Атомная энергетика

13

Атомная энергетика.

Проблемы радиационной опасности и захоронения радиоактивных источников

Один из наиболее обсуждаемых сегодня источников радиационного
излучения является атомная энергетика. На самом деле, при нормальной работе ядерных установок ущерб от них незначительный. Дело в том, что процесс производства энергии из ядерного топлива сложен и проходит в несколько стадий. Ядерный топливный цикл начинается с добычи и обогащения урановой руды, затем производится само ядерное топливо, а после отработки топлива на АЭС иногда возможно вторичное его использование через извлечение из него урана и плутония. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронение радиоактивных отходов. На каждом этапе происходит выделение в окружающую среду радиоактивных
веществ, причем их объем может сильно варьироваться в зависимости от
конструкции реактора и других условий.

В мире на данный момент насчитывается около 440 реакторов, которые расположены более чем в 30 странах. В частности, в России действует 31 энергоблок на 10 АЭС. К странам, где атомная энергетика стала важным (а то и основным) источником энергоснабжения, относится большинство развитых государств. В Китае на АЭС приходится 2,3% всей производимой электроэнергии, в США – 20%, в России – 16% (на Северо-западе страны – до 40% всего энергобаланса региона), во Франции – 78%.

Чернобыльская катастрофа 1986 года подтолкнула многие страны к сворачиванию проектов в области атомной энергетики, а то и полному отказу от нее. Европейское движение «зеленых», благодаря серьезной общественной популярности, тормозит развитие отрасли в большинстве стран ЕС, и вынуждают вступающие в Евросоюз государства закрывать свои атомные предприятия.

Тем не менее, в последние годы отношение к атомной энергетике меняется. Во-первых, по мере развития технологий она становится более безопасной. Во-вторых, атомная энергетика при нормальной эксплуатации отвечает нормативным требованиям по охране окружающей среды и по всем значимым показателям имеет преимущества по сравнению с энергетикой на органическом топливе. В районах размещения АЭС радиационный фон не превышает естественных значений. Последние исследования показывают, что экономический ущерб от ядерного топливного цикла сопоставим с ущербом от топливного цикла электростанций на природном газе и существенно ниже, чем на угле и мазуте.

По оценке МАГАТЭ, закрытие всех существующих ныне АЭС и замещение тепловыми электростанциями привело бы к дополнительным выбросам в атмосферу 600 млн тонн углекислого газа в год.

Вступивший в силу Киотский протокол (международный документ, принятый в Киото в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата), лимитируя выброс в атмосферу углекислого газа, фактически ставит ограничения на сжигание углеводородного топлива.

Наконец, третий и, возможно, самый весомый аргумент в пользу развития атомной энергетики — чисто экономический.

Пусть стоимость строительства АЭС (до миллиарда долларов) для многих стран неподъемна, но строят их, как правило, в кредит, а эксплуатация реакторов оказывается гораздо выгоднее, чем сжигание мазута и газа на ТЭЦ. Сейчас, по мере удорожания нефти, эта разница становится все более ощутимой. Подсчитано, что если цена ядерного топлива вырастет в 2 раза, то стоимость электричества, вырабатываемого на АЭС, увеличится всего на 2-4%. А вот если удвоится цена природного газа или нефти, то цена «теплового» электричества вырастет на 70%.

При этом 90% мировой добычи урана приходится сейчас на 7 стран. Самые большие разведанные его запасы — в Канаде и Австралии, затем идут Казахстан, Нигер и Россия. В то же время Российская Федерация является мировым лидером по экспорту ядерного топлива (ее доля на мировом рынке составляет 40%).

По оценке МАГАТЭ, доля атомной энергетики в энергетике будет неуклонно возрастать: к 2030 году она должна составить уже не меньше 25%. В настоящее время на АЭС делает ставку бурно развивающаяся Азия: из 31 реактора, введенного в строй в мире в последние годы, 22 построено в Азии. Там же находятся 18 из 27 реакторов, сооружаемых в настоящее время. В числе последних — реакторы Бушерской АЭС в Иране. Тем временем Пекин обнародовал планы строительства в стране 40 энергоблоков в течение 15 лет.

В мире существует несколько принципиально разных конструкций атомных энергетических реакторов. Подавляющее большинство из них составляют реакторы на медленных (тепловых) нейтронах. Главные различия между принципиальными схемами таких реакторов определяются веществами, использующимися в качестве замедлителя и теплоносителя. Кроме них, существуют реакторы на быстрых нейтронах, в которых осуществляется превращение неделящегося урана-238 в делящийся плутоний-239, что позволяет осуществлять расширенное воспроизводство топлива для «тепловых» реакторов и обеспечить практически неограниченную топливную базу для атомной энергетики.

