Пятьдесят шесть миллионов галлонов. Таков объем радиоактивных отходов, оставшихся на территории Хэнфорда в результате выполнения секретной американской правительственной миссии по производству плутония для создания первого в мире атомного оружия и последовавшей за этим холодной войны. Сегодня Хэнфордский полигон известен как одна из самых технически сложных экологических проблем в мире.
«Количество радиоактивных отходов, которые необходимо переработать, и затраты на это астрономические. Это огромные деньги, и пока эта проблема не будет решена, нам придется продолжать наблюдение за резервуарами», — говорит Рид Петерсон, инженер-химик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США.
Петерсон почти три десятилетия занимался проблемами резервуарных отходов на объектах Управления по охране окружающей среды министерства энергетики США. Он принимал участие в национальных мероприятиях по борьбе со вспышками бензола в резервуаре с отходами на полигоне Саванна-Ривер, которые не достигали пределов воспламеняемости. Он помогал разрабатывать различные методы химического разделения. Но среди его многочисленных вкладов в решение проблемы очистки столь сложных с химической точки зрения радиоактивных отходов выделяется одна работа – удаление цезия-137.
Цезий-137 в основном имеет антропогенное происхождение. Он в больших количествах содержится в ядерных отходах, поскольку является побочным продуктом при производстве плутония, необходимого для создания ядерного оружия. Ученые нашли способ безопасного хранения этих радиоактивных отходов в стекле, но прежде чем остекловывать их, необходимо обработать часть жидких отходов в резервуаре, чтобы удалить из них большую часть цезия-137.
Это связано с тем, что испускаемое цезием-137 гамма-излучение — по энергии превосходящее рентгеновское — способно проникать через человеческое тело и даже через сталь, что делает для работников слишком опасным эксплуатацию и обслуживание технологического оборудования, используемого для производства стекла из низкоактивных радиоактивных отходов. Эта проблема стоит перед Петерсоном уже более десяти лет. На сегодняшний день, благодаря исследованиям, проведенным Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией США, сотрудники Хэнфорда удалили цезий из более чем 697 000 галлонов отходов из резервуаров, что является важной вехой в процессе очистки всей территории Хэнфорда.
Эволюция технологии удаления цезия
В 2008 году Петерсон и другие исследователи из PNNL в рамках пилотного проекта успешно продемонстрировали возможность удаления цезия с помощью системы, установленной рядом с резервуаром для ядерных отходов. Было наглядно продемонстрировано, что подключение системы удаления непосредственно к одному резервуару является экономически эффективным подходом.
Такая наглядная демонстрация оказалась очень важной, когда три года спустя землетрясение и последовавшее за ним цунами вызвали ядерную катастрофу на АЭС «Фукусима-1» в Японии. В ответ на аварию потребовалось ускорить и быстро внедрить технологию удаления цезия.
«Через несколько дней после этого события я отправился в Вашингтон, чтобы провести анализ того, какие технологии должны быть использованы, — говорит Петерсон. — Я несколько раз ездил на Фукусиму, чтобы ознакомиться с их технологиями удаления цезия. Мы проезжали мимо взорвавшихся реакторов, и мой дозиметр пищал, когда мы проезжали мимо, потому что там было очень много радиации».
В 2011 году за эту операцию коллектив ученых был удостоен награды секретаря министерства энергетики США.
Работы по ликвидации последствий аварии на АЭС «Фукусима» послужили катализатором для развертывания аналогичных систем на площадке Саванна-Ривер, а затем и в Хэнфорде. Весь мир в реальном времени убедился в эффективности этой технологии.
Удаление цезия, 5 галлонов в минуту
Петерсон — руководитель проекта, который довел технологию удаления цезия от стендовых испытаний до полномасштабной демонстрации, что позволило оператору резервуарного парка приступить к полномасштабным работам. На Хэнфордском полигоне эта технология называется системой удаления цезия из резервуаров (TSCR).
Предварительная обработка отходов в системе TSCR осуществляется в транспортном контейнере, в который с помощью вилочного погрузчика устанавливаются стальные колонны. Отходы из резервуара проходят через фильтр и попадают в колонну. Внутри колонны находится ионообменная среда, состоящая из смеси кремнезема и титана в качестве основных компонентов. Ионообменная среда напоминает мелкие белые бусинки, и хотя они небольшие, но обладают могучей силой — улавливают цезий.
«Этот материал любит цезий, — говорит Петерсон об ионообменном материале. — Когда жидкость проходит через фильтр и попадает в колонну, среда впитывает большую ее часть».
Это сложный баланс, заключающийся в том, чтобы обеспечить нужную скорость потока жидкости, чтобы среда успела впитать цезий.
Петерсон и его команда в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США имитируют систему TSCR в меньших масштабах в специальной лаборатории на Хэнфордском полигоне, называемой испытательной платформой для радиоактивных отходов.
«Благодаря испытательной платформе для радиоактивных отходов мы точно знаем, что система TSCR работает так, как должна работать, поскольку у нас есть все лабораторные данные, которые полностью совпадают с характеристиками системы», — говорит он.
Как только колонна заполняется, работа системы приостанавливается, и происходит переход к другой колонне. Система TSCR в Хэнфорде работает с января 2022 года. Она может работать круглосуточно при расходе 5 галлонов предварительно обработанных отходов в минуту. Но что происходит с радиоактивными отходами после предварительной обработки?
От радиоактивной жидкости до стабильного стекла
Система TSCR является первым шагом на пути к достижению более масштабной цели — стабилизации жидких радиоактивных отходов в стекле, то есть превращению их в часть стеклянной структуры с помощью процесса, называемого витрификацией. Сотрудники Хэнфорда будут использовать технологию витрификации для смешивания предварительно обработанных радиоактивных отходов со стеклообразующими материалами, нагревать их до температуры более 1150°C в высокотемпературном плавильном котле и заливать расплавленное стекло в большие стальные емкости, где оно будет охлаждаться и застывать – и становиться пригодным для долгосрочного захоронения.
«Перед запуском в Хэнфорде установки витрификации необходимо предварительно обработать и подготовить к работе 800 тысяч галлонов радиоактивных отходов из резервуаров», — говорит Петерсон.
Предварительная обработка является важным этапом по двум основным причинам: безопасность и стоимость.
«Мы хотим иметь возможность проводить контактное обслуживание оборудования, а не делать все дистанционно, — отмечает Петерсон. — Без предварительного удаления цезия пришлось бы возводить бетонную стену толщиной 6 футов, и вся концепция проекта должна была бы измениться, что также привело бы к увеличению затрат».
Хэнфордская установка витрификации, официально называемая установкой по переработке и иммобилизации радиоактивных отходов, в настоящее время планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году. Хотя переработка более 697 тысяч галлонов является важной вехой, это лишь небольшая часть в том гигантском объеме радиоактивных отходов, которые еще ожидают своей предварительной обработки. Возможно, последующий проект позволит ускорить процесс предварительной обработки, выведя систему TSRC на более масштабный уровень производительности.
«Я начал работать в этой области 29 лет назад и не останавливаюсь на достигнутом, потому что это серьезная проблема, требующая решения», — говорит Петерсон, которого недавно за преданность химической инженерии наградили премией имени Роберта Э. Уилсона от отделения ядерной инженерии Американского института инженеров-химиков.
«Я каждый день получаю доклады с информацией о том, сколько галлонов переработала система TSCR, — говорит он. — Возможность поддерживать то, что уже работает и эффективно функционирует, дает ощущение, что мы добились действительно значительного прогресса».
Джесения Эрнандес (Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория США)