Ядерные "отходы"

Радиоактивные отходы включают в себя разновидность различных материалов, требующих различных подходов по их содержанию и хранению для предохранения людей и окружающей среды от их вредных воздействий .

В соответствии с уровнем активности они обычно классифицируются как отходы низкого уровня, промежуточного уровня и высокого уровня ,

Мы не зря взяли слово «отходы» в кавычки. На самом деле эти материалы (не все, конечно, а некоторые из них) – ценный продукт, требующий, однако, соблюдения особых правил безопасности при работе с ними. На рис.29 показано, какие именно отходы образуются из тонны ядерного топлива через три года работы реактора типа ВВЭР-1000.

При сжигании ядерного топлива образуются продукты деления, такие как изотопы бария, стронция, цезия, йода, криптона и ксенона (Ba, Sr, Cs, I, Kr, и Xe). Многие них накапливаются в самом топливе. Они высоко радиоактивны и недолговечны. Кроме того, из содержащегося в активной зоне ядерного реактора U-238 образуются изотопы: Pu-239, Pu-240, Pu-241 и некоторые изотопы других трансурановых элементов. Они формируются при поглощении нейтронов и последующим бета-распаде урана-238. Все изотопы остаются в отработанном топливе, кроме расщепляющегося плутония, который "выгорает" в процессе ядерной реакции. Большинство трансурановых элементов формирует долгоживущую часть высокоуровневых отходов.

Основные ядерные отходы остаются надежно "запертыми" в керамических таблетках внутри ТВЭЛов.

Одна из наиболее острых проблем ядерного топливного цикла - это размещение и хранение радиоактивных отходов. Труднее всего она решается для высокоуровневых отходов, в работе с которыми имеются два стратегически разных подхода:

• переработка исчерпанного топлива с целью отделения высокоуровневых отходов с их последующим битумированием (цементированием, остекловыванием) и захоронением;

• прямое захоронение отработанных тепловыделяющих элементов вместе с содержащимися в них высокоуровневыми отходами.

Ядерная энергетика – единственная отрасль промышленности, которая берет полную ответственность за все свои отходы и полностью оплачивает расходы по их содержанию и утилизации. Кроме того, методы экспертного контроля начинают применяться и к военной промышленности, которая может представлять реальную угрозу окружающей среде в некоторых частях мира.

Важным фактором в работе с радиоактивными материалами является время, в течение которого они остаются опасными. Оно характеризуется периодом полураспада содержащихся в них радиоактивных изотопов.

Периодом полураспада называется время, в течение которого данный радиоактивный изотоп теряет половину своей активности. После четырех периодов полураспада уровень активности снижается в 16 раз, а после восьми - в 256 раз.

Радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада от долей секунды до миллионов лет. Причиной уменьшения радиоактивности является распад изотопов и превращение их в стабильные, не радиоактивные элементы . Чем меньше период полураспада, тем быстрее данные изотопы распадаются. Следовательно, чем выше уровень радиоактивности, тем большее количество короткоживущих изотопов содержится в данном количестве материала.

Рассмотрим подробнее принципы работы с радиоактивными отходами. Это необходимо для правильного понимания степени опасности их воздействия на окружающую среду.

В работе с радиоактивными отходами применяются три принципа:

• "Концентрировать и изолировать",

• "Разбавлять и рассеивать",

• "Выдерживать и расщеплять".

Два первых принципа используются в работе и с нерадиоактивными отходами.

Отходы концентрируются и изолируются, или (в разрешенных законодательством малых количествах) разбавляются до приемлемых уровней и затем рассеиваются в окружающей среде.

Принцип "выдерживать и расщеплять" относится только к радиоактивным отходам и означает, что отходы хранят в течение определенного времени, в течение которого их радиоактивность уменьшается до приемлемых с точки зрения безопасности уровней за счет естественного распада изотопов.

