Человечество производит очень много различных отходов, в том числе чрезвычайно опасных как для людей, так и для окружающей среды. Проблемы обращения с отходами есть у всех отраслей, но особое внимание и особенно повышенные требования предъявляются к предприятиям атомной отрасли. Оппоненты атомной энергетики утверждают, что она всегда будет нерентабельна даже при безаварийной работе АЭС из-за больших объемов образующихся радиоактивных отходов (РАО) и дороговизны обращения с ними, особенно при окончательной (т.н. финальной) изоляции отходов.
К РАО относят не подлежащие дальнейшему использованию материалы и вещества, а также оборудование и изделия, содержание радионуклидов в которых превышает уровни, принятые в соответствии с критериями, установленными Правительством РФ [1].
В этом определении вызывает сомнение критерий «не подлежащие дальнейшему использованию». Он выбран с сегодняшней точки зрения. Однако через некоторое время с развитием технологий ситуация может поменяться.
РАО образуются, начиная с добычи урана, и добавляются на всех последующих переделах. Особенно много РАО образуется при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и снятии с эксплуатации ядерно- и радиационно опасных объектов.
При обращении с РАО необходимо учитывать, что
– все радионуклиды распадаются, но с разной скоростью: одни за месяцы и годы, другие за столетия (90Sr, 137Cs), а некоторые могут сохранять активность спустя и тысячелетия (Am и Pu), и это нужно учитывать ещё на стадии первичной сортировки;
– при монотонном естественном снижении суммарной активности РАО происходит увеличение их массы, так называемое «разубоживание»: на каждом этапе обращения с РАО становятся радиоактивными инструменты, оборудование и реагенты, применяемые в работе, при этом образуются вторичные твёрдые (ТРО) и жидкие (ЖРО) отходы, их масса и объём значительно больше первоначальных. В МАГАТЭ сформулированы требования по обращению с долгоживущими РАО, к которым во многих странах относят и ОЯТ. В статье «Подход МАГАТЭ к захоронению радиоактивных отходов» [2] Ж. Бруно и М. Вестерлинд (МАГАТЭ, секция отходов и экологической безопасности) пишут:
«Обращение с РАО должно осуществляться таким образом, чтобы предотвращалось возложение чрезмерного бремени на будущие поколения… Концепция захоронения предполагает размещение РАО в специальных объектах без последующего извлечения… Объекты захоронения должны обеспечивать локализацию отходов пассивными средствами (при помощи естественных и инженерных барьеров) и их изоляцию от биосферы на весь период, в течение которого они будут представлять опасность».
Для ОЯТ и долгоживущих высокоактивных отходов (ВАО) это миллион лет. Трудно, практически невозможно обосновать такую долговременную безопасность, убедить население и специалистов! По этой причине, по-видимому, и застрял в США проект полигона для глубокого захоронения отработанного ядерного топлива Юкка Маунтин.
Почему-то даже не предполагается, что уже ближайшие поколения смогут разработать более совершенные технологии, и то, что мы сейчас считаем отходами, для них станет ценным сырьем, особенно в условиях истощения рудных месторождений.
Еще недавно на горнообогатительных комбинатах выбирали из руды всего несколько элементов до определенной концентрации, которая определялась экономической эффективностью, а все остальное шло в гигантские горы отвалов. А сейчас эти отвалы используют как крупные месторождения и по новым технологиям из них стало выгодно извлекать множество различных элементов, и это не предел.
Во Франции, стране с передовой ядерной отраслью, обогащают уран, снижая содержание 235U в исходном сырье с 0,71 до 0,24%. Снижать сильнее им экономически не выгодно. Обедненный продукт везут в Россию, где концентрацию 235U снижают еще более чем в два раза, и это нам экономически выгодно. Несомненно, что наши потомки и остаточный продукт смогут использовать в реакторах следующих поколений.
В Голландии после многолетних дебатов было выбрано контролируемое долговременное (не менее 100 лет) хранение РАО и ОЯТ в наземных хранилищах, несмотря на то, что в стране имеются толстые пласты каменной соли, которая считается стабильной и надежной средой для долговременной изоляции отходов. Но население больше доверяет физическому контролю, осуществляемому сегодняшним обществом, чем расчетам долгосрочного риска, даже в тех случаях, когда риск ничтожно мал.
