самые высокоактивные РАО. Не удивительно — яблоня от яблони недалеко падает. Подробнее об ОЯТ поговорим чуть позже (в разных странах дела с ним обстоят по-разному). А пока разберем, что со всем этим радиоактивным добром делают.

Что делают с РАО?

Итак, мы убедились в многообразии свойств и способов образования РАО. Но есть одна вещь, которая их объединяет — опасность для человека и окружающей среды. Из-за различных характеристик уровень этой опасности варьируется от обычной до «смерть в течение 10 минут». Наверное, все и так прекрасно понимают, к каким неприятным последствиям может привести лучевая болезнь. К тому же, радиоактивные изотопы в силу естественных процессов имеют дурную привычку концентрироваться в подсистемах биосферы. Например, в тканях и органах животных, которые потом могут попасть на обеденный стол вместе с порцией радионуклидов. Так что РАО — это не вещь, которую можно просто затолкать под кровать.

Впрочем, когда трава была зеленей, никто особо не беспокоился об утилизации РАО. Если утрировать, то главный принцип обращения с отходами гласил: «Само рассосется». Так в начале атомной гонки СССР и США помещали РАО в открытые хранилища рядом с предприятиями (считай, просто сливали в реки и озера). Кому есть дело до экологии, когда стране нужно больше оружейного плутония для ядерного щита? Однако годы шли, атомная отрасль развивалась. Пришлось искать иные способы утилизации.

Озеро Карачай (Водоем-9) вблизи ПО «Маяк» — один из водоемов, куда сливали РАО.

С средне- и низкоактивными отходами человечеству удалось совладать. Обычно, жидкие САО и НАО в конце пути ожидает битуминизация. Отходы выпаривают для уменьшения объема, сухие остатки упаривания смешивают с битумной массой, после затвердевания смесь помещают в контейнеры и захоранивают. Также используется цементирование (включение в состав бетона). Этапы обращения с твердыми НАО:

Кондиционирование (уменьшение физического объема).
Сжигание и/или прессование (опять же для уменьшения физического объема).
Иммобилизация (цементирование, реже — битуминизация).
Контейнеризация.
Захоронение на специальных отчужденных площадках (полигоны, могильники).

С ВАО и ОЯТ дела обстоят намного сложнее. Да, существуют промежуточные и временные меры: стеклование, иммобилизация в керамику, промежуточное хранение (30-50 лет) в стальных контейнерах при контроле температурного режима и герметичности. Однако что делать дальше? Самые опасные отходы могут распадаться тысячи и миллионы лет.

Каких только идей не предлагали: выстреливать ядерным мусором в ни в чем не повинное Солнце или в космос (слишком дорого), сбрасывать отходы на Антарктиду… Возможно окончательным решением радиоактивного вопроса станут глубинные геологические захоронения. Недра матери-природы могут обеспечить механическую прочность и биологическую защиту, исключая возможность попадания грунтовых вод и атмосферных осадков. В данный момент работа над глубинными геологическими захоронениями ведется в нескольких странах на уровне исследовательских лабораторий и экспериментальных хранилищ. Например, в России таким местом является Горно-химический комбинат в Нижнеканском массиве скальных пород, недалеко от города Железногорска и реки Енисей.

Начало строительства исследовательской подземной лаборатории. Красноярский край. 2019 г.

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ)

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) образуется при плановом (3-5 лет) нахождение ядерного топлива в активной зоне реактора. Оно содержит меньше урана-235, чем свежее ядерное топливо. Однако в нем по прежнему остаются полезные компоненты — невыгоревший уран, накопившиеся изотопы плутония, другие трансурановые элементы, а также осколки деления — высокорадиоактивные ядра средних масс (от галлия до гольмия). Многое из этого можно с успехом применять в промышленности, медицине и научных исследованиях.

Ядерный топливный цикл, замкнутый по урану

Одна из главных целей переработки ОЯТ — повторное использование в качестве реакторного топлива, в том числе в составе МОХ-топлива или для реализации закрытого топливного цикла. Однако тут есть свои сложности. Во-первых, в ОЯТ присутствуют долгоживущие и радиотоксичные элементы с периодом полураспада более тысячи лет. Во-вторых, при переработке ОЯТ образуются самые высокоактивные РАО. В-третьих, это технологически трудно и затратно. Поэтому в одних странах ОЯТ считается отходом (США, Канада и Швеция), в других — ценным сырьем, идущим на переработку (Россия, Великобритания, Франция и Япония).

