Радиоактивные отходы

После запрещения испытаний ядерного оружия в трех сферах проблема уничтожения радиоактивных отходов, образующихся в процессе использования атомной энергии в мирных целях, занимает одно из первых мест среди всех проблем радиационной экологии.

По физическому состоянию радиоактивные отходы (РАО) подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

При неизвестном радионуклидном составе к РАО следует относить материалы с удельной активностью больше:

100 кБк/кг – для источников бета-излучения;

10 кБк/кг – для источников альфа-излучения;

1 кБк/кг – для трансурановых радионуклидов (химические радиоактивные элементы, расположенные в периодической системе элементов после урана, т.е. с атомным номером больше 92. Все они получены искусственно, а в природе встречаются лишь Np и Pu в чрезвычайно малых количествах).

К жидким радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему использованию органические и неорганические жидкости, пульпы и шламы, в которых удельная активность радионуклидов более чем в 10 раз превышает значения уровней вмешательства при поступлении с водой, приведенные в приложении П-2 НРБ-99.

К газообразным радиоактивным отходам относятся не подлежащие использованию радиоактивные газы и аэрозоли, образующиеся при производственных процессах с объемной активностью, превышающей допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА), приведенные в приложении П-2 НРБ-99.

Жидкие и твердые радиоактивные отходы подразделяются по удельной активности на 3 категории: низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные.

Классификация жидких и твердых РАО (ОСПОРБ-99)

Категория   отходов	Удельная активность, кБк/кг
	бета-излучающие	альфа-излучающие	трансурановые
Низкоактивные	менее 103	менее 102	менее 101
Среднеактивные	от 103 до 107	от 102  до 106	от 101 до 105
Высокоактивные	более  107	более  106	более  105

Радиоактивные отходы образуются:

− в процессе добычи и переработки радиоактивного минерального сырья;

− при работе атомных электростанций;

− в процессе эксплуатации и утилизации кораблей с ядерными установками;

− при переработке отработавшего ядерного топлива;

− при производстве ядерного оружия;

− при проведении научных работ с использованием исследовательских ядерных реакторов и делящегося материала;

− при использовании радиоизотопов в промышленности, медицине, науке;

− при подземных ядерных взрывах.

Система обращения с твердыми и жидкими РАО в местах их образования определяется проектом для каждой организации, планирующей работы с открытыми источниками излучения, и включает их сбор, сортировку, упаковку, временное хранение, кондиционирование (концентрирование, отверждение, прессование, сжигание), транспортирование, длительное хранение и захоронение.

Для сбора радиоактивных отходов в организации должны быть специальные сборники. Места расположения сборников должны обеспечиваться защитными приспособлениями для снижения излучения за их пределами до допустимого уровня.

Для временного хранения РАО, создающих у поверхности дозу гамма-излучения более 2 мГр (грэй)/ч, должны использоваться специальные защитные колодцы или ниши.

Жидкие радиоактивные отходы собираются в специальные емкости, после чего направляются на захоронение. Запрещается сброс жидких РАО в хозяйственно-бытовую и ливневую канализацию, водоемы, колодцы, скважины, на поля орошения, поля фильтрации и на поверхность Земли.

При ядерных реакциях, происходящих в активной зоне реактора, выделяются радиоактивные газы: ксенон-133 (Т_физ. = 5 сут.), криптон-85 (Т_физ. = 10 лет), радон-222 (Т_физ. = 3,8 сут.) и другие. Эти газы поступают в фильтр-адсорбер, где теряют свою активность и только после этого выбрасываются в атмосферу. В окружающую среду поступает также некоторое количество углерода-14 и трития.

Другой источник радионуклидов, попадающих в окружающую среду от функционирующих АЭС, – дебалансная и техническая вода. ТВЭЛ-ы, находящиеся в активной зоне реактора, часто деформируются, и продукты деления попадают в теплоноситель. Дополнительным источником радиации в теплоносителе являются радионуклиды, образующиеся в результате облучения материалов реактора нейтронами. Поэтому периодически вода первого контура обновляется и очищается от радионуклидов.

Чтобы не произошло загрязнение окружающей среды, вода всех технологических контуров АЭС включается в систему оборотного водоснабжения.

Тем не менее, часть жидких стоков сбрасывают в водоем-охладитель, имеющийся при каждой АЭС. Этот водоем является слабопроточным бассейном (чаще всего это искусственное водохранилище), поэтому сброс в него жидкостей, содержащих даже малое количество радионуклидов, может привести к опасной их концентрации. Сброс жидких радиоактивных отходов в водоемы-охладители категорически запрещен «Санитарными правилами». В них можно направлять только жидкости, в которых концентрация радиоизотопов не превышает допустимые нормы. Кроме того, количество сливаемых в водоем жидкостей ограничивается нормой допустимого сброса. Эта норма устанавливается таким образом, что бы воздействие радионуклидов на водопользователей не превысило дозу 5´10^-5 Зв (зиверт)/год.

В процессе самоочищения воды эти радионуклиды опускаются на дно и постепенно захораниваются в донных отложениях, где их концентрация может достигать 60 Бк (беккерель)/кг. Такие водоемы могут быть использованы в любых народно-хозяйственных и рекреационных целях.

Опыт эксплуатации отечественных АЭС показал, что при правильном техническом обслуживании и налаженном мониторинге окружающей среды они практически безопасны. Радиоактивное воздействие на биосферу этих предприятий не превышает 2% от местного радиационного фона. В радиационном отношении гораздо более опасны тепловые электростанции, поскольку сжигаемые на них уголь, торф и газ содержат природные радионуклиды семейств урана и тория. Средние индивидуальные дозы облучения в районе расположения тепловых электростанций мощностью 1 ГВт/год составляют от 6 до 60 мкЗв/год, а от выбросов АЭС – от 0,004 до 0,13 мкЗв/год. Таким образом, АЭС при нормальной их эксплуатации являются экологически более чистыми, чем тепловые электростанции.

Опасность АЭС заключается лишь в аварийных выбросах радионуклидов и последующем распространении их во внешней среде атмосферным, водным, биологическим и механическим путями. В этом случае биосфере наносится ущерб, выводящий из строя огромные территории, которые долгие годы не могут использоваться в хозяйственной деятельности.

Переработку, долговременное хранение и захоронение РАО производят специализированные организации. В отдельных случаях возможно осуществление в одной организации всех этапов обращения с РАО, если это предусмотрено проектом или на это выдано специальное разрешение органов государственного надзора.

Эффективная доза облучения населения, обусловленная радиоактивными отходами, включая этапы хранения и захоронения, не должна превышать 10 мкЗв/год.

Наибольший объем РАО поставляют атомные электростанции. Жидкие РАО АЭС – это кубовые остатки выпарных аппаратов, пульпы механических и ионообменных фильтров очистки контурной воды. На  АЭС они хранятся в бетонных емкостях, облицованных нержавеющей сталью. Затем они подвергаются отверждению и захораниваются по специальной технологии. К твердым отходам АЭС относятся вышедшее из строя оборудование и его детали, а также израсходованные материалы. Как правило, они имеют низкую активность и утилизируются на АЭС. Отходы со средней и высокой активностью отправляют на захоронение в специальные подземные хранилища.

Хранилища радиоактивных отходов размещаются глубоко под землей (не менее 300 м), причем, за ними устанавливается постоянное наблюдение, так как радионуклиды выделяют большое количество тепла. Подземные хранилища РАО должны быть долговременными, рассчитанными на сотни и тысячи лет. Они размещаются в сейсмически спокойных районах, в однородных скальных массивах лишенных трещин. Наиболее подходящими для этого являются гранитные геологические комплексы горных массивов, прилегающих к побережью океана. В них удобнее всего сооружать подземные туннели для РАО (Кедровский, Чесноков, 2000). Надежные хранилища РАО могут размещаться в многолетнемерзлых породах. Одно из них планируется создать на Новой Земле.

Для облегчения захоронения и надежности последнего жидкие высокоактивные РАО превращают в твердые инертные вещества. В настоящее время основными методами переработки жидких РАО являются цементирование и остеклование с последующим заключением в стальные контейнеры, которые хранятся под землей на глубине нескольких сотен метров.

Исследователи Московского объединения «Радон» предложили методику обращения жидких РАО в стойкую алюмосиликатную керамику при температуре 900°С с использованием карбамида (мочевины), солей фтора и природных алюмосиликатов (Лащенова, Лифанов, Соловьев 1999).

Однако при всей своей прогрессивности перечисленные приемы имеют существенный недостаток – объемы радиоактивных отходов при этом не сокращаются. Поэтому ученые находятся в постоянном поиске других методов захоронения жидких РАО. Один из таких методов – селективная сорбция радионуклидов. В качестве сорбентов исследователи предлагают использовать природные цеолиты, с помощью которых может быть достигнута очистка жидкостей от радиоизотопов цезия, кобальта и марганца до безопасных концентраций. При этом объем радиоактивного продукта сокращается в десятки раз (Савкин, Дмитриев, Лифанов и др., 1999). Ю.В. Островский, Г.М. Зубарев, А.А. Шпак и другие новосибирские ученые (1999) предложили гальванохимическую обработку жидких радиоактивных отходов.

Перспективный метод захоронения высокоактивных отходов – удаление их в космос. Метод предложен академиком А.П. Капицей в 1959 году. Сейчас ведутся интенсивные исследования в этой области.

Радиоактивные отходы в большом количестве производят атомные электростанции, исследовательские реакторы и военная сфера (ядерные реакторы кораблей и подводных лодок).

Согласно оценке МАГАТЭ к концу 2000 года из ядерных реакторов выгружено 200 тыс. тонн облученного топлива.

Предполагается, что основная часть его будет удаляться без переработки (Канада, Финляндия, Испания, Швеция, США), другая часть будет перерабатываться (Аргентина, Бельгия, Китай, Франция, Италия, Россия, Швейцария, Англия, Германия).

Бельгия, Франция, Япония, Швейцария, Англия хоронят блоки с  радиоактивными отходами, заключенными в боросиликатное стекло.

На данный момент МАГАТЭ сформулирован ряд принципов, нацеленных на такое обращение с радиоактивными отходами, которое обеспечит защиту здоровья человека и охрану окружающей среды сейчас и в будущем, не налагая чрезмерного бремени на будущие поколения:

1) Защита здоровья человека. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется таким образом, чтобы обеспечить приемлемый уровень защиты здоровья человека.

2) Охрана окружающей среды. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется таким образом, чтобы обеспечить приемлемый уровень охраны окружающей среды.

3) Защита за пределами национальных границ. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется таким образом, чтобы учитывались возможные последствия для здоровья человека и окружающей среды за пределами национальных границ.

4) Защита будущих поколений. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется таким образом, чтобы предсказуемые последствия для здоровья будущих поколений не превышали соответствующие уровни последствий, которые приемлемы в наши дни.

5) Бремя для будущих поколений. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется таким образом, чтобы не налагать чрезмерного бремени на будущие поколения.

6) Национальная правовая структура. Обращение с радиоактивными отходами осуществляется в рамках соответствующей национальной правовой структуры, предусматривающей чёткое распределение обязанностей и обеспечение независимых регулирующих функций.

7) Контроль за образованием радиоактивных отходов. Образование радиоактивных отходов удерживается на минимальном практически осуществимом уровне.

8) Взаимозависимости образования радиоактивных отходов и обращения с ними. Надлежащим образом учитываются взаимозависимости между всеми стадиями образования радиоактивных отходов и обращения с ними.

9) Безопасность установок. Безопасность установок для обращения с радиоактивными отходами надлежащим образом обеспечивается на протяжении всего срока их службы.

Захоронение на дне морей и океанов. Захоронения радиоактивных отходов в морях и океанах практиковалось многими странами. Первыми это сделали США в 1946 году, затем Великобритания - в 1949 году, Япония - в 1955 году, Нидерланды - в 1965 году. Первый морской могильник жидких радиоактивных отходов появился в СССР не позднее 1964 года.

В морских захоронениях Северной Атлантики, где, по данным МАГАТЭ, с 1946 по 1982 годы 12 стран мира затопили радиоактивные отходы суммарной активностью более МКи (одного мегаКюри). Регионы земного шара по величине суммарной активности ныне распределяются следующим образом:

а) Северная Атлантика - примерно 430 кКи;

б) моря Дальнего Востока - около 529 кКи;

в) Арктика - не превышает 700 кКи.

Со времени первого затопления высокоактивных отходов в Карском море прошло 25-30 лет. За эти годы активность реакторов и отработавшего топлива естественным путем снизилась во много раз. При этом надо полагать, что морскими захоронениями радиоактивных отходов занимались грамотные люди - профессионалы в своей области. РАО затапливались во впадинах бухт, где течениями и подводковыми водами не затрагиваются эти глубинные слои. Потому РАО там «сидят» и никуда не распространяются, а только поглощаются специальными осадками.

Надо также учесть, что радиоактивные отходы с наибольшей активностью законсервированы твердеющими смесями. Но даже если радионуклиды попадут в морскую воду - они сорбируются данными осадками в непосредственной близости от объекта затопления. Это было подтверждено прямыми измерениями радиационной обстановки.

Наиболее часто обсуждаемой возможностью для захоронений РАО является использование захоронений в глубоком бассейне, где средняя глубина составляет не менее 5 км. Глубоководное скалистое дно океана покрыто слоем отложений, и неглубокое погребение под десятками метров отложений может быть получено простым сбрасыванием контейнера за борт. Глубокое погребение под сотнями метров отложений потребует бурения и закладки отходов. Отложения насыщены морской водой, которая через десятки или сотни лет может разъесть (в результате коррозии) канистры с топливными элементами из использованного топлива. Однако предполагается, что сами отложения адсорбируют выщелоченные продукты деления, препятствуя их проникновению в океан. Расчеты последствия крайнего случая разрушения оболочки контейнера сразу после попадания в слой отложений показали, что диспергирование топливного элемента, содержащего продукты деления, под слоем отложений случится не ранее чем через 100-200 лет. К тому времени уровень радиоактивности упадет на несколько порядков.

