На фоне глобального роста производства ядерной энергии остро встает вопрос утилизации радиоактивных отходов, требующий незамедлительного решения. Ключевая проблема заключается в поиске места для безопасного хранения материалов, остающихся опасными на протяжении тысяч лет, пишет BBC Science Focus Magazine.
Представьте себе вход на заброшенный объект, охраняемый людьми в форме с оружием. Впереди простирается пустынный ландшафт с безжизненными металлическими конструкциями, недействующими трубами и оставленным оборудованием. Вы медленно продвигаетесь к руинам большого полуразрушенного здания из красного кирпича. Передвижение затрудняют белый защитный костюм и тяжелые ботинки со стальными носками. Руки защищены двойным слоем перчаток, лицо – респиратором с фильтром твердых частиц. Ни один сантиметр кожи не остается открытым. Луч налобного фонаря выхватывает из мрака ржавые станки и чаны. На стене рядом желтый предупреждающий знак с черным кругом и тремя лопастями напоминает о скрытой внутри угрозе. Единственные звуки – ваше собственное дыхание под маской и треск счетчика Гейгера.
Именно так выглядит посещение Приднепровского химического завода для исследователей в области ядерной энергетики, включая Тома Скотта, профессора материаловедения Бристольского университета и главу Сети снижения ядерной угрозы при правительстве Великобритании. Когда-то Приднепровский завод на окраине Каменского в центральной Украине был крупным советским предприятием по переработке материалов и химикатов. С 1948 по 1991 год здесь перерабатывали урановую и ториевую руду в концентрат, в результате чего образовались десятки миллионов тонн низкоактивных радиоактивных отходов. После распада Советского Союза завод был заброшен и пришел в упадок.
Скотт говорит, что здания производят удручающее впечатление и не подходят для слабонервных. Помимо физических опасностей, таких как зияющие дыры в полу, здесь нет света и электричества. И, конечно, существуют радиологические риски. До недавнего времени украинское правительство не имело полного представления о том, что происходило на объекте, поэтому существовали опасения по поводу высоких уровней радиации и загрязнения почвы.
Когда уровни радиации считаются слишком высокими для человека, Скотт отправляет на разведку роботов. На Приднепровском заводе это был робот-собака по кличке Spot, разработанный компанией Boston Dynamics. Spot, оснащенный датчиками радиации, был «обут» в резиновые носки – похожие на те, что используют в бассейне для предотвращения распространения бородавок, но в данном случае они служили для защиты от налипания радиоактивных частиц на его «лапы». После активации Spot отправился исследовать здание, используя систему лидара для создания трехмерного изображения окружающей среды и определения очагов радиоактивности.
Скотт и его команда известны как промышленные ядерные археологи. Они занимаются поиском, характеристикой и количественной оценкой «исторических» радиоактивных отходов на объектах по всему миру. Он поясняет, что высокоактивные радиоактивные отходы испускают значительное количество радиации, достаточное, чтобы вызвать заболевание у людей при слишком близком контакте. Некоторые из этих отходов будут опасно радиоактивными в течение очень длительных периодов времени, что означает необходимость их физической изоляции от людей и окружающей среды для предотвращения вреда.
Однако обнаружение таких исторических отходов, накапливавшихся с 1940-х годов, – это лишь часть проблемы. После обнаружения их необходимо изолировать и хранить достаточно долго, чтобы они перестали представлять угрозу. И это непростая задача. Скотт отмечает, что в настоящее время высокоактивные отходы хранятся на поверхности в безопасных, экранированных хранилищах. Такие сооружения требуют периодической замены, поскольку здания и бетонные конструкции не могут служить вечно.
Безопасное хранение уже существующих ядерных отходов – это только начало проблемы. Поскольку мир отказывается от ископаемого топлива в пользу низкоуглеродных альтернатив, производство ядерной энергии будет расти, а значит, будет производиться больше отходов – значительно больше. В настоящее время атомная энергетика обеспечивает примерно девять процентов мирового производства электроэнергии на около 440 действующих реакторах. Однако прогнозируется, что к 2125 году только в Великобритании объем упакованных радиоактивных отходов достигнет 4,77 миллиона кубических метров. Этого достаточно, чтобы заполнить 1900 олимпийских бассейнов. Следовательно, мир остро нуждается в большем количестве безопасных хранилищ как для исторических, так и для новых ядерных отходов, и нуждается в них быстро.
