Радиационная защита

Срок надежной изоляции радиоактивных  отходов от окружающей среды, определяемый наличием долгоживущих радионуклидов, а также стабильных химических соединений, должен быть вечным [25, 28]. Ввиду необходимости периодической замены емкостей и постоянного строгого контроля в процессе эксплуатации постоянное хранение отходов в жидком виде не допускается.

Отверждение высокоактивных отходов. Для надежной изоляции от окружающей среды радиоактивные отходы переводят в твердые формы, к которым предъявляются следующие требования: высокая химическая стабильность, возможно более низкая скорость выщелачивания радионуклидов, термическая и радиационная стойкость, обеспечивающая стабильность отходов в процессе хранения, соответствие теплофизических параметров условиям отвода тепла в процессе хранения.

Для высокоактивных отходов необходимо проведение процесса отверждения при температуре, обеспечивающей полное удаление свободной, кристаллизационной и конституционной воды (не ниже 400 -500 °С), разложение подверженных радиолизу солей (например, нитратов) и сплавление с добавками, снижающими температуру плавления и способствующими образованию химически устойчивых соединений радионуклидов. При этом необходимым условием является прочное удержание в твердом материале практически всех радионуклидов, в том числе ¹³⁷Cs, ¹⁰⁶Ru и ¹⁰⁹Тс, способных образовать соединения с повышенным давлением пара.

В процессе переработки высокоактивных отходов могут быть получены стекло- и минералоподобные материалы, удовлетворяющие требованиям наиболее безопасного захоронения радионуклидов. Высокая устойчивость стеклоподобных материалов обусловлена полимерным строением стекловидной фазы с преобладанием ковалентных связей

Наиболее проработана аппаратурно-технологическая  схема с осуществлением процесса обезвоживания, кальцинации и плавления в одном аппарате с непрерывной подачей жидких отходов и флюсующих добавок непосредственно в керамический плавитель, изготовленный из огнеупорных материалов. Подвод тепла и необходимая для проведения процесса температура достигаются пропусканием переменного электрического тока через расплав стекломассы. Для получения фосфатного стекла жидкие отходы предварительно смешивают с ортофосфорной кислотой и в виде гомогенного продукта подают в плавитель на поверхность расплава. Плавитель имеет две зоны: варочную и выработочную, соединенную донным перетоком. Отходы подаются в варочную зону. По мере накопления стекломассы готовый расплав из смонтированного на определенном уровне в вы-работочной зоне сливного отверстия сливается в металлическую емкость объемом 200л.

Процесс осложняется в случае контакта водяных паров с поверхностью расплава: в этом случае увеличивается унос с парогазовой фазой компонентов жидких отходов (механический унос) и компонентов расплава благодаря образованию аэротроп-ных смесей водяного пара с отдельными компонентами расплава. Во избежание этого процесс ведется таким образом, что между подаваемыми жидкими отходами и расплавом постоянно находится слой кальцинированного материала; аэрозольный унос при этом не превышает 0,5 %.

[19]

Захоронение  радиоактивных отходов в подземных хранилищах и могильниках

В технологических процессах ядерного топливного и оружейного циклов образуются радиоактивные отходы (РАО) и облученное ядерное топливо (ОЯТ). В настоящее  время суммарный объем и активность РАО составляет 640 млн м³ и 1,5 млрд Кюри (Ки). На объектах Минатома, Минобороны и Минтранса хранятся 8,5 тыс. т облученного топлива общей активностью 4,45 млрд Ки, которое в XXI веке будет перерабатываться и при переработке образуются дополнительные объемы РАО.

Объемы РАО, накопленные на территории России, представлены в табл. 25.

Для решения проблемы обращения  с РАО во всех странах и у  нас используется подземное пространство – "геологическое" хранение и  захоронение при многобарьерности защиты. Основным естественным барьером многовековой надежной безопасности служит вмещающий массив специально выбранных горных пород: низкопроницаемые скальные породы, глины, каменные соли и многолетнемерзлые породы. Продолжительность необходимой изоляции отходов средней активности – 100–300 лет, высокоактивных  1000 и более [38].