Сегодня в мировой экономике происходит ренессанс атомной энергетики, связанный с общим пониманием необходимости существенного пересмотра структуры глобального энергетического баланса в сторону уменьшения доли углеводородов. Атомная энергетика, которая характеризуется меньшей топливной составляющей, а, следовательно, большей ценовой стабильностью, чем классические углеводороды, при условии безопасной эксплуатации атомных энергетических объектов может внести существенный вклад в процесс устойчивого экономического развития в мире.

Радиация играет огромную роль в развитии цивилизации на данном
историческом этапе. Благодаря явлению радиоактивности был совершен
существенный прорыв в области медицины и в различных отраслях
промышленности, включая энергетику. Но одновременно с этим стали всё
отчётливее проявляться негативные стороны свойств радиоактивных элементов: выяснилось, что воздействие радиационного излучения на организм может иметь трагические последствия. Подобный факт не мог пройти мимо внимания общественности. И чем больше становилось известно о действии радиации и на человеческий организм и окружающую среду, тем противоречивее становились мнения о том, насколько большую роль должна играть радиация в различных сферах человеческой деятельности. К сожалению, отсутствие достоверной информации вызывает неадекватное
восприятие данной проблемы. Газетные истории о шестиногих ягнятах и
двухголовых младенцах сеют панику в широких кругах. Проблема радиационного загрязнения стала одной из наиболее актуальных. Поэтому необходимо прояснить обстановку и найти верный подход.

Радиоактивность следует рассматривать как неотъемлемую часть нашей жизни, но без знания закономерностей процессов, связанных с радиационным излучением, невозможно реально оценить ситуацию. Для этого создаются специальные международные организации, занимающиеся проблемами радиации, в их числе существующая с конца 1920-х годов Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ), а также созданный в 1955 году в рамках ООН Научный Комитет по действию атомной радиации (НКДАР). В данной работе автор широко использовал данные, изложенные в брошюре «Радиация. Дозы, эффекты, иск», подготовленные на основе материалов исследований комитета.

Воздействие радиации на организм может быть различным, но почти всегда оно негативно. В малых дозах радиационное излучение может стать

катализатором процессов, приводящих к раку или генетическим нарушениям, а в больших дозах часто приводит к полной или частичной гибели организма вследствие разрушения клеток тканей. Сложность в отслеживании последовательности процессов, вызванных облучением, объясняется тем, что после действия облучения, особенно при небольших дозах, могут проявиться не сразу, и зачастую для развития болезни требуются годы или даже десятилетия. Кроме того, вследствие различной проникающей способности разных видов радиоактивных излучений они оказывают неодинаковое воздействие на организм: альфа-частицы наиболее опасны, однако для альфа-излучения даже лист бумаги является непреодолимой преградой; бета-излучение способно проходить в ткани организма на глубину один-два сантиметра; наиболее безобидное гамма-излучение характеризуется наибольшей проникающей способностью: его может задержать лишь толстая плита из материалов, имеющих высокий коэффициент поглощения, например, из бетона или свинца.

Серьезной проблемой является захоронение радиоактивных отходов, которые еще на протяжении тысяч и миллионов лет будут продолжать служить источником загрязнения.

В течение 40 лет учёные сравнивали варианты избавления от РАО. Главная идея – их надо поместить в такое место, чтобы они не могли попасть в окружающую среду и нанести вред человеку. Эту способность вредить РАО сохраняют в течение десятков и сотен тысяч лет. Облучённое ядерное топливо, которое мы извлекаем из реактора, содержит радиоизотопы с периодами полураспада от нескольких часов до миллиона лет (период полураспада – это время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, причём в ряде случаев возникают новые радиоактивные вещества). Но общая радиоактивность отходов значительно снижается со временем. Для радия период полураспада составляет 1620 лет, и нетрудно подсчитать, что через 10 тысяч лет останется около 1/50 первоначального количества радия. Нормативы большинства стран предусматривают обеспечение безопасности отходов на срок 10 тысяч лет. Конечно, это не значит, что по истечении этого времени РАО более не будут опасны: мы попросту перелагаем дальнейшую ответственность за РАО на отдалённое потомство. Для этого надо, чтобы места и форма захоронения этих отходов были известны потомству.

Интересный аспект проблемы состоит в том, что надо не только защищать человека от отходов, но одновременно защищать отходы от человека. За срок, отводимый на их захоронение, сменятся многие социально-экономические формации. Нельзя исключить, что в определённой ситуации РАО могут стать желанным объектом для террористов, мишенями для удара при военном конфликте и т.п.

Понятно, что ни одно техническое решение, ни один искусственный материал не может «работать» в течение тысячелетий. Очевидный вывод: изолировать отходы должна сама природная среда. Рассматривались варианты: захоронить РАО в глубоких океанических впадинах, в донных осадках океанов, в полярных шапках; отправлять их в космос; закладывать их в глубокие слои земной коры. В настоящее время общепринято, что оптимальный путь – захоронение отходов в глубоких геологических формациях.