В ядерном топливном цикле основное внимание уделяется высокоуровневым отходам, содержащим продукты деления и трансурановые элементы, которые образуются в процессе работы ядерного реактора.

Высокоуровневые отходы содержатся непосредственно в отработанном ядерном топливе или в продуктах его переработки. Так или иначе, их количество не слишком велико – ежегодно приблизительно 25-30 тонн исчерпанного топлива (или три кубометра остеклованных отходов) образуется в результате эксплуатации типичного легко-водного ядерного реактора мощностью 1000 МВт. Такое количество может быть эффективно и экономно изолировано. Уровень радиоактивности таких отходов быстро уменьшается. Например, отработанные топливные элементы в момент извлечения из легко-водного реактора так радиоактивны, что испускают несколько сотен киловатт тепловой энергии, но год спустя это излучение уменьшается до пяти киловатт, а после пяти лет - всего один киловатт. Через 40 лет уровень радиоактивности в них падает, примерно, в тысячу раз.

Высокоуровневые отходы составляют только 3% от всех радиоактивных отходов во всем мире, но они содержат до 95% всей радиоактивности, содержащейся в них .

В соответствии с подходами, применяемыми при работе с радиоактивными материалами возможно следующее развитие событий:

1. После специальной переработки отработанного топлива, около 3% высокоуровневых отходов находятся в жидком состоянии. Они содержат долгоживущие продукты деления урана и некоторые тяжелые элементы. Такие отходы производят значительное количество теплоты и требуют специального охлаждения. Поэтому их остекловывают и в виде небольших капсул закладывают на промежуточное хранение, после которого надолго помещают глубоко под землю.

2. Если отработанное реакторное топливо не подвергать обработке, то все высоко радиоактивные изотопы останутся в нем. В этом случае с топливными элементами обращаются как с высокоуровневыми отходами.

Разные страны придерживаются различных концепций, выбирая между переработкой и прямым долговременным хранением отработанного ядерного топлива.

Наряду с высокоуровневыми отходами ядерной энергетики, работа с радиоактивными материалами приводит к возникновению отходов низкого уровня (средства очистки оборудования, перчатки, специальная одежда, инструменты и т.д.). Отходы низкого уровня поступают также из медицинских учреждений, научно-исследовательских лабораторий и промышленности.

Такие отходы хотя и не представляют особой опасности, но требуют более тщательного обращения, чем обычный мусор. Они могут быть сожжены. Но обычно их размещают в специальных хранилищах под землей. В любом случае, из них сначала выделяют все высоко токсичные материалы, которые включают в высокоуровневые отходы. Это обеспечивает безопасность работы с низкоуровневыми материалами, которые относительно безвредны. Многие страны имеют хранилища для их размещения.

Низкоуровневые отходы обладают приблизительно таким же уровнем радиоактивности, как и низкосортная урановая руда. Их количество, образующееся каждый год, почти в пятьдесят раз больше, чем количество высокоуровневых отходов. Во всем мире они составляют 90% от всех радиоактивных отходов, но имеют лишь 1% радиоактивности.

Отходы промежуточного уровня, главным образом, возникают в ядерной промышленности. Они более радиоактивны, чем низкоуровневые, и их следует изолировать от людей перед обработкой и размещением на хранение. Обычно они включают в себя различные смолы, химические осадки, компоненты реакторного оборудования и загрязненные материалы от реакторов, снимаемых с эксплуатации. Обычно, такие отходы битумируются для дальнейшего размещения в специальных хранилищах. Кроме того, к «среднеуровневым» относятся отходы от переработки ядерного топлива, вылежавшие положенный срок в хранилищах для высокоуровневых отходов.

Короткоживущие отходы с промежуточным уровнем радиоактивности можно хранить в заглубленных хранилищах (так хранят различные компоненты реакторного оборудования). Кроме того, их можно размещать глубоко под землей. Во всем мире отходы промежуточного уровня составляют 7% от всех радиоактивных отходов и имеет 4% радиоактивности.