Они считают, что за сто лет произойдет существенный спад радиоактивности, в том числе до безопасного уровня для значительной части отходов, появятся новые технологии для обращения с РАО. Поэтому в начале 1990-х годов было создано предприятие COVRA для обработки РАО и их долговременного хранения в двух часах езды от Гааги [3]. Для хранения высокоактивных отходов и ОЯТ построено отдельное здание из особо прочного железобетона толщиной 1,7 м. Дальнейшую их судьбу через 100 лет решат потомки.
В начале эры мирного атома все страны использовали открытый ядерный топливный цикл, размещая ОЯТ в специальных хранилищах. Позже во Франции и Великобритании начали перерабатывать ОЯТ, в том числе и для некоторых других стран. Но широкого распространения эта технология не получила…
Основная и наиболее опасная часть РАО, содержащаяся первоначально в ОЯТ,– это осколки деления, представляющие почти всю таблицу Менделеева, а также наработанные в реакторах долгоживущие трансурановые элементы 237Np, 240Pu, 241Am и др.
В составе ОЯТ их немного: порядка 5%. Основную массу ОЯТ составляют 238U (более 90%), несгоревший 235U и наработанный 239Pu. Во многих странах ОЯТ относят к РАО и планируют захоранивать его отдельно в условиях, обеспечивающих его сохранность и недоступность для несанкционированного вторжения в течение многих тысячелетий.
Это очень дорого сейчас и создаст огромные трудности для наших потомков, если они захотят достать это топливо.
Есть две причины для такого решения.
Во-первых, это страх, что при переработке ОЯТ некоторые страны, не имеющие ядерного оружия, или террористы, смогут скрытно похищать 235U или 239Pu для изготовления атомных бомб. Именно поэтому в 1978 г. Президентом США Джимми Картером было принято решение отказаться от переработки ОЯТ и свернуть работы по быстрым реакторам-бридерам. В США была разработана программа создания хранилища для ОЯТ, не реализованная до сих пор.
Вторая причина экономическая: при низких ценах на природный уран и его избытке стоимость 235U и 239Pu, извлекаемых из ОЯТ для повторного использования, значительно ниже затрат на переработку ОЯТ и обращение с образующимися РАО.
Россия приняла концепцию замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) с переработкой ОЯТ и использованием оставшегося урана и наработанных делящихся элементов, что особенно важно при использовании реакторов на быстрых нейтронах. Эта концепция успешно реализована на заводе РТ-1, построенном на комбинате «МАЯК».
За прошедшие годы были усовершенствованы технологии, что позволило значительно снизить стоимость переработки ОЯТ.
Кроме того, специалисты комбината с участием академика Б.Ф. Мясоедова [4] выполнили исследования по анализу состава ценных компонентов в продуктах деления (ПД), возможностей их выделения и использования.
Наибольший вклад в смесь ПД вносят редкоземельные элементы (РЗЭ)-25%, платиноиды-16%, цирконий-15%, молибден-12%. В последние годы значительно возросло потребление РЗЭ и платиноидов, поднялись цены на них, что увеличивает экономическую эффективность переработки ОЯТ.
Например, из 1 т ОЯТ можно извлечь до 2 кг рутения, до 1,3 кг палладия и до 0,5 кг родия, поэтому ОЯТ можно рассматривать как полиметаллическую руду с содержанием платиноидов почти в 0,5%, что выше, чем в природном сырье. Стоимость выделения палладия из ОЯТ сопоставима со стоимостью регенерированного урана (~50 тыс. руб./кг), что намного меньше стоимости природного палладия (~750 тыс. руб./кг).
А сейчас металлы платиновой группы остекловывают в ВАО.
Как отмечают авторы [4], использовать в ядерной медицине, технике и сельском хозяйстве можно целый ряд радиоактивных изотопов из ПД, в том числе и те, которые сейчас нарабатывают в исследовательских реакторах.
Еще эффективнее переработка ОЯТ быстрых реакторов в связи с большим начальным обогащением топлива и более высоким выгоранием.
Топливо быстрого реактора БОР-60 перерабатывали с использованием газофторидной технологии в НИИАР на установке ФРЕГАТ, отработка этой технологии проводилась также в радиохимическом корпусе ВНИИХТ [5, 6].
Эксперименты показали, что после фторирования ОЯТ реактора БОР-60 и последующих стадий фторирования полученных твердых отходов (огарков) образуются вторичные огарки с содержанием благородных металлов (рутения, родия, палладия и серебра) 29,7%, редкоземельных металлов – 32%, цезия – 23%, при этом содержание в них урана не превышало 0,05%.