Открытый (разомкнутый) ядерный топливный цикл

Радиоактивные отходы в России

Помните формулировку из Федерального закона от 21 ноября 1995 г. N 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» о том, что РАО — это все то, что не подлежит дальнейшему использованию? Так вот, в России принята стратегия постепенного перехода на замкнутый ядерный топливный цикл. Поэтому ОЯТ не считается отходом, большая его часть отправляется на длительное (десятки лет и более) хранение с учетом возможности последующей переработки. Такой подход называется «отложенным решением».

В России ОЯТ транспортируется либо на ПО «Маяк» (г. Озерск, Челябинская обл.) для переработки, либо на Горно-химический комбинат (г. Железногорск, Красноярский край) для длительного хранения.

Что касается РАО, то их обращением на всех стадиях кроме финальной изоляции занимаются следующие предприятия:

ФГУП «ФЭО»(бывший РосРАО) — сбор, транспортирование, переработку, кондиционирование и хранение РАО 1 и 2 класса;
ФГУП «Радон» — сбор, транспортирование, переработку, кондиционирование и хранение РАО 3 и 4 класса;

В соответствии с Федеральным законом № 190-ФЗ от 11 июля 2011 г. «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» все РАО, накопленные и произведенные в стране, подлежат финальной изоляции. Исключительным правом на эту деятельность обладает ФГУП «Национальный оператор «НО РАО».

Обращение с РАО в России и предприятия, которые этим занимаются

Ну а как быть с постоянными новостями о доставке ядерных отходов в Россию? В сети, в том числе и на хабре, есть качественные разборы кейсов про Германию и Францию. Если коротко — все это не радиоактивные отходы, так как они подлежат дальнейшему использованию. Ввоз РАО на территорию нашей страны законодательно запрещен. Согласно уже знакомому нам Федеральном закону № 190-ФЗ от 11 июля 2011 г., в России установлен запрет на ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации радиоактивных отходов в целях их хранения, переработки и захоронения.

Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

Что такое ядерные отходы и что с ними делать?

Электроэнергия, вырабатываемая ядерными реакторами, приводит к небольшому количеству отходов и ответственно используется с самого начала гражданской атомной энергетики. На практике существует несколько стратегий управления, таких как прямая утилизация или повторное использование в реакторах для производства более низкоуглеродной электроэнергии. топливо шведских атомных электростанций, которые десятилетиями обеспечивали более 40% электроэнергии страны (Изображение: SKB)

Как и все отрасли промышленности и технологии производства энергии, использование ядерной энергии приводит к некоторым отходам. Существует три типа ядерных отходов, классифицируемых в зависимости от их радиоактивности: низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные. Подавляющее большинство отходов (90% от общего объема) состоит только из слабозагрязненных предметов, таких как инструменты и рабочая одежда, и содержит только 1% от общей радиоактивности. Напротив, высокоактивные отходы, в основном состоящие из использованного ядерного (иногда называемого отработавшим) топлива, которое было определено как отходы ядерных реакций, составляют всего 3% от общего объема отходов, но содержат 95% от общей радиоактивности.

В отличие от любой другой отрасли производства энергии, ядерный сектор несет полную ответственность за все свои отходы. Многие стационарные пункты захоронения низко- и среднеактивных отходов находятся в эксплуатации, а пункты захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива находятся в стадии реализации и объекты находятся в стадии строительства.

Образуется мало отходов

Ядерное топливо очень энергоемкое, поэтому его требуется очень мало для производства огромного количества электроэнергии, особенно по сравнению с другими источниками энергии. В результате образуется соответственно небольшое количество отходов. В среднем отходы от реактора, обеспечивающего потребности человека в электроэнергии в течение года, будут размером с кирпич. Только 5 граммов из них относятся к высокоактивным отходам — примерно столько же, сколько лист бумаги.

При выработке электроэнергии на типичной атомной электростанции мощностью 1000 мегаватт, которая обеспечит потребности более миллиона человек, образуется всего три кубометра остеклованных высокоактивных отходов в год, если использованное топливо перерабатывается. Для сравнения, угольная электростанция мощностью 1000 МВт ежегодно производит около 300 000 тонн золы и более 6 миллионов тонн углекислого газа.