В Великобритании большая часть ядерных отходов в настоящее время отправляется в Селлафилд, обширный комплекс в графстве Камбрия на северо-западе Англии. На объекте работает около 11 000 сотрудников, имеется собственная дорожная и железнодорожная сеть, специальная прачечная для загрязненной одежды и собственная вооруженная полиция (Гражданская ядерная полиция). Селлафилд перерабатывает и хранит больше радиоактивных отходов, чем любое другое место в мире. Однако ожидается поступление еще более опасных материалов, значительная часть которых будет поступать с новой АЭС, строящейся в Хинкли-Пойнт в Сомерсете. Чтобы справиться с этим потоком, эксперты ищут другие, гораздо более необычные решения по утилизации.
Это вызов для ядерных агентств по всему миру. Были выдвинуты самые разные предложения, включая такие странные идеи, как запуск ядерных отходов в космос. (Потенциальный риск аварии при запуске, которая могла бы привести к выпадению радиоактивных осадков на планету, заставил сторонников этой идеи замолчать.) На данный момент наиболее реальным решением является размещение отходов в специальных контейнерах и их хранение на глубине 200–1000 метров под землей в пунктах глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО). В конечном итоге эти ПГЗРО будут закрыты и запечатаны, чтобы избежать любого вмешательства человека. Эти «ядерные гробницы» считаются самым безопасным и надежным вариантом для долгосрочного хранения, минимизирующим бремя для будущих поколений.
Доктор Роберт Уинсли, руководитель проектного органа в Службе по обращению с ядерными отходами Великобритании, говорит, что около 90 процентов объема исторических отходов в Великобритании можно утилизировать в поверхностных хранилищах, но для оставшихся 10 процентов в настоящее время нет подходящего объекта. Решение, признанное на международном уровне, – это ПГЗРО. Он добавляет, что, по оценкам, около 90 процентов радиоактивных материалов в их инвентаре распадутся примерно в течение первой тысячи лет. Но часть этого инвентаря останется опасной гораздо дольше – десятки тысяч, даже сотни тысяч лет. ПГЗРО используют инженерные барьеры в сочетании с естественным барьером из стабильной породы. Этот многобарьерный подход изолирует и удерживает отходы, гарантируя, что радиоактивность никогда не вернется на поверхность в опасных для жизни концентрациях.
Но как удержать эту радиоактивность под землей? Радиоактивные отходы обычно классифицируются как низко-, средне- или высокоактивные. Перед захоронением глубоко под землей высокоактивные отходы переводят в стекловидное состояние (процесс, известный как витрификация), а затем упаковывают в металлические контейнеры из меди или углеродистой стали. Среднеактивные отходы обычно упаковывают в контейнеры из нержавеющей стали или бетона, которые затем помещают в стабильную породу и окружают глиной, цементом или щебнем. Однако этот процесс еще не окончательно утвержден. Рассматриваются и другие материалы для контейнеров, такие как сплавы на основе титана и никеля, из-за их устойчивости к коррозии. Тем временем ученые в Канаде разработали сверхтонкое медное покрытие, которое позволит производить контейнеры, занимающие меньше места, но обеспечивающие тот же уровень защиты.
Также ведется поиск мест с коренными породами, способными выдерживать такие события, как войны и стихийные бедствия (в геологическом масштабе – «краткосрочные вызовы»). Нужны участки, которые не претерпят значительных изменений в течение тысячелетий, необходимых для того, чтобы ядерные отходы перестали представлять опасность. Стюарт Хазелдайн, профессор улавливания и хранения углерода в Эдинбургском университете, говорит, что заблуждением является поиск среды, которая не меняется, поскольку планета меняется, хотя и очень медленно. Он подчеркивает, что наше поколение должно найти способ захоронить отходы очень глубоко, чтобы избежать радиоактивного загрязнения или облучения людей и животных на протяжении до миллиона лет в будущем.
Для достижения этой цели площадка в идеале должна находиться ниже уровня моря. Если она находится выше уровня моря, дождевая вода, просачиваясь через трещины в породе вокруг объекта, может стать радиоактивной и в конечном итоге попасть в море. Когда эта радиоактивная пресная вода встретится с более плотной соленой водой, она поднимется вверх, создавая риск для всего живого в воде. Еще одна проблема – прогнозирование будущих оледенений, которые случаются примерно раз в 100 000 лет. В такой период ледники, подобные тем, что сформировали долины в современном ландшафте, могут образоваться снова, прорезая новые впадины в коренной породе, что может нарушить целостность подземного хранилища. Хазелдайн утверждает, что точные и надежные прогнозы на будущее зависят от того, насколько хорошо мы понимаем прошлое. Обычно оценки безопасности хранилищ охватывают период в один миллион лет, и нормативные требования предписывают, чтобы площадка ПГЗРО вызывала менее одной смерти человека на миллион в течение следующего миллиона лет. Поиск направлен не на единственное лучшее место для хранения радиоактивных отходов, а на достаточно хорошее, чтобы соответствовать этим требованиям.
В 2002 году США одобрили строительство ядерной гробницы в потухшем супервулкане на горе Юкка в Неваде, примерно в 160 км к северо-западу от Лас-Вегаса. Исследования оценили шансы будущего извержения вулкана, которое могло бы нарушить предполагаемое хранилище, как один к 63 миллионам в год. Таким образом, не потенциал радиоактивного извержения вулкана помешал строительству объекта. Вместо этого противники выразили обеспокоенность тем, что он находится слишком близко к линии разлома, и в 2011 году Конгресс США прекратил финансирование проекта. С тех пор отходы со всех атомных электростанций США накапливаются в стальных и бетонных контейнерах на поверхности на 93 площадках по всей стране.
Однако другие проекты оказались более успешными. Уже в этом году началось строительство ядерной гробницы в Швеции, которая, как ожидается, будет готова в 2030-х годах. Также в этом году может открыться первая в мире гробница – на объекте в Финляндии под названием Onkalo (по-фински «пещера» или «полость»). Хазелдайн поясняет, что, хотя в Onkalo много трещиноватой породы, геологи тщательно обследовали местность, чтобы определить потоки воды. При незначительном рельефе местности нет силы, которая бы выталкивала воду глубоко под землю, и поэтому слои воды не перемещались сотни тысяч лет. В январе 2025 года правительство Великобритании объявило о планах окончательного захоронения 140 тонн радиоактивного плутония, который в настоящее время хранится в Селлафилде. В заявлении министр энергетики Майкл Шенкс упомянул планы поместить его «вне досягаемости», глубоко под землей. В настоящее время Служба по обращению с ядерными отходами изучает три потенциальных площадки в Англии и Уэльсе, а один из аспирантов Хазелдайна независимо исследует четвертую площадку у побережья Камбрии. Морская площадка кажется гидрогеологически стабильной (даже в масштабах ледниковых периодов), но ее сооружение будет дорогостоящим и сложным. Уинсли говорит, что в настоящее время около 75 процентов ядерных отходов Великобритании уже хранятся на 20 объектах. Люди удивляются, узнав, что, где бы вы ни находились в Великобритании, вы никогда не бываете далеко от самых опасных радиоактивных отходов. Их миссия – сделать эти отходы навсегда безопасными, и как можно скорее.
Хотя строительство проходческих туннелей для ядерных гробниц обходится дорого, объем отходов, нуждающихся в захоронении, на самом деле довольно мал. В связи с этим рассматривается новый подход «глубокой изоляции», который адаптирует технологию направленного бурения, используемую для доступа к запасам нефти и газа. По сути, он включает бурение горизонтальных скважин в слое глинистых пород, которые могут поглощать некоторые радиоактивные утечки и самозалечиваться при образовании трещин. В эти скважины будут помещаться контейнеры с отработавшими топливными стержнями ядерных реакторов. Это потенциально более простое решение, не требующее проходки целой сети больших туннелей и камер через различные слои породы глубоко под землей. Стоимость подхода глубокой изоляции составляет менее трети стоимости строительства ядерной гробницы и требует меньших площадок, но извлечь контейнеры в случае проблем сложнее. Тем не менее, это жизнеспособный вариант для стран с меньшими ядерными программами, и ожидается, что второй прототип пройдет полевые испытания на демонстрационной площадке глубокого бурения в Великобритании в начале 2025 года.
При упоминании радиоактивных отходов часто представляются светящиеся стержни или бочки с зеленой жижей, покрытые предупреждающими знаками. На самом деле, оксид плутония (побочный продукт работы ядерных реакторов) хранится в виде порошка, цвет которого зависит от химического состава. Но исследователи ищут способы изменить его химическую и физическую форму, чтобы подготовить к долговременному захоронению. В Университете Шеффилда доктор Льюис Блэкберн и его команда разрабатывают специальные керамические материалы для улавливания плутония. Замена атомов в плотно упорядоченной структуре керамики атомами плутония «запирает» радиоактивные частицы внутри. Это можно сравнить с сеткой-рабицей из прочной, плотно сплетенной металлической проволоки: исследователи пытаются заменить часть этой «проволоки» опасными радиоактивными частицами, чтобы запереть их внутри все еще прочной структуры. Ученые пытаются создать синтетические версии древних природных минералов для использования в качестве «проволоки» в этих керамических тюрьмах – минералов, таких как цирконолит и пирохлор, оставшихся со времен формирования Земли. Миллиарды лет эти минералы подвергались воздействию окружающей среды, естественному выветриванию, воздействию воды, микробной активности и перепадам температур – поэтому исследователи знают, что они сделаны из прочного материала. Чтобы проверить, так ли долговечны и устойчивы к коррозии их синтетические версии, ученые часами облучают их высокоэнергетическими ионными пучками (имитируя радиационное повреждение), одновременно подвергая воздействию слабой кислоты. Блэкберн говорит, что эти тесты создают картину того, как, по их мнению, эти материалы будут вести себя в очень длительной временной перспективе. Период полураспада плутония-239 составляет около 24 100 лет, но требование состоит в том, чтобы керамика сохраняла свое состояние до миллиона лет. По сути, они пытаются разработать материалы, которые прослужат вечно. Блэкберн не думает, что люди будут существовать через миллион лет, поэтому работа, которую они делают, должна пережить человечество.
Но даже после того, как найдено подходящее место и радиоактивный материал безопасно захоронен внутри, все еще необходимо предупредить будущие поколения о том, что скрыто внутри. Проблема в том, что даже если люди все еще будут существовать через миллион лет, нет гарантии, что языки, на которых будут говорить наши предки, или символы, которые они будут использовать, будут хоть сколько-нибудь похожи на сегодняшние. В Японии 1000-летние «камни цунами», предупреждавшие будущие поколения искать возвышенности после землетрясений, не смогли предотвратить строительство на уязвимых участках. Даже символ радиации, который мы используем сегодня (черный круг с тремя лопастями на желтом фоне), не является общепризнанным. Исследование Международного агентства по атомной энергии показало, что только шесть процентов населения мира знают, что он означает. Вот почему ученые сотрудничают со всеми, от художников до антропологов, от библиотекарей до лингвистов, от скульпторов до писателей-фантастов, чтобы придумать другие способы предупреждения будущих поколений о ядерных гробницах.
До того, как планы по строительству объекта на горе Юкка были отменены, предложения включали библиотеки, капсулы времени и физические маркеры, в том числе шипы в земле. Для Onkalo, помимо шипов, группа экспертов предложила огромную плиту из черного гранита, которая будет нагреваться солнцем до невыносимо высоких температур. Более диковинные идеи включали предложение лингвиста Томаса Себеока о создании «атомного жречества», которое передавало бы ядерный фольклор из поколения в поколение (подобно тому, как духовенство тысячелетиями передает догматы своих религий). Но зачем полагаться на людей? Была также выдвинута идея так называемых «лучевых кошек» – генетически модифицированных существ, которые каким-то образом меняли бы цвет (или светились, если бы можно было использовать биолюминесценцию) при воздействии радиации. Возможно, это не так страшно, как, скажем, огнедышащий дракон, но если бы светящаяся кошка пересекла путь вашим потомкам, это, вероятно, заставило бы их дважды подумать, прежде чем двигаться дальше.
Постдокторант Томас Китинг из Линчёпингского университета в Швеции говорит, что некоторые эксперты считают, что самое безопасное, что мы можем сделать, – это вообще забыть о существовании хранилищ и не оставлять никаких маркеров, которые могли бы привлечь заинтригованных «охотников за сокровищами». Он отмечает, что до сих пор все попытки предостеречь людей от проникновения в гробницы терпели неудачу. Древнеегипетские гробницы – один из примеров того, как сообщения об опасности были умышленно или случайно проигнорированы последующими поколениями. Передача памяти о ядерных хранилищах – уникальная проблема, никому еще не удавалось ничего подобного.
В то время как некоторые поддерживают это активное забвение будущих ядерных гробниц, исследователи, такие как Скотт, все еще пытаются заставить всех вспомнить о ядерных объектах, о которых мы уже забыли. Это похоже на игру в ядерные «прятки», но ставки высоки, и права на ошибку нет. Вспоминая свое время на Приднепровском химическом заводе в Каменском, Скотт вспоминает завершение охоты за радиоактивными отходами. Робот-собака Spot вернулся из своего рейда во тьме, и его резиновые носки нужно было снять – осторожно – и безопасно утилизировать. Как и растущие мировые запасы ядерных отходов, им срочно нужен был дом. В настоящее время ядерные гробницы – наш лучший вариант, но это бремя, которое человечество должно нести тысячи лет, долгое время после того, как выгоды, полученные от ядерных технологий, исчезнут. Личное мнение Скотта заключается в том, что он не думает, что мы должны позволить будущим поколениям забыть о пункте глубинного захоронения. Материал опасен и в долгосрочной перспективе потенциально ценен. Людям нужно напоминать о его присутствии.