Как отмечено в [4], дополнительный экономический эффект от выделения из ОЯТ ценных компонентов возникает и на стадии отверждения и захоронения ВАО. После выделения плохосовместимых со стеклом (платиноиды, технеций) и части тепловыделяющих (137Cs) компонентов количество остеклованных ВАО можно значительно уменьшить, а объем промежуточного хранилища (выдержка ВАО для уменьшения тепловыделения) существенно сокращается.
Поэтому важнейшей задачей становится совершенствование разработанных в СССР, но не доведенных до промышленного применения инновационных технологий переработки ОЯТ и РАО с выделением и использованием ценных компонентов. Это особенно важно сейчас в связи с ожидаемым существенным ростом т.н. «цифровой экономики», увеличением числа электромобилей, что потребует значительного роста выработки электроэнергии, в том числе и на АЭС.
Поскольку сейчас используются два различных ядерных топливных цикла, необходимо в единой манере сравнить итоговые затраты в пересчете на МВт*ч выработанной электроэнергии для открытого и замкнутого ядерного топливного цикла.
При проведении этих оценок необходимо также сравнивать обе технологии на возможность контролировать и предотвращать несанкционированные изъятия ядерных материалов на всех стадиях жизненного цикла, т.е. сравнивать степень их соответствия международным требованиям обеспечения принципа нераспространения ядерных материалов, что особенно важно для энергетики, включающей быстрые реакторы.
Для открытого цикла необходимо корректно учесть затраты на длительное хранение ОЯТ, которое его сторонники относят к РАО, а также на закрытие выработанных урановых рудников и реабилитацию огромных отвалов, образовавшихся при переработке урановой руды и представляющих не только радиационную, но и химическую опасность для населения и окружающей среды.
Для замкнутого топливного цикла необходимо оценить стоимость переработки ОЯТ с учетом различия состава продуктов деления и нарабатываемых актинидов в открытом и замкнутом циклах, а также дополнительными операциями по извлечению ценных продуктов и затратами на хранение остающихся РАО.
Очевидно, что объем этих РАО будет значительно меньше объемов ОЯТ, направляемых на длительное хранение в открытом цикле.
Успех этого направления не только повысил бы экономическую эффективность ЗЯТЦ и позволил бы значительно сократить, а затем, возможно, и прекратить добычу природного урана и использовать огромные запасы накопленного ОЯТ для фабрикации новых типов топлива, но и помог бы изменить в лучшую сторону отношение экологической общественности и властей многих государств к обращению с ОЯТ. Эти предложения вполне согласуются со стратегией развития ядерной энергетики России, облегчая условия для радиационно эквивалентного захоронения РАО [7].
Мы видим, как быстро сейчас развиваются наука и технологии, за десятилетия изменяя наши представления о возможном. Поэтому, предположив, что уже до конца этого века наши потомки намного превзойдут нас в ядерных технологиях, создадут новые типы реакторов и используют трансмутацию долгоживущих радионуклидов, можно предложить новый подход к обращению с РАО и ОЯТ, существенно снижающий наши сегодняшние затраты и не затрудняющий будущие поколения.
1. Применяя существующие и разрабатываемые технологии по обращению с ОЯТ и РАО, необходимо все, что возможно, использовать, остальное дезактивировать, применяя, например, автоматизированный промышленный комплекс, представленный в [8], переработать и рассортировать отходы по категориям, максимально компактировать и упаковать в контейнеры, способные обеспечить их сохранность не менее 100 лет.
2. Создать объекты для долговременного (порядка 100 лет) хранения этих отходов. Можно строить их на поверхности, как это сделали мы с немцами в губе Сайда или голландцы у себя, но для наиболее радиационно опасной их части лучше расположить их на небольших глубинах на специально выбранных площадках, чтобы до них не смог добраться террорист, а нашим потомкам не пришлось бы прогрызать в прочных гранитах тоннели к капсулам, захороненным на 500 м или еще больших глубинах. Конечно, сказанное выше не исключает строительства отдельных глубинных захоронений РАО (типа подземной исследовательской лаборатории – ПИЛ), когда в этом возникает необходимость, в том числе для научных целей.
3. Документация с подробным описанием где, что и как хранится, должна надежно сохраняться и быть доступной для специалистов не только в далеком будущем. Ревизию наших решений потомки смогут проводить, если потребуется, не дожидаясь конца века.
