2.5. Радиоактивные отходы и экология

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.

Согласно ОСПОРБ-99 (Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности) к твердым радиоактивным отходам от­носятся отработавшие свой ресурс радионуклидные источники, не предназначенные для дальнейшего использования материалы, из­делия, оборудование, биологические объекты, грунт, а также отвержденные жидкие радиоактивные отходы, в которых удельная ак­тивность радионуклидов больше значений, приведенных в приложе­нии П-4 НРБ-99 (нормы радиационной безопасности). 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 (табл. 26).

Таблица 26 – 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 минераль­ ного 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 исследова­ тельских ядерных реакторов и делящегося материала;

• при использовании радиоизотопов в промышленности, меди­ цине, 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/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 родионуклидов, 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 (рис. 8).

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/год. Объемная активность основных радионукли­дов в сбрасываемой воде АЭС Европейской части России, по оценке Ю.А. Егорова (2000), составляет (Бк):

¹³⁷Cs-1,5  10^-3; ⁶⁰Со-1,5  10^-4; ⁵⁹Fe-1,5  10^-4; ⁵⁴Мn-4  10^-4.

Рис. 8. Структурная схема оборотного водоснабжения АЭС

В процессе самоочищения воды эти радионуклиды опускают­ся на дно и постепенно захораниваются в донных отложениях, где их концентрация может достигать 60 Бк/кг. Относительное распреде­ление радионуклидов в экосистемах водоемов-охладителей АЭС, по данным Ю.А. Егорова приведено в таблице 27. По мнению этого автора, такие водоемы могут быть использованы в любых народно-хозяйс­твенных и рекреационных целях.

Таблица 27 – Относительное распределение радионуклидов в водоемах-охладителях, %

Компоненты экосистем	137Cs	134Cs	60Со	54Mn
Вода	2-5	2-5	0,2-0,4	0,2-0,4
Взвеси	0,25	0,25	1	1
Гидробионты: моллюски	0,05-2	0,05-2	0,01	0,01
нитчатые водоросли	510-3	510-3	110-3	110-3
высшие растения	10-2	210-3	210-3	510-4
рыбы	110-4	210-4	210-4	510-4
Донные отложения	95-98	95-98	98,5	98-98,5

Наносят ли вред окружающей среде атомные электростанции? 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. Ландшафтно-геохимические исследования в десяти­километровой зоне Белоярской АЭС показывают, что плотность за­грязнения плутонием почв лесных и луговых биоценозов не превыша­ет 160 Бк/м² и находится в пределах глобального фона (Павлецкая, 1967). Расчеты показывают, что 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.

Так, в 1986 г. на Чернобыльской АЭС в результате теплового взрыва в окружающую среду было выброшено до 10% ядерного ма­териала, находящегося в активной зоне реактора.

За все время эксплуатации АЭС в мире официально зафиксиро­вано около 150 аварийных случаев выбросов радионуклидов в био­сферу. Это внушительная цифра, показывающая, что резерв повы­шения безопасности атомных реакторов пока весьма велик. Поэто­му очень важен мониторинг окружающей среды в районах АЭС, ко­торый играет решающую роль в выработке способов локализации радиоактивных загрязнений и их ликвидации. Особая роль здесь принадлежит научным исследованиям в области изучения геохими­ческих барьеров, на которых радиоактивные элементы теряют свою подвижность и начинают концентрироваться.

Радиоактивные отходы, содержащие радионуклиды с перио­дом полураспада менее 15 суток, собираются отдельно и выдержи­ваются в местах временного хранения для снижения активности до безопасных уровней, после чего удаляются как обычные промыш­ленные отходы.

Передача РАО из организации на переработку или захоронение должна производиться в специальных контейнерах.

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.

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. На сегодня в северных морях суммарная активность РАО составляет 115 кКи.

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.

В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Что бы ни говорили ракетчики, риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам. Было бы крайне легкомысленно превратить ее в убийственную радиационную свалку.

Захоронение плутония. Осенью 1996 года в г. Москве проходил Международный научный семинар по плутонию. Это чрезвычайно токсичное вещество получается в результате работы атомного реактора и раньше использовалось для производства ядерных боеприпасов. Но за годы использования ядерной энергии плутония на Земле скопились уже тысячи тонн, ни одной стране для производства оружия столько не нужно. Вот и встал вопрос, что с ним делать дальше?

Оставить просто так где-нибудь в хранилище  весьма дорогое удовольствие.

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).

В 2000 году на российских АЭС скопилось около 74000 м³ жидких РАО суммарной активностью 0,2210⁵ Ки, около 93500 м³ твердых РАО активностью 0,7710³ Ки и около 9000 т отработав­шего ядерного топлива активностью свыше 410⁹ Ки. На многих АЭС хранилища РАО заполнены на 75% и оставшегося объ­ема хватит лишь на 5-7 лет.

Ни одна АЭС не оснащена оборудованием для кондициониро­вания образующихся РАО. По мнению специалистов Минатома Рос­сии реально в ближайшие 30-50 лет РАО будут храниться на террито­рии АЭС, поэтому возникает необходимость создания там специаль­ных долговременных хранилищ, приспособленных для последующе­го извлечения из них РАО для транспортирования их к месту оконча­тельного захоронения.

Жидкие РАО Военно-морского флота хранятся в береговых и плавучих емкостях в регионах, где базируются корабли с атомными двигателями. Годовое поступление таких РАО около 1300 м³. Они перерабатываются двумя техническими транспортными судами (один на Северном, другой на Тихоокеанском флотах).

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.

Спецкомбинаты «Радон» спроектированы в 70-х годах XX века в соответствии с требованиями устаревших ныне норм радиационной безопасности.