Понятно, что РАО в твёрдой форме менее склонны к проникновению в окружающую среду (миграции), чем жидкие РАО. Поэтому предполагается, что жидкие РАО будут вначале переводиться в твёрдую форму (превращаться в стекло, керамику и т.п.). Тем не менее, в России всё ещё практикуется закачка жидких высокоактивных РАО в глубокие подземные горизонты (Красноярск, Томск).

В настоящее время принята так называемая «многобарьерная» или  «глубоко эшелонированная» концепция захоронения. Отходы сперва сдерживаются матрицей (стекло, керамика, топливные таблетки), затем многоцелевым контейнером (используемым для транспортировки и для захоронения), затем сорбирующей (поглощающей) отсыпкой вокруг контейнеров и, наконец, геологической средой.

При захоронении РАО в глубоких геологических фракциях, на данном пути могут встать следующие проблемы.

Первые проблемы встречаются на этапе выбора участков для изучения.

В США, например, ни один штат не хочет, чтобы общегосударственное захоронение размещалось на его территории. Это привело к тому, что усилиями политиков многие потенциально подходящие площади были вычеркнуты из списка, причём не на основании научного подхода, а вследствие политических игр.

Как это выглядит в России? В настоящее время в России всё ещё можно изучать площади, не ощущая значительного давления местных властей (если не предполагать при этом захоронение вблизи городов!). И по мере усиления реальной независимости регионов и субъектов Федерации ситуация будет смещаться в сторону ситуации США. Уже сейчас ощущается склонность Минатома переместить свою активность на военные объекты, над которыми практически нет контроля: например, для создания захоронения предполагается архипелаг Новая Земля (российский полигон № 1), хотя по геологическим параметрам это далеко не лучшее место, о чём ещё будет речь дальше.

В годы холодной войны на отходы не обращали внимания; они накапливались, хранились во временных контейнерах, терялись и т.п. Пример – военный объект Хэнфорд (аналог нашего ПО «Маяк»), где находится несколько сот гигантских баков с жидкими отходами, причём для многих из них не известно, что находится внутри. Одна проба стоит 1 миллион долларов! Там же,  в Хэнфорде, примерно раз в месяц обнаруживаются закопанные и «забытые» бочки или ящики с отходами.

              В целом, за годы развития ядерных технологий, отходов скопилось очень много. Временные хранилища на многих атомных станциях близки к заполнению, а на военных комплексах они часто находятся на грани выхода из строя «по старости» или даже за этой гранью.

              Итак, проблема захоронения требует срочного решения. Осознание этой срочности становится всё более острым, тем более что 430 энергетических реакторов, сотни исследовательских реакторов, сотни транспортных реакторов атомных подводных лодок, крейсеров и ледоколов продолжают непрерывно накапливать РАО.

Проблема захоронения технически чрезвычайно сложна. Поэтому очень важно иметь, во-первых, науку высокого качества, а во-вторых, эффективное взаимодействие между наукой и политиками, принимающими решения.

Российская концепция подземной изоляции РАО и отработанного ядерного топлива в многолетнемёрзлых породах разработана в Институте промышленной технологии Минатома России (ВНИПИП). Она была одобрена Государственной экологической экспертизой Министерства экологии и природных ресурсов РФ, Минздравом РФ и Госатомнадзором РФ. Научная поддержка концепции проводится кафедрой мерзлотоведения Московского государственного университета. Следует заметить, что эта концепция уникальна. Ни в одной стране мира вопрос о захоронении РАО в мерзлоте не рассматривается.

Основная идея такова. Тепловыделяющие отходы помещаются в мерзлоту и отделяются от пород непроницаемым инженерным барьером. За счёт тепловыделения мерзлота вокруг захоронения начинает подтаивать, но через какое-то время, когда тепловыделение снизится (вследствие распада короткоживущих изотопов), породы снова промёрзнут. Поэтому достаточно обеспечить непроницаемость инженерных барьеров на то время, когда мерзлота будет протаивать; после промерзания миграция радионуклидов становится невозможной.

С этой концепцией связано, по меньшей мере, две серьёзных проблемы.

Во-первых, концепция предполагает, что промёрзшие породы непроницаемы для радионуклидов. На первый взгляд это кажется разумным: вся вода замёрзшая, лёд обычно неподвижен и не растворяет радионуклиды. Но если внимательно поработать с литературой, то оказывается, что многие химические элементы довольно активно мигрируют в промёрзших породах. Даже при температурах – 10 – 12ºC в породах присутствует незамерзающая, так называемая плёночная, вода. Что особенно важно, свойства радиоактивных элементов, составляющих РАО, с точки зрения их возможной миграции в мерзлоте совершенно не изучены. Поэтому предположение о непроницаемости мёрзлых пород для радионуклидов лишено всяких оснований.