Проблема обращения с отработавшим топливом
Развитие ядерной энергетики (ЯЭ) в разных странах сопровождается неоднозначным подходом к судьбе отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Эта сложность обусловлена тем, что создание полного комплекса производств для его переработки доступно лишь государствам с мощным научно-техническим и экономическим потенциалом, а иногда решение определяется политическими факторами. В основе этой глобальной проблемы лежат два ключевых аспекта: экономический и экологический.
Экономический фактор: эффективность использования ресурсов
Природный уран содержит лишь 0,7% делящегося изотопа уран-235. В традиционном открытом топливном цикле, используемом в большинстве легководных реакторов, полезно расходуется только около 0,5% исходного сырья. Это крайне неэкономный режим. Для долгосрочного и надежного обеспечения энергией необходимо перевести ядерную энергетику на самообеспечивающуюся модель, которая предполагает максимальное использование урана и вовлечение в топливный цикл синтетического элемента — плутония. Достичь этой цели возможно только при условии переработки ОЯТ и внедрения замкнутого топливного цикла с реакторами на быстрых нейтронах, способными «размножать» топливо.
Экологический фактор: долговременная безопасность
Любая высокотехнологичная отрасль несет в себе потенциальные риски. Ядерная энергетика находится в постоянном поиске надежных и безопасных способов обращения с высокотоксичными компонентами ОЯТ. На сегодняшний день не существует технических решений, которые могли бы гарантировать абсолютную безопасность захоронения непереработанного топлива на десятки и сотни тысяч лет — срок его потенциальной опасности. Причина в отсутствии абсолютно надежных геологических формаций. Переработка ОЯТ открывает путь к принципиально иным техническим решениям, минимизирующим долгосрочные риски.
Современные технологии переработки уже частично решают проблему, извлекая из отходов ценные материалы (плутоний, иногда нептуний) и сокращая объем отходов до 30% по сравнению с исходным ОЯТ. Однако даже после такой переработки в отходах, предназначенных для захоронения, остаются высокотоксичные долгоживущие радионуклиды, что не отвечает требованиям безопасности в далекой перспективе.
На графиках зависимости индекса токсичности от времени видно, что в первые 300 лет основной вклад в опасность вносят продукты деления. Затем на первый план выходят актиноиды (Америций-241, -243), а впоследствии — Нептуний-237, Уран-238 с продуктами их распада, а также Йод-129 и Технеций-99.
Принцип радиационной эквивалентности
В 1976 году МАГАТЭ инициировало координацию работ по ядерной трансмутации — процессу, при котором долгоживущие опасные радионуклиды облучением переводятся в стабильные элементы или изотопы с коротким периодом полураспада. Особое внимание уделяется Йоду-129, Технецию-99, Плутонию-239, 240, Нептунию-237 и другим минорным актиноидам.
Наиболее перспективным считается подход, основанный на принципе радиационной эквивалентности. Его суть в том, что радиоактивные отходы, поступающие на захоронение из ядерного топливного цикла (ЯТЦ), по своей долговременной токсичности не должны превышать то, что было изъято из природы вместе с урановой или ториевой рудой. Достичь такой эквивалентности можно либо на момент захоронения, либо в течение прогнозируемого промежутка времени (например, 200–1000 лет).
Этот принцип позволяет научно обоснованно минимизировать массу и активность долгоживущих высокоактивных отходов (ДВАО). Наиболее последовательно он будет соблюден, если захоронение ДВАО будет проводиться в районах добычи урана с применением современных экологических технологий.
В открытом цикле тепловых реакторов, где ОЯТ считается просто отходами, достижение радиационной эквивалентности потребовало бы его выдержки перед захоронением около 100 тысяч лет, что практически нереализуемо.
Роль быстрых реакторов и замкнутого цикла
Радиационная эквивалентность становится достижимой при развитии двухкомпонентной ядерной энергетики. Наряду с усовершенствованными тепловыми реакторами, работающими на уране, необходимо широкое внедрение безопасных и экономичных реакторов нового поколения на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом.
Новые быстрые реакторы (БР), способные к полному воспроизводству плутония, будут не только вырабатывать энергию, но и выполнять функцию «сжигателя» трансурановых элементов и долгоживущих продуктов деления, нарабатываемых как тепловыми реакторами, так и ими самими.
Требования к трансмутационному циклу
Для достижения радиационной эквивалентности в трансмутационном топливном цикле с переработкой ОЯТ необходимо выполнение ряда строгих условий:
- Полная переработка: перерабатывается весь объем ОЯТ. Выделенные уран, плутоний, нептуний и америций многократно облучаются (трансмутируются) в ядерных реакторах, преимущественно быстрых, до полного «сжигания».
- Обращение с кюрием: выделенный кюрий хранится 50–100 лет для распада в плутоний, который затем также сжигается в реакторах.
- Жесткие нормативы потерь: в отходах, идущих на захоронение, должно оставаться не более 0,1% от перерабатываемых урана, нептуния, америция и кюрия; 0,01–0,1% плутония; и около 1% цезия-137, стронция-90, технеция-99 и йода-129.
- Использование цезия и стронция: эти элементы могут применяться как источники излучения или тепла, либо храниться около 200 лет до полного распада.
- Трансмутация подвижных нуклидов: технеций-99 и йод-129 должны трансмутироваться в стабильные элементы при облучении нейтронами в БР.
Учет миграции и глубинное захоронение
Проблема эквивалентности тесно связана также с технологией добычи урана и обращением с сопутствующими долгоживущими изотопами. Для будущей рациональной ядерной энергетики подход к добыче должен быть изменен в сторону большей экологичности.
РАО можно захоранивать в специально созданных глубинных хранилищах, которые обеспечивают лучшее удержание радионуклидов, чем природные месторождения. Учет скорости миграции элементов через горные породы позволяет говорить о радиационно-миграционном балансе. Например, плутоний и америций мигрируют в десятки раз медленнее урана, и их опасность успевает снизиться за время пути к биосфере. А вот йод-129 и технеций-99 обладают высокой подвижностью, что делает их ключевыми объектами для трансмутации.
Учет миграции показывает, что в момент захоронения допустим некоторый радиационный дисбаланс, который сгладится за время, необходимое элементам для достижения биосферы. Глубина хранилища и тип пород — это регулируемые параметры для обеспечения конечного баланса.
Заключение и текущий статус
Достижение радиационной эквивалентности потребует от этапа переработки ОЯТ дополнительного разделения (фракционирования) радионуклидов и подготовки продуктов для трансмутации и захоронения. Это позволит полностью замкнуть топливный цикл, исключив накопление в окружающей среде опасных долгоживущих компонентов.
Промышленная переработка ОЯТ наиболее эффективно осуществляется в России, Франции и Великобритании. В России, на заводе РТ-1, уже достигнут опытнопромышленный уровень работ по фракционированию радионуклидов, что является важным шагом на пути к созданию безопасной и устойчивой ядерной энергетики будущего, основанной на замкнутом топливном цикле.
