4 Апреля 2018

Атомная энергетика: радиоактивные отходы - что собой представляют, как классифицируются и какую несут угрозу?

Опубликовал К.В. Кулик

         Атомная энергетика – предмет былых надежд человечества. Благодаря расщеплению атома предполагалось совершить революцию в сфере получения дешёвой и безопасной для окружающей среды энергии. Выделение огромных её объёмов при радиоактивном распаде относительно небольших количеств вещества, никаких выхлопов в атмосферу, не такая высокая себестоимость каждого вырабатываемого киловатта, экологическая безопасность – преимущества атомной энергетики над обычной и традиционной тепловой. Проблема утилизации радиоактивных отходов и безопасности атомных электростанций стали в полной мере раскрываться уже значительно позже, в процессе их использования.

       История зарождения атомной энергетики

          В 1939 году немецкие учёные Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили свойство ядер урана распадаться с выделением колоссального количества энергии под облучением нейтронами. Это дало повод для исследований многим специалистам, изучавшим атомарные свойства элементов. Однако многие физики-ядерщики относились к массовости применения такого явления скептически.

         Атомную энергетику породила гонка высоколетальных типов вооружения между востоком и западом. Тогда первоочередной задачей таких исследований было создание именно оружия массового поражения, а не «мирного атома». Первый реактор был создан в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми в 1942 году. В СССР же первая атомная установка под названием Ф-1 была запущена в конце 1946 года, разработка её велась под началом советского физика Игоря Курчатова. Промышленный ток пошёл от атомной электростанции к потребителю гораздо позже – в 1954 г., когда была запущена установка Физико-энергетического института г. Обнинск Московской области. Она опередила промышленную американскую атомную установку, запущенную в

       Безопасность АЭС и экономическая оправданность их использования

         Вопросам техногенной безопасности на атомных электростанциях и захоронению радиоактивных отходов уделялось гораздо меньше внимания, чем они того заслуживают. Нельзя сказать, что они игнорировались вообще – противники у ядерной энергетики всегда были. Но сторонников идеи её массового использования было больше. Ими считалось и популяризировалось, что гибель при аварии на АЭС может произойти с вероятностью в 100000 раз меньше, чем попасть в автомобильную катастрофу. Эти слова были сказаны накануне аварии на ЧАЭС.

         Да, аварии на атомных электростанциях случаются гораздо реже, чем автомобильные и иные локальные катастрофы, их можно пересчитать по пальцам. Однако последствия их ужасны и глобальны, и риск погибнуть таким путём ничуть не меньше.

         После техногенной катастрофы в Чернобыле к вопросам безопасности на атомных электростанциях отношение несколько изменилось. Разработчиками утверждается, что были сделаны сопутствующие выводы из аварии на Чернобыльской атомной электростанции и современные АЭС предусматривают всё, дабы избежать подобных аварий. Но риск остаётся. Какой бы малой не была эта вероятность на атомных электростанциях, она останется. Достаточно одной такой аварии чтобы нанести ущерб всему живому в радиусе многих сотен километров, не говоря о заражении почвы, воды на очень долгий период. Стоит ли это того, чтобы увеличивать долю строительства таких станций?

         Далеко не все надежды на атомную энергетику оправдали себя на ниве дешёвой и выгодной энергии. К 1970 году перспективы использования атомных электростанций были многообещающими, и спрос на них вырос за счёт быстрорастущих цен на традиционные источники топлива как газ и нефть. Росла также и потребность в электроэнергии вместе с развитием промышленности и ростом самых различных производств. Все эти условия были благоприятными для развития атомной энергетики, поскольку выполнялись главные условия экономической эффективности производства энергии таким путём. Стоимость кВт/ч не превышала стоимости при «традиционном» её получении на тепловых электростанциях, а потребность в электроэнергии только росла. Цена на постройку такой электростанции обещала быть стабильной и экономически окупаемой за относительно короткий срок.

         Так продолжалось вплоть до 1980-х годов, когда стало понятно, что не всё так хорошо для этой энергетической отрасли. Цены на природное топливо перестали стремительно расти, и где-то даже стали дешевле, то же самое случилось и со спросом на электроэнергию, а строительство АЭС оказалось затратнее, нежели предполагалось. Результатом этого стало то, что атомная энергетика начала понемногу терять свою конкурентоспособность в ряде государств мира, и особенно в США. После аварии на Чернобыльской АЭС к атомным реакторам были предъявлены новые требования для защиты окружающей среды от техногенных катастроф. Капиталовложения на новые реакторы оказались намного выше по сравнению с затратами на топливо у обычных ТЭС.

         Можно сделать вывод, что спад развития атомной энергетики в наше время происходит из-за её нерентабельности, да и у запасов урана и других радиоактивных элементов, пускай и получаемых синтетически, есть свои собственные пределы, а требования к безопасности реакторов их весьма удорожают.

       Классификация, особенности и проблемы захоронения радиоактивных отходов

         У атомных электростанций всегда существовала одна сопутствующая проблема, которая чуть более тускло освещалась сравнительно с последствиями их аварий. Настолько мало внимания было уделено вопросам захоронения отходов АЭС, что это признаётся сторонниками атомных электростанций.

         Строителями многих первых АЭС была допущена небрежность в вопросе радиоактивных отходов. Её решали в ходе строительства, она не была предусмотрена так, как следовало бы в самом начале. Более того, эти вопросы решались уже в ходе эксплуатации электростанций, то есть отходы отводились в определённые места на самой АЭС, где и хранились.

         Протестные движения против строительства такого типа электростанций как раз и пытались привлечь внимание государства и ответственных за проектирование лиц к этому аспекту. Предлагались масса вариантов по сбору и утилизации ядерных отходов. Однако, такая позиция в отношении строительства объектов атомной энергетики не была до конца услышана и рассмотрена. Справедливости ради стоит отметить то обстоятельство, что ни один из предложенных проектов не был принят ввиду низкой экономической выгодности и практической ресурсоёмкой процедуры их реализации.  К тому же существует потенциальная опасность таких методов, потому что к примеру, сюда входили предложения о захоронении отходов через соляные залежи к центру Земли, опускать в кратеры вулканов, затапливать на дне океанов либо же отправлять в космос.

         Последнее предложение казалось самым приемлемым, тем более что таким образом опасные остатки производства покинули Землю в принципе. Но существующий по-прежнему риск неудачного запуска ракеты велик, а на борту с таким количеством ядерных отходов подобные риски совершенно ни к чему, и неудачный запуск космического аппарата явно ничем хорошим не обернётся. В таком случае огромное количество радиоактивных веществ в самом разнообразном виде опустится на поверхность Земли. Поэтому предпочтение получил метод, который используется собственно в настоящее время. Радиоактивные отходы отвозятся и собираются в могильниках.

Классификация радиационных отходов происходит по таким типам:

  1. Низкоактивные. Такие отходы не представляют угрозы после их переработки, или в периоде временного хранения. Подобными отходами являются металлические конструкции, которые дезактивированны, и строительный мусор
  2. Среднеактивные. Сюда относят такие отходы, тепловыделение которых не требует активного охлаждения. Они содержат только короткоживущие радионуклиды, срок жизни которых около 30 лет, и следы долгоживущих.
  3. Высокоактивные. Такого типа отходы имеют очень высокую суммарную радиоактивность, тепловыделение их может продолжаться как и во временном хранении, так и уже после захоронения.
  4. Трансурановые. Преобладающее количество радионуклидов в них обладают чрезвычайной излучательной активностью.

         Такие отходы могут быть в жидкой (к примеру, растворы сцинтилляционных счётчиков или жидкие высокоактивные отходы)  или твёрдой, а также газообразной фазе – например, вентиляционные выбросы. Их источниками не всегда выступают только лишь атомные электростанции, сюда относятся научно-исследовательские лаборатории, медицинские учреждения, атомные подводные лодки и ледоколы, горнодобывающая промышленность.  К примеру, за год работы одного, пускай и крупного энергоблока, образуется 100-200 кубометров твёрдых радиоактивных отходов, и примерно такое же количество жидких.

         Путь отходов к их окончательному захоронению проходит три этапа. Первый – это строгий учёт и сбор, для обеспечения безопасности и препятствуя их попадание в руки нежелательных лиц и окружающую среду. Второй – снижение объёма и компоновка отходов, где жидкие отходы выпариваются, а твёрдые выпариваются и сжигаются. Это делается затем, чтобы снизить затраты на их транспортировку и собственно захоронение в принципе. Третий этап – так называемое кондиционирование, то есть приведение отходов в состояние, экологически стойкое и безопасное. Их можно хранить в бочках или контейнерах, если это отходы с небольшой радиоактивностью, опасные запрессовываются в более надёжные и безопасные матрицы из блоков – битум, стекло, цемент. И только после этого отходы отправляются в специальные хранилища, а после в окончательную изоляцию, где они и остаются «законсервированными».

         Типы захоронения

         Есть два типа их захоронения. Первый – наземное захоронение, в котором используется наземная, монолитная железобетонная конструкция или же бункер, глубина которого составляет 7-8 метров. Радиационные отходы в нём размещаются в кондиционируемой среде во избежание тепловыделения отходов. Такие объекты строго охраняются, их расположение не афишируется и не предаётся широкой огласке, потому что они могут стать уязвимым местом при любом военном конфликте. Систему охраны запрещено показывать кому бы то ни было. Полигоны, где захоронены эти отходы располагаются в удалении от городов, посёлков, рек и озёр.

         Второй тип захоронения – геологический. Для него требуется глубокая, не менее 300 метров шахта, толща земли при этом выступает естественным щитом от радиактивности захоронений. Часто хранилищем отходов становятся солевые шахты, выступающие природным барьером к попаданию излучения наружу. У такого способа есть недочёты, ведь за отходами надо следить, а в случае разгерметизации предпринимать срочные меры, потому что хоть они и хранятся в особо прочных ёмкостях, есть риск коррозии и механических повреждений в случае землетрясения, затоплений, сдвига толщи грунта, то есть нельзя добиться полной безопасности таких захоронений.

         На сегодняшний день имеется ещё один способ захоронения радиоактивных отходов. Это использование для этих целей дна океана, а именно мест, которые являются зонами перекрытия тектонических плит, и в таком случае контейнеры отправлялись бы к центру Земли. Однако этот способ был отвергнут из-за положений, которыми руководствуется морское право, поскольку в этом случае ни на одну из стран нельзя положиться в данном вопросе. Проконтролировать соответствие подобного вида захоронения было бы очень сложно ввиду такого обстоятельства. По такой же причине отказались и от идеи захоронения радиоактивных отходов в Антарктиде.

         Следует отметить, что к этим отходам также относят заражённую спецодежду, фильтры, шланги, муфты и прочие элементы технологических схем, одежды и средств, так или иначе соприкасавшиеся с источниками радиоактивного излучения. Зачастую они сжигаются в специальной печи, образующийся дым проходит пять степеней очистки, а зола упаковывается в герметичные ёмкости, состав которых измеряется спектрометром, а затем отправляется в пункт захоронения отходов, на деле представляющий собой котлован, где ёмкости помещают в бетонные контейнеры, а затем заливают бетоном особой прочности.

         Радиоактивных отходов в процессе работы электростанции образуется меньше в соотношении с отходами тепловых электростанций, но тот ряд проблем, который с ними появляется, будет немалым поводом к размышлению. Сюда относят такие аспекты:

  1. Для обнаружения радиации нужны специальные приборы, поскольку невидимость не даёт её заметить.
  2. Период полураспада большинства используемых в атомной энергетике элементов чрезвычайно растянут во времени;
  3. Отработанное радиоактивное топливо вызывает сложности с его хранением и транспортировкой;
  4. Накапливание изотопов веществ происходит не только в почве и в среде, но и в живых организмах;
  5. Практически безопасных методов захоронения таких отходов не существует.

         Радиацию легко получить и трудно обнаружить. Она не улавливается органами чувств. Каждому человеку остаётся полагаться на добросовестность людей, подающих информацию о радиационном фоне. Для обнаружения радиоактивного излучения следует использовать специальные приборы но даже дозиметром порой трудно определить локальный источник радиационного загрязнения. Радиацию можно получить  посредством чего угодно  - приняв загрязнённую пищу, попав под заражённый дождь, её посредством пыли может принести ветер.

         Следует различать виды отходов, получаемых от использования атомных электростанций. Отработанное топливо составляет отдельный вид отходов, ведь по сути его используют повторно после проведения всех необходимых химических процедур. Из него извлекается абсолютно все пригодные для рецикла элементы, а всё то, что остаётся от него потом именуется радиоактивными отходами.

         Радиоактивное загрязнение весьма продолжительно во времени. Период полураспада такого вещества  как уран-234 составляет 270 000 лет, для урана-238, используемого в синтезе плутония, этот показатель превышает отметку 4,5 млрд. лет. Для постройки могильников эффективность их закладывается на сто лет. Как показывают исследования, периоды хранения радиоактивных веществ же длятся от 10 тысяч до 1 млн. лет.

         Транспортировка ядерных отходов также является проблемой, ведь их перевозка неминуемо повлечёт за собой риски, поэтому нужно соблюсти все возможные предосторожности. Перевозить отходы необходимо небольшими «порциями», дабы снизить аварийную вероятность. В процессе перевозки используются специальные контейнеры, оснащённые системами охлаждения и защиты.

         Отработанное топливо должно выдержаться несколько месяцев, дабы распались короткоживущие изотопы, к примеру, йод-131. Затем остаток отработанного топлива отправляется на специальный завод, где перерабатывается путём растворения в кислоте и из него извлекается плутоний и уран. Это делается для повторного использования в реакторе. После этого уже переработанные отходы свозят к могильникам со всеми мерами предосторожности. К сожалению и по нынешний день процесс захоронения в могильниках радиоактивных отходов требует человеческого присутствия в этом процессе, и хотя люди работают в специальных защитных костюмах, тем не менее вред для здоровья остаётся существенным.

         При хранении эти отходы имеют свойство нагреваться. Почему это происходит? Потому что как и говорилось выше период полураспада радиоактивных элементов огромен, и естественно сопровождается некоторым выделением энергии, собственно ради этого они и используются в реакторах. Только если в реакторе мы имеем контролируемый процесс и действующую систему охлаждения, то складирование такого вида отходов, продолжающих свой естественный процесс распада, может привести к необратимым последствиям. Поэтому их необходимо охлаждать и следить за температурой среды, в которую они помещаются.

       Чем опасна радиация для живых организмов?

         Выбросы в окружающую среду опасны не только оседанием в почве, воде и воздухе, особенную опасность они представляют для живых существ, ведь вывести их из клеток организма практически не представляется возможным. Попадая в него, радионуклиды разрушают и модифицируют клетки, приводя к их массовой гибели. Такие вещества разрушают оборонные механизмы живых организмов, нарушая обменную и имунную систему. Огромную опасность радиоактивные вещества представляют как раз для костного мозга и лимфатической системы, подрывая их, а значит нарушая кроветворную функцию и вызывают очень сложные в лечении высоколетальные при высокой дозировке облучения болезни крови – лейкозы.

         Изотопы смертельно опасных веществ имеют свойство накапливаться в мясе и производных продуктах животного происхождения; к примеру, облучённая корова даёт такое же заражённое молоко и мясо. Употребляя в пищу такого рода продукты, человек впоследствии заболевает, так как радиоактивные вещества накапливаются в организме. Малые дозы радиации столь опасны для жизни и здоровья человека, как и единожды полученное сильное облучение. Не стоит пренебрегать их опасностью, опираясь на слово «малые» - получаемые дозы суммируются и сказываются на здоровье.

         Есть три опасные для человеческого организма ситуации, в которых он может получить порой непоправимый ущерб своему здоровью соприкасаясь с радиационными отходами:

  1. Непосредственное пребывание у источника гамма-частиц или нейтронного облучения;
  2. Проживание поблизости захоронений радиоактивных веществ или нахождение с ними в одном помещении на протяжении какого-то отрезка времени;
  3. Непосредственный контакт с радиоактивными отходами или через контейнеры, где они находятся.

         Последствия радиоактивного облучения могут быть самыми разными, и касаться изменений в половой, имунной, эндокринной системе, нарушениях органов зрения, слуха, осязания, а также  снижении продолжительности жизни. Если при облучении произошли мутации, они зачастую наследуются последующими поколениями.

       Отказ от использования ядерной энергетики в мире

         Ввиду высокой нерентабельности и экологической опасности многими странами было принято решение об отказе от атомной энергетики, как это было в своё время сделано в Италии. Такое решение было принято Бельгией, Германией, Швейцарией и рядом других развитых стран. США, Россия, Франция, Великобритания и Япония по-прежнему являются мировыми лидерами по использованию ядерной энергетики, однако число АЭС сокращается согласно их государственным программам.

         Атомная энергетика на сегодняшний день зависит от того, насколько востребуемой будет электроэнергия. Если будет введено энергоэффективное использование теплоносителей, тогда потребность в использовании АЭС отпадёт. В последнее время развивается отрасль нетрадиционной энергетики, которая пускай не может пока что решить проблему нехватки энергии глобально, но пока справляется с поставленными задачами локально.

         Сторонники же работы и функционирования в энергосистеме АЭС ведут исследования на двух направлениях: разработка нового типа ядерных реакторов, «технологически предельно безопасных», и «модульных» высокотемпературных охлаждаемых реакторов. Помимо этих направлений существует и другая точка зрения – вместо того, чтобы искать способ выработки дешёвой электроэнергии внедрять технологии, позволяющие правильно и полно утилизировать подведённую энергию.

         Что касается ближайшего будущего – полный отказ от функционирования АЭС пока что не представляется возможным, ведь экономика многих стран не позволяет такие эксперименты с уже устоявшейся энергетической системой. Однако поскольку атомная энергетика не выдержала испытания на безопасность и экономичность, а также доверие к ней большинства населения не столь оптимистично, её будущее зависит от уровня развития энергосберегающих технологий, использования нетрадиционной энергетики и повышения эффективности ТЭС.