Историко-научный анализ показывает, что изложенные выше представления о необходимости перехода к другой концепции обращения с РАО («взгляду с другой стороны») имеют под собой прочный научный фундамент в разработанной В.И. Вернадским, П. Тейяром и Э. Леруа биосферно-ноосферной концепции и её содержательной части о геохимическом воздействии человека на природу и окружающую человека среду [9-11].
В первые тысячелетия развития человеческой культуры, по мнению Вернадского, влияние культурного человечества на окружающую природу было ничтожным. И только после появления тех человеческих цивилизаций (не более 15-20 тысяч лет тому назад), которые занялись земледелием, влияние человека на природу непрерывно увеличивалось. В XX– XXI вв. темп воздействия человека на биосферу с каждой исторической эпохой еще более ускоряется, и к началу второго тысячелетия, когда в практическое применение вовлекаются все химические элементы таблицы Менделеева и многие стабильные и радиоактивные изотопы, достигает опасной величины.
Переход на новую парадигму: долговременное (порядка 100 лет) хранение РАО (и ОЯТ, если его относят к отходам) позволит за счет отказа от ряда дорогих проектов быстрее привести в порядок существующие хранилища РАО и ускорить дезактивацию и рекультивацию загрязненных зданий и территорий, чтобы мы могли жить лучше и безопаснее здесь и сейчас.
Наши современники скажут за это спасибо, потомки тоже будут довольны, что мы передаем им наше «ядерное наследие» в удобном для дальнейшего использования виде. Оставляем им не могильники, а «кладовые природы», куда они, имея ключи, смогут войти и взять то, что им будет нужно.
Авторы искренне благодарят академика Б.Ф. Мясоедова за поддержку этой работы и ценные замечания и советы.
Альберт Петрович Васильев, Общественный совет Госкорпорации «Росатом»
Анатолий Георгиевич Назаров, Экологический центр института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН
Литература:
1. Федеральный закон от 11 июля 2011 г. №190 –ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Ж. Бруно и М. Вестерлинд, «Безопасность ядерных технологий и окружающей среды», №3, 2012, с.24-28.
3. H.D.K. Codee “Controlled containment, radioactive waste management in the Netherlands”. Proceedings WM02, February 23-28, 2002, Tucson, Arizona, USA.
4. Г.Ш. Баторшин, С.П. Кириллов, Б.Ф. Мясоедов и др. «Комплексное выделение ценных компонентов из техногенных радиоактивных отходов как вариант создания рентабельного ЗЯТЦ», Вопросы радиационной безопасности-2015, №3, с.30-36.
5. И.К. Кикоин, В.А. Цыканов, А.П. Кириллович и др. «Опытная регенерация облученного уранового топлива реактора БОР-60 фторидным способом». Препринт НИИАР-П-18 (284), Димитровград, 1976.
6. Шаталов В.В., Серегин М.Б., Харин В.Ф. и др. «Газофторидная технология переработки отработанного оксидного топлива». Атомная энергия, 2002, т.90, вып. 3, с. 212-222.
7. Адамов Е.О., Джалавян А.В., Лопаткин А.В. и др. «Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в перспективе до 2100 г.», Атомная энергия, 2012, т.112, вып. 6, с. 319-331.
8. Н.М. Лебедев, А.П. Васильев и В.А. Доильницын «Универсальный промышленный комплекс для дезактивации МРАО с использованием УЗ и ЭХ». Доклад на МНТК-2016, НИКИЭТ, 27-31 сентября 2016, в сборнике трудов, изданном в электронном виде.
9. В.И. Вернадский «Биосфера. – Л.: Науч. хим.-тех. изд-во, 1926 (Избр. соч. Т. V. С. 7-102. Биосфера. Мысли и наброски. 2001. 244 с.).
10. Тейяр де Шарден П. «Феномен человека / Предисловие и комментарии Б.А. Старостина». Перев. с франц. Н.А. Садовского. – М.: Наука, 1987. – 240 с.
11. А.Г. Назаров «Вернадский и ноосферная реальность (к анализу научных оснований ноосферной концепции)». Научное наследие В.И. Вернадского в контексте глобальных проблем цивилизации. – М.: Ноосфера, 2001. – С. 29–50. См. также «Топливный цикл замкнется на политиках» в «Страна РОСАТОМ» с.16-17, №20, июнь 2018. Константин Кобяков.