Радиоактивные вещества в условиях развития современного общества

           В зонах с умеренным климатом  концентрация радона в закрытых  помещениях в среднем примерно  в восемь раз выше, чем в  наружном воздухе. Радиоактивность  строительных материалов определяется  в основном ураном-238 (радием-226), торием-232 и калием-40. Допустимое значение  эффективной дозы, обусловленной  суммарным воздействием природных  источников ионизирующего излучения  для населения не устанавливается.  Снижение облучения населения  достигается путем установления  системы ограничений на облучение  населения от отдельных природных  источников. Удельная эффективная  активность (Аэфф) естественных радионуклидов  в строительных материалах, добываемых  на их месторождениях, не должна  превышать для материалов, используемых  во вновь строящихся жилых  и общественных зданиях (1 класс) - 370 Бк/кг.

           Самые распространенные строительные  материалы - дерево, кирпич и бетон  - выделяют относительно немного  радона. Гораздо большей удельной  активностью обладают пемза, глиноземы.  В Швеции при производстве  бетона использовались в течение  нескольких десятков лет глиноземы,  с применением которых было  построено 350-700 тысяч домов. Кальций  - силикатный шлак - побочный продукт,  получаемый при переработке фосфорных  руд и обладающий, как выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью, применялся в качестве компонента  бетона и других строительных  материалов в Северной Америке  и Канаде. Фосфогипс - еще один  побочный продукт, образующийся  при другой технологии переработки  фосфорных руд, широко применялся  при изготовлении строительных  блоков, сухой штукатурки, перегородок  и цемента. Однако фосфогипс  обладает гораздо большей удельной  радиоактивностью, чем природный  гипс, который он призван был  заменить и, по-видимому, люди, живущие  в домах, построенных с его  применением, подвергаются облучению  на 30% более интенсивному, чем жильцы  других домов.

     Среди других промышленных отходов с высокой  радиоактивностью, применявшихся в  строительстве, следует назвать  кирпич из красной глины - отхода производства алюминия, доменный шлак - отход черной металлургии и зольную пыль, образующуюся при сжигании угля. 

     1.3 Радиоактивные отходы

     Радиоактивные отходы (РАО) — отходы, содержащие радиоактивные  химические элементы и не имеющие  практической ценности. Согласно российскому  «Закону об использовании атомной энергии» (от 21 ноября 1995 года № 170-ФЗ) радиоактивные отходы (РАО) – это ядерные материалы и радиоактивные вещества, дальнейшее использование которых не предусматривается. По российскому законодательству, ввоз радиоактивных отходов в страну запрещен. Часто это продукты ядерных процессов, таких как ядерное деление. Большую часть РАО составляют так называемые «малоактивные отходы», обладающие малой радиоактивностью на единицу массы или объема. К такому типу отходов относится, например, использованная защитная спецодежда, незначительно загрязненная, но все же представляющая опасность радиоактивного заражения организма через поры кожи, дыхательные пути, воду или пищу. 

     1.3.1 Источники появления отходов

     Существуют  вещества, обладающие природной радиоактивностью, известные как природные источники  радиации (ПИР). Бо́льшая часть этих веществ, образующихся в результате распада урана или тория, испускают  альфа-частицы.

     Промышленные  РАО могут содержать источники  альфа-, бета-, нейтрон- или гамма-лучей. Гамма-излучатели используются в радиографии; источники нейтронного излучения  применяются в различных отраслях, например, при радиометрии нефтяных скважин.

     Отходы  от переработки ядерного оружия (в  отличие от его изготовления, которое  требует первичного сырья из реакторного  топлива), не содержат источников бета- и гамма-лучей, за исключением трития и америция. В них содержится гораздо  большее число актиноидов, испускающих  альфа-лучи, таких как плутоний-239, подвергающийся ядерной реакции  в бомбах, а также некоторые  вещества с большой удельной радиоактивностью, такие как плутоний-238 или полоний.

     В прошлом в качестве ядерного заряда в бомбах предлагались бериллий и  высокоактивные альфа-излучатели, такие  как полоний. Сейчас альтернативой  полонию является плутоний-238. По причинам государственной безопасности, подробные  конструкции современных бомб не освещаются в литературе, доступной  широкому кругу читателей.

     Некоторые модели также содержат радиоизотопные источники энергии (РИТЭГ), в котором  в качестве долговечного источника  электрической мощности для работы электроники бомбы используется плутоний-238.