Окончательное захоронение в соляных отложениях. Соляные отложения являются привлекательными местами для долговременных захоронений радиоактивных отходов. Тот факт, что соль находится в твердой форме в геологическом слое, свидетельствует об отсутствии циркуляции грунтовых вод с момента его образования несколько сот миллионов лет тому назад. Таким образом, топливо, помещенное в таком отложении, не будет подвергаться выщелачиванию грунтовыми водами. Соляные отложения такого типа встречаются очень часто.

Геологическое захоронение. Геологическое захоронение подразумевает размещение контейнеров, содержащих отработанные топливные элементы, в стабильном пласте, обычно на глубине 1 км. Можно допустить, что такие породы содержат воду, так как глубина их залегания значительно ниже зеркала грунтовых вод. Однако ожидается, что вода не будет играть большой роли при теплопередаче от контейнеров, поэтому хранилище должно быть спроектировано с учетом возможности поддержания температуры поверхности канистр не более чем 100°С или около того. Тем не менее, присутствие грунтовых вод означает, что материал, выщелоченный из хранящихся блоков, может проникнуть через пласт с водой. Это является важным вопросом при проектировании таких систем. Циркуляция воды сквозь породу как результат разности плотностей, вызванный температурным градиентом, в течение длительного времени важна для определения миграции продуктов деления. Этот процесс очень медленный, и поэтому не ожидается, что от него будут серьезные неприятности. Однако для систем долговременного захоронения он должен быть обязательно принят во внимание.

Выбор между различными методами захоронений будет определяться доступностью удобных мест, потребуется еще много биологических и океанографических данных. Тем не менее, исследования во многих странах показывают, что использованное топливо можно обрабатывать и производить захоронение без чрезмерного риска для человека и окружающей среды.

Захоронение плутония.

Как известно, плутоний в природе не встречается, его получают искусственно из урана-238 при облучении последнего нейтронами в атомном реакторе:

₉₂U²³⁸ + ₀n¹ -> _-1e⁰ + ₉₃Pu²³⁹.

У плутония обнаружено 14 изотопов с массовыми числами от 232 до 246; наиболее распространен изотоп  ²³⁹Pu.

Плутоний, выделяемый из отработанного топлива АЭС, содержит смесь высокоактивных изотопов. Под действием тепловых нейтронов делятся только Pu-239 и  Pu-241, а быстрые нейтроны вызывают деление всех изотопов.

Период полураспада  ²³⁹Pu  равен 24000 годам, ²⁴¹Pu – 75 лет, при этом образуется изотоп ²⁴¹Am  с сильным гамма-излучением. Ядовитость такова, что тысячная доля грамма вызывает летальный исход.

Академик Ю. Трутнев  предложил хранить плутоний в подземных хранилищах, сооружаемых с помощью ядерных взрывов. Радиоактивные отходы вместе с горными породами остекловываются и не распространяются в окружающую среду.

Перспективным считается положение, что отработанное ядерное топливо (ОЯТ) – ценнейшее средство для атомной промышленности, подлежащее переработке и использованию по замкнутому циклу: уран – реактор – плутоний – переработка – реактор (Англия, Россия, Франция).

Кроме того, в связи с интенсификацией применения ионизирующего излучения в хозяйственной деятельности человека, с каждым годом возрастает объем отработанных радиоактивных источников, поступающих с предприятий и учреждений, использующих в своей работе радиоизотопы. Большая часть таких предприятий находится в Москве (около 1000), областных и республиканских центрах.

Эта категория РАО утилизируется через централизованную систему территориальных спецкомбинатов «Радон» Российской Федерации, которые осуществляют прием, транспортировку, переработку и захоронение отработанных источников ионизирующего излучения. В ведении Департамента жилищно-коммунального хозяйства Минстроя РФ находятся 16 спецкомбинатов «Радон»: Ленинградский, Нижегородский, Самарский, Саратовский, Волгоградский, Ростовский, Казанский, Башкирский, Челябинский, Екатеринбургский, Новосибирский, Иркутский, Хабаровский, Приморский, Мурманский, Красноярский. Семнадцатый спецкомбинат, Московский (расположен возле г. Сергиев Посад), подчиняется Правительству г. Москвы.

Каждое предприятие «Радон» имеет специально оборудованные пункты захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО).

Для захоронения отработавших источников ионизирующего излучения используются инженерные приповерхностные хранилища колодезного типа. В каждом предприятии «Радон» налажена нормальная эксплуатация хранилищ, учет захороненных отходов, постоянный радиационный контроль и мониторинг за радиоэкологическим состоянием окружающей среды. На основе результатов контроля радиоэкологической обстановки в районе размещения ПЗРО периодически составляется радиоэкологический паспорт предприятия, который утверждается контрольно-надзорными органами.