Подготовка отработавшего ядерного топлива к переработке (Изображение: Росатом)

Предполагаемые риски для здоровья

С момента зарождения гражданской атомной энергетики ядерные отходы никогда не причиняли вреда людям. Популярное заблуждение состоит в том, что, поскольку некоторые части ядерных отходов остаются радиоактивными в течение миллиардов лет, угроза должна сохраняться в течение этого периода. Однако, это не так. Оставаясь слаборадиоактивным в течение нескольких сотен тысяч лет, радиоактивность основного компонента отходов, который может вызвать проблемы со здоровьем, снизится до безопасного уровня в течение нескольких сотен лет.

Ключевым фактором в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, является также тот факт, что количество материалов, которые будут обнаружены в окружающей среде в случае утечки, будет очень небольшим. Количество радиоактивных материалов, попадающих в окружающую среду, не будет иметь никакого значения ни для окружающей среды, ни для будущих людей. Ведь среда, в которой мы живем, как и человеческий организм, по своей природе радиоактивны. Радиация — неизбежная часть жизни на нашей планете, и жизнь развивалась и процветает в этой радиоактивной среде, а дозы от хранилища ядерных отходов были бы почти в 50 раз меньше среднего фонового излучения.

Если вы хотите узнать больше о радиации и ее влиянии на здоровье, вы можете узнать больше об этом на наших страницах Радиация и здоровье.

Различные варианты

Отработавшее ядерное топливо хранится либо в мокрых, либо в сухих хранилищах до его переработки или захоронения. Когда отработавшее топливо вынимают из реактора, оно становится одновременно горячим и радиоактивным и требует хранения в воде, чтобы топливо могло остыть. Топливо может храниться во влажном хранилище или перемещаться в сухое хранилище после периода начального охлаждения. Хранение отработавшего топлива во временном хранилище, позволяющее уменьшить как тепло, так и радиоактивность, упрощает переработку и утилизацию.

Охлаждение и хранение отработанных тепловыделяющих сборок в бассейнах (Изображение: SKB)

Отработавшее ядерное топливо в сухом хранилище (Изображение: Holtec)

Однако они не являются постоянными решения для хранения. В мире существуют две основные стратегии обращения с отходами: некоторые страны десятилетиями перерабатывают отработавшее ядерное топливо; другие выбрали прямое захоронение. По сути, это стратегическое решение, принятое на национальном уровне и продиктованное главным образом политическими и экономическими, а также технологическими соображениями.

Переработка

Хотя в некоторых странах, особенно в США, отработавшее ядерное топливо рассматривается как отходы, большая часть материала в отработанном топливе может быть переработана. Приблизительно 97% — подавляющее большинство (~ 94%) приходится на уран — из него можно использовать в качестве топлива в определенных типах реакторов. На сегодняшний день переработка в основном сосредоточена на извлечении плутония и урана, поскольку эти элементы можно повторно использовать в обычных реакторах. Этот разделенный плутоний и уран впоследствии можно смешать со свежим ураном и превратить в новые топливные стержни.

Такие страны, как Франция, Япония, Германия, Бельгия и Россия, использовали переработку плутония для выработки электроэнергии, одновременно уменьшая радиационный след своих отходов. Некоторые из побочных продуктов (примерно 4%), в основном продукты деления, по-прежнему потребуют захоронения в хранилище и иммобилизуются путем смешивания их со стеклом посредством процесса, называемого стеклованием.

Ла Гааг, Франция, уже несколько десятилетий занимается переработкой отработавшего ядерного топлива (Изображение: Orano)

Прямое захоронение

Прямое захоронение, как следует из названия, представляет собой стратегию управления, при которой использованное ядерное топливо определяется как отходы и захоранивается в подземном хранилище без какой-либо переработки. Использованное топливо помещается в канистры, которые, в свою очередь, помещаются в туннели и впоследствии заделываются камнями и глиной. Отходы от переработки – так называемые продукты деления – также будут помещены в могильник.

Хранилища близятся к завершению, например, в Финляндии. 9(Изображение: SKB) Реалии

Обращение с радиоактивными отходами

Вас также может заинтересовать

Украина

Россия: ядерный топливный цикл

Филиппины