     Возможно, что расщепляющееся вещество старой бомбы, подлежащее замене, будет содержать  продукты распада изотопов плутония. К ним относятся альфа-излучающий нептуний-236, образовавшийся из включений  плутония-240, а также некоторое  количество урана-235, полученного из плутония-239. Количество этих отходов  радиоактивного распада ядра бомбы будет очень мало, и в любом случае они гораздо менее опасны (даже в переводе на радиоактивность как таковую), чем сам плутоний-239.

     В результате бета-распада плутония-241 образуется америций-241, увеличение количества америция — большая проблема, чем  распад плутония-239 и плутония-240, так  как америций является гамма-излучателем (возрастает его внешнее воздействие  на рабочих) и альфа-излучателем, способным  вызвать выделение тепла. Плутоний может быть отделен от америция различными путями, среди которых — пирометрическая  обработка и извлечение при помощи водного/органического растворителя. Видоизмененная технология извлечения плутония из облучённого урана (PUREX) — также один из возможных методов  разделения.

     Несмотря  на малую радиоактивность, отходы деятельности урановых обогатительных фабрик также  относятся к радиоактивным. Эти  вещества являются побочным продуктом  первичной обработки ураносодержащей  руды. Их иногда относят к отходам  класса 11(е)2, по определению раздела  законодательства США об использовании  атомной энергии. Эти отходы обычно содержат химически опасные тяжелые  металлы, такие как свинец и мышьяк. Огромные количества отходов деятельности урановых фабрик оставлены вблизи старых месторождений урана, особенно в  штатах Колорадо, Нью-Мексико и Юта. 

     1.3.2 Классификация РАО

     Низкоактивные РАО — результат деятельности больниц, промышленных предприятий, а  также ядерного топливного цикла. К  ним относятся бумага, ветошь, инструменты, одежда, фильтры и т. д., содержащие малое количество преимущественно  короткоживущих изотопов. Обычно эти  предметы определяют как малоактивные отходы в качестве меры предосторожности, если они находились в любой области  т. н. «активной зоны», часто включающей офисные помещения с крайне незначительной возможностью заражения радиоактивными веществами. Низкоактивные РАО обычно обладают не большей радиоактивностью, нежели те же предметы, отправленные на свалку из нерадиоактивных зон, например, обычных офисов. Данный тип отходов  не требует изоляции во время транспортировки  и пригоден для поверхностного захоронения. Чтобы уменьшить объем отходов, их обычно прессуют или сжигают перед  захоронением. Низкоактивные РАО  делятся на четыре класса: A, B, C и GTCC (самый опасный).

     Среднеактивные  РАО обладают большей радиоактивностью и в некоторых случаях нуждаются  в экранировании. К данному классу отходов относятся смолы, химический осадок, металлические оболочки тепловыделяющих  элементов реакторов, а также  загрязненные вещества из выведенных из эксплуатации АЭС. При транспортировке  эти отходы могут закатываться в  бетон или битум. Как правило, отходы с коротким периодом полураспада (в основном вещества из реакторов, не имеющие отношения к топливу) сжигают в поверхностных хранилищах, отходы с долгим периодом полураспада (топливо и продукты его переработки) размещают в глубоких подземных  хранилищах. Законодательство США не выделяет этот тип РАО в отдельный  класс; термин в основном используется в странах Европы.

     Высокоактивные  РАО — результат работы ядерных  реакторов. Они содержат продукты деления  и трансурановые элементы, полученные в ядре реактора. Эти отходы крайне радиоактивны и часто имеют высокую  температуру. На долю высокоактивных РАО приходится до 95 % общей радиоактивности, образующейся в результате процесса генерации электрической энергии в реакторе.

     По  определению законодательства США  к этому классу относятся отходы, загрязненные альфа-излучающими трансурановыми радионуклидами, с периодами полураспада  более 20 лет и концентрацией большей 100 нКи/г, вне зависимости от их формы  или происхождения, исключая высокоактивные РАО. Элементы с атомными числами, большими, чем у урана, получили название «трансурановых». В связи с долгим периодом распада  трансурановых отходов их захоронение  проходит тщательнее, чем захоронение  малоактивных и среднеактивных отходов. В США трансурановые РАО образуются в основном в результате производства оружия, к ним относится одежда, инструменты, ветошь, побочные продукты химических реакций, различного рода мусор  и другие предметы, загрязненные небольшим  количеством радиоактивных веществ (главным образом, плутония).

     В соответствии с законодательством  США, трансурановые РАО подразделяются на отходы, допускающие контактное обращение и отходы, требующие  дистанционного обращения. Деление  основывается на уровне радиации, измеренном на поверхности контейнера с отходами. Первый подкласс включает отходы с  поверхностным уровнем радиации не более 200 миллибэр в час, второй —  более опасные отходы, радиоактивность  которых может достигать 1000 миллибэр в час. В настоящее время постоянное место захоронения трансурановых  отходов деятельности силовых установок  и военных заводов в США  — первая в мире опытная установка  для изоляции РАО. 