И в новом веке будет интенсивно использоваться подземное пространство в интересах атомной энергетики. Важнейшим направлением создания техногенно-природных  систем является сооружение хранилищ и могильников радиоактивных отходов (РАО).

Концепция "геологического" захоронения  РАО, как наиболее реальная, принята  во всем мире. В настоящее время  построены и эксплуатируются  подземные комплексы для РАО  различной активности, на разных глубинах и в различных породах:

Швеция, "Форсмак" – в скальных породах под дном Балтийского моря;

Германия, "Конрад" и "Ассе" – в соляных рудниках, "Морслебен" и "Горлебен" – в соляных  толщах на глубине 400 м и глубже;

в США в вулканических туфах  сооружается могильник "Юкка-Маунтин" на глубине 600 м, строятся хранилища и могильники в Великобритании ("Виндскайле" в песчаниках), в Испании, Бельгии и других странах.

Таблица 25 - Объемы РАО, накопленные  на территории России [17]

Институтами Минатома проектируется  хранилище отвержденных отходов плутония в подземных камерах, пройденных в скальных породах, Красноярского горно-химического комбината (г. Железногорск на Енисее), а также скважинные хранилища РАО для комбината "Маяк" (Южный Урал). Институтом ВНИПИ промтехнологии выполнен проект траншейного и шахтного могильника высокоактивных отходов на острове Новая Земля в многолетнемерзлых породах.

ГоИ КНЦ РАН обосновано создание региональных могильников в глубинных  кристаллических породах (кварцитопесчаники, граниты и габбро) Кольского полуострова, что будет способствовать разрядке напряженности в одном из самых неблагополучных по РАО регионов – Северо-Западе России.

Все страны, имеющие атомную энергетику и атомный флот, выполняют НИР  и ОКР, проектируют и строят хранилища  РАО шахтного типа в гранитных массивах и в соляных куполах. В Германии в хранилище "Горлебен" начат прием контейнеров с ВАО. В Финляндии начата эксплуатация подземного хранилища для отходов АЭС "Ловисса". Хранилище расположено неподалеку от станции. В хранилище "Випп", пройденном в соляных отложениях (США, (штат Нью Мехико) начата загрузка РАО.

Объемы РАО, накопленных на территории России, велики. Процесс накопления РАО продолжается, и только от АЭС  до 2010 г. ожидаемый объем составит 700 тыс. м³ упаренных жидких отходов и около 500 тыс. м3 твердых. Надежная изоляция РАО от среды обитания является одной из наиболее острых экологических проблем. Без решения проблемы изоляции РАО в XXI веке может быть поставлена под угрозу возможность дальнейшего развития атомной энергетики и промышленности страны.

Проблема надежной изоляции радиоактивных  отходов от среды обитания в подземном  пространстве является по существу новой, никогда ранее не рассматривавшейся  ни горными науками, ни инженерной практикой.

Решения этой проблемы можно достичь выполнением НИР и ОКР по следующим основным направлениям:

- выработка концепции и методов  подземной изоляции РАО;

- разработка научно-технических  основ поэтапного выбора участка  и определения состава исходных  данных к экологическому обоснованию  предпроектной и проектной документации для строительства подземных сооружений по изоляции РАО;

- разработка и обоснование долговременной  защитной способности многобарьерной  системы изоляции специальных  подземных сооружений;

- создание методов многофакторного  анализа воздействия подземных  хранилищ (могильников) РАО на  окружающую среду и методов  оценки риска;

- создание подземных сооружений  с конструкциями принципиально  новых типов;

- разработка и внедрение новых  конструкционных материалов, обеспечивающих долговременную надежную изоляцию РАО;

- разработка законодательной и  нормативно-регулирующей документации, обеспечивающей радиационную безопасность  недропользования при изоляции  РАО в подземном пространстве.

Основной целью деятельности в области обращения с РАО является надежное и экономически эффективное обеспечение защиты настоящего и будущих поколений от опасного радиационного воздействия и среды обитания человека от радиоактивного загрязнения как при нормальных условиях, так и в экстремальных ситуациях.

До сих пор применялись различные  способы удаления РАО из среды  обитания человека.

 На заре атомной  эры (40–50-е годы) РАО складировали  в наземных емкостях на предприятиях  ядерного топливного цикла и  оборонных объектах, разбавляли и рассеивали в атмосфере, гидросфере и литосфере. В СССР при создании ядерного оружия в 1949–1951 гг. ЖРО сливали в реки и озера. Эти способы удаления РАО из-за тяжелых социально-экологических последствий в настоящее время неприемлемы.

В последующие годы освоения ядерной энергетики, до объявления моратория в 1983 г. часть РАО средней и низкой активности помещали в контейнеры из металла и бетона, сбрасывали в глубокие впадины на дне морей и океанов. Радиоактивные тайны морского дна хорошо известны [17].

Подземная изоляция РАО  в пригодные для этих целей  геологические структуры.

Кроме трех рассмотренных  применявшихся и применяемых  способов, предлагаются три новых.

Удаление контейнеров  с отходами в космическое пространство баллистическими ракетами, высвобождаемыми в результате разоружения и конверсии. Предлагается посылать ракеты с РАО даже на Солнце.

Погружение ВАО (высокотемпературное  отработавшее топливо реакторов) в  тугоплавких шарах-контейнерах в  мантию Земли через расплав горных пород, которые будто бы будут плавиться под воздействием остаточного тепла ОЯТ в шарах и погружаться сами собой в недра.

Трансмутация долгоживущих радионуклидов высокой удельной активности, образующихся при переработке  ОЯТ ("малых" актинидов остаточного  плутония и продуктов деления). Этот способ еще не осуществлен в промышленном масштабе, но исследования выполняются в России, США, Японии, Франции и Нидерландах.

С учетом современного состояния  науки, техники и технологии приоритетное направление в области зашиты человека и окружающей среды от воздействия радиоактивных отходов – их переработка, надежное контролируемое хранение в инженерных сооружениях и окончательное захоронение.

Период, в течение которого необходима защита окружающей среды  от радиоактивных отходов, обусловливается временем распада радионуклидов до безопасных концентраций, а также наличием в отходах химически токсичных соединений.

Изоляция отходов в  соответствии с требованиями МАГАТЭ о многобарьерной защите обеспечивается тремя основными барьерами: физико-химической формой отходов, инженерными барьерами и геологической средой (естественный барьер).

При обращении с радиоактивными отходами обязательно соблюдение отечественных  и международных норм и правил по защите населения и охране окружающей среды. Эти нормы основаны на современном уровне научных знаний о биологическом действии и вредных эффектах ионизирующих излучений.

Фундаментальной концепцией безопасности является гипотеза о беспороговой линейной зависимости вредных эффектов от дозы излучения в области малых доз.

Существующая практика обращения с радиоактивными отходами включает в себя несколько этапов.

Сбор и сортировка жидких и твердых отходов по химическому, радионуклидному составу и уровню активности.

Переработка отходов с  целью сокращения их объема и перевода в твердые радиационно, химически, механически и термически устойчивые формы, пригодные для хранения, транспортирования и захоронения. В процессе переработки может быть предусмотрено выделение ценных компонентов для их повторного использования в производстве или передачи в народное хозяйство (утилизация РАО).

Временное хранение отходов  на предприятиях, где они образовались, до создания региональных могильников  для захоронения РАО.

В практике нашей страны РАО различной активности захораниваются в твердом и жидком виде. Традиционные способы обращения с низко- и среднеактивными, жидкими РАО – химическое осаждение, ионный обмен, выпаривание, фильтрование, мембранные методы, битумирование, остекловывание и т. д.

Богатый опыт подземного захоронения  жидких РАО низкого и среднего уровня активности накоплен на полигонах Сибирского химкомбината (г. Северск), Красноярского горно-химического комбината (г. Железногорск) и Научно-исследовательского института атомных реакторов (г. Димитровград). Жидкие РАО в виде растворов закачиваются через скважины в глубинные пласