Состав, транспортировка и захоронение отработанного ядерного топлива

Первостепенным энергетическим компонентом реакторов АЭС выступает двуокись урана. По завершении способности поддерживать цепные реакции тепловыделяющие элементы извлекают как отработавшее ядерное топливо. ОЯТ и РАО следует различать, так как из радиоактивных отходов нельзя извлечь полезные радиоизотопы.

Что такое ОЯТ?

В реакторных установках атомной энергетики используют слаборадиоактивный химический элемент. Для него добывают урановую руду, которая проходит очистку и разной степени обогащение перед поступлением на станцию. Результатом физического деления ядер урана является выделение энергии. Процесс не бесконечный, количество ядер постепенно сокращается. Топливный материал «выгорает» и реакции ослабевают.

К сожалению распадается всего 3—4% урана, остальной объем остается в отработанном ядерном топливе реактора, называемым еще облученным или выгоревшим. Несмотря на радиотоксичность, по составу извлеченное ОЯТ не считается отходами. По радиоэкологическим характеристикам это высокоактивные материалы, требующие соблюдения строгих правил безопасности при обращении с ними.

Состав ОЯТ

В легководных и быстрых реакторах состав извлеченного ОЯТ разный. В соотношении количество облученного U235 и U238 сильно отличается. Но все таки это высокоактивные материалы, нуждающиеся в переработке. Дорогая утилизация может окупиться, если топливо становится источником ценных элементов.

В итоге перерабатывающих технологий из ОЯТ извлекают:

• делящиеся материалы (отработавшее топливо);
• продукты деления (до 180 радиоактивных изотопов);
• трансурановые элементы;
• радиоактивные отходы.

Дополнительную рыночную привлекательность представляют продукты деления плутония и урана. В группу с высоким содержанием ОЯТ в 1 тонне включены:

• серебро—0,8%;
• палладий—5%;
• ксенон—12%;
• рутений—30%.

Механизм появления ОЯТ

В составе свежего ОЯТ содержится 2 природных изотопа урана 235 и 238. В работающем реакторе протекают многочисленные ядерные процессы деления ядер, количество U235 и U238 падает. Задолго до израсходования делящихся изотопов возникает необходимость прекращения их использования.

Из-за выгорания образуется U236 и новые частицы, несущие на себе электрический заряд. Колоссальная кинетическая энергия осколков деления, протонов, α- и β-частиц превращается в тепловую. Тепло достигает границы тепловыделяющего элемента и передается к теплоносителю. Вода закипает и пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электричество.

Итогом нахождения урановых таблеток в активной зоне реактора является образование отработанного ядерного топлива. После его извлечения цепные реакции продолжаются. Чтобы не допустить расплавления, материалы охлаждаются на месте в бассейне энергетического блока. Уже через год тепловыделение снижается в 200 раз, радиоактивность в 100 раз.

Перемещение ОЯТ: начиная с реактора и до хранилища

Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) реакторных установок накапливают большую массу продуктов деления. Поэтому требуются специфические особенности обращения с ОЯТ в связи с повышенным уровнем радиации и тепловыделения. Без предварительного снижения данных характеристик отправка на хранение ОЯТ запрещена.

В проектах атомных станций после выгрузки ТВЭЛ из активной зоны предусмотрено первоначальное охлаждение. Процесс проходит в наполненных водой бассейнах выдержки. Резервуары расположены в каждом энергоблоке реакторного отделения.

По технологическому регламенту облученное топливо охлаждается в водной среде не меньше трех лет. Благодаря этому отводится избыточное тепло. В природоохранные мероприятия по нормализации радиационного фона включено размещение временного хранилища в пределах санитарно-защитного участка АЭС.

Наиболее безопасным видом транспортировки ОЯТ признана железная дорога, но по правилам МАГАТЭ разрешены и другие типы. При железнодорожных перевозках высокоактивные материалы размещают в специальных вагонах-контейнерах. При аварии герметичность транспортно-упаковочного комплекта (ТУК) не нарушится, что предотвратит экологическую катастрофу.

В России отработавшее топливо доставляют на ПО «Маяк» Челябинской области. По пути к месту временного размещения ТВЭЛы разогреваются до 80°С. После прибытия ТУК направляют в узел расхолаживания, для снижения температуры до 30°С. Охлажденное вместилище ОЯТ помещают в бассейн для перезагрузки. Под водой кран открывает крышку и перемещает тепловыделяющие сборки в отсеки хранения.

Хранение отработанного ядерного топлива

В мировой практике хранилище ОЯТ бывает:

• «мокрое»;
• «сухое».

По сведениям Комиссии по ядерному регулированию до 90% отработавшего топлива хранится «мокрым» способом. Такое хранилище по технологии идентично приреакторному бассейну выдержки. Резервуары с водой сделаны из железобетонных конструкций, снаружи покрыты нержавеющей сталью. Тепловыделяющие сборки хранятся в чехлах на дне. Радиационная обстановка внутри безопасная и не угрожает жизни сотрудников. Для поддержания качества среды содержания очистку воды проводят в 2 этапа.

На Изотопно-химическом ГХК Красноярского края «мокрое» хранилище работает с 1985 года. Бассейн спроектирован на случай опасных природных катаклизмов. В 2011 году вместимость объекта была увеличена, теперь в 20 отсеках возможно расположить 15 тысяч ТВС.

В 2015 году в Горно-химическом комбинате завершили строительство «сухого» хранилища. При этом способе предусмотрено применение азотно-гелиевой смеси вместо воды. В бетонных модулях зала размещаются герметичные пеналы с ОЯТ, заполненные газовым составом. Из-за конвекционного теплообмена сборки охлаждаются наружным воздухом.

В декабре 2016 года провели первую перезагрузку отработавшего топлива из «мокрого» накопителя в «сухой». Из практики технология оказалась дешевле, но отказаться полностью от водоохлаждающих хранилищ пока невозможно. ТВЭЛы из-за интенсивного тепловыделения до 15 лет должны находиться в бассейне.

Ни в одной стране описанные способы не рассматриваются как неопасные и долгосрочные. Ученые-ядерщики считают, что только захоронение ОЯТ под землей спасет ситуацию. Размещение материалов под контролем в геологических недрах безопаснее, чем на поверхности.

В политике многих государств при системе отложенного решения обращения с ОЯТ выполняются следующие шаги:

• ведется поиск надежных способов хранения;
• разрабатываются техники переработки;
• рассматриваются варианты окончательной изоляции.

С целью исключения экологической угрозы проводят работы по нормализации радиационной обстановки хранилища отработавшего ядерного топлива. В пунктах временного хранения действия проводятся на дистанционно-управляемом оборудовании из-за повышенного уровня опасности объекта.

Утилизация ОЯТ

В радиохимической энергетике разработаны пути утилизации отработанного топлива с двумя циклами: открытым и закрытым. На производствах с разомкнутым (открытым) ядерным топливным циклом (ЯТЦ) природный уран используется в низкоэффективных объемах, которые не превышают 1%. В итоге ценные ресурсы не извлекаются и ОЯТ захоранивают. Окончательное захоронение характерно для Швеции, США, Канады.

На предприятиях с замкнутым ЯТЦ тепловыделяющие элементы получают из реактора и отправляются на временное хранение. По истечении периода выдержки высокоактивные материалы запускаются в рециклинг.

Извлеченные полезные компоненты нужны в промышленности, медицине, научных исследованиях. Система не требует дополнительной добычи урановой руды. Применяемые методики разделения ОЯТ позволяют безопасно утилизировать невостребованные элементы и снизить радиационную опасность.

Методы, используемые на заводах:

• механический;
• водно-химический;
• «рубка-выщелачивание»;
• экстракционный (комбинация ПУРЕКС- и РЕДОКС-процессов);
• СИВЕКС-процесс;
• комбинированные технологии.

В России ОЯТ перерабатывают по водно-экстракционной схеме. Целью технологического процесса является получение диоксида плутония, закиси-окиси урана.

Возможна ли переработка ОЯТ?

Свыше 60 лет в промышленной энергетике ведутся исследования технологий переработки отработавшего топлива. Большинство процессов схожи, отличаются методы отделения оболочки ТВЭЛов от топливной композиции и ее экстракция.

По-прежнему главными заводами по переработке ОЯТ в России остаются ПО «Маяк» и Железногорский ГХК. Кроме российских предприятий замкнутый цикл используют Франция, Великобритания, Япония, Индия. На данный момент ни одна из держав не создала геологического могильника.

По международным соглашениям на территорию РФ произвели ввоз ОЯТ из 14 стран. Это топливо из СССР, возврат которого был выполнен в рамках сотрудничества России и США в ядерной сфере.

К началу 2020 года в Железногорске завершится строительство Опытно-демонстрационного центра поколения 3+ (аналогов в мире нет) по переработке облученного топливного материала. Комплекс в ОДЦ рассчитан на производство МОКС-топлива (смесь оксидов урана и плутония), поставляемого на реакторы АЭС. К 2030 году у Росатома в планах создание РЕМИКС-топлива с использованием обогащенного урана.

Топливо, находящееся на этапе долговременного хранения, сохранять разумно. При массовом переходе на быстрые реакторы и применении замкнутого ядерного цикла ОЯТ станут ценным источником урана и плутония.