     1.3.3 Хранение

     Для временного хранения высокоактивных РАО  предназначены резервуары для хранения отработанного ядерного топлива  и хранилища с сухотарными  бочками, позволяющие распасться короткоживущим изотопам перед дальнейшей переработкой.

     Долговременное  хранение РАО требует консервации  отходов в форме, которая не будет  вступать в реакции и разрушаться  на протяжении долгого времени. Одним  из способов достижения подобного состояния  является витрификация (или остеклование). В настоящее время в Селлафилде (Великобритания) высокоактивные РАО (очищенные  продукты первой стадии пурекс-процесса) смешивают с сахаром и затем  кальцинируют. Кальцинирование подразумевает  прохождение отходов через нагретую вращающуюся трубу и ставит целью  испарение воды и деазотирование продуктов деления, чтобы повысить стабильность получаемой стекловидной массы.

     В полученное вещество, находящееся в  индукционной печи, постоянно добавляют  измельченное стекло. В результате получается новая субстанция, в которой  при затвердении отходы связываются  со стеклянной матрицей. Это вещество в расплавленном состоянии вливается  в цилиндры из легированной стали. Охлаждаясь, жидкость затвердевает, превращаясь  в стекло, которое является крайне устойчивым к воздействию воды. По данным международного технологического общества, потребуется около миллиона лет, чтобы 10 % такого стекла растворилось в воде.

     После заполнения цилиндр заваривают, затем  моют. После обследования на предмет  внешнего загрязнения стальные цилиндры отправляют в подземные хранилища. Такое состояние отходов остается неизменным в течение многих тысяч  лет.

     Стекло  внутри цилиндра имеет гладкую черную поверхность. В Великобритании вся  работа проделывается с использованием камер для работы с высокоактивными  веществами. Сахар добавляется для  предотвращения образования летучего вещества RuO4, содержащего радиоактивный  рутений. На Западе к отходам добавляют  боросиликатное стекло, идентичное по составу пирексу; в странах бывшего  СССР обычно применяют фосфатное  стекло. Количество продуктов деления  в стекле должно быть ограничено, так  как некоторые элементы (палладий, металлы платиновой группы и теллур) стремятся образовать металлические  фазы отдельно от стекла. Один из заводов  по витрификации находится в Германии, там перерабатываются отходы деятельности небольшой демонстрационной перерабатывающей фабрики, прекратившей свое существование.

     В 1997 году в 20 странах, обладающих большей  частью мирового ядерного потенциала, запасы отработанного топлива в  хранилищах внутри реакторов составляли 148 тыс. тонн, 59 % из которых были утилизированы. Во внешних хранилищах находилось 78 тыс. тонн отходов, из которых утилизировано 44 %. С учетом темпов утилизации (около 12 тыс. тонн ежегодно), до окончательного устранения отходов еще достаточно далеко.

     В 1989 и 1992 годах Франция ввела в  строй коммерческие заводы по витрификации высокоактивных РАО, оставшихся от переработки  оксидного топлива, несмотря на наличие  аналогичных заводов во многих других странах, особенно в Великобритании и Бельгии. Пропускная способность  западноевропейских заводов составляет порядка 1000 тонн в год, некоторые  из них работают уже 18 лет.

     Поиски  подходящих мест для глубокого окончательного захоронения отходов в настоящее  время ведутся в нескольких странах; ожидается, что первые подобные хранилища  вступят в эксплуатацию после 2010 года. Международная исследовательская  лаборатория в швейцарском Гримзеле занимается вопросами, посвященными захоронению  РАО. Швеция говорит о своих планах по прямому захоронению использованного  топлива с использованием технологии KBS-3, после того, как шведский парламент  счел ее достаточно безопасной. В Германии в настоящее время ведутся  дискуссии о поисках места  для постоянного хранения РАО, активные протесты заявляют жители деревни Горлебен региона Вендланд. Это место вплоть до 1990 года казалось идеальным для  захоронения РАО благодаря своей  близости к границам бывшей Германской демократической республики. Сейчас РАО находятся в Горлебене  на временном хранении, решение о  месте их окончательного захоронения  пока не принято. Власти США выбрали  местом захоронения Юкка-Маунтин, штат Невада, однако данный проект встретил сильное противодействие и стал темой жарких дискуссий. Существует проект создания международного хранилища  высокоактивных РАО, в качестве возможных  мест захоронения предлагаются Австралия  и Россия. Однако власти Австралии  выступают против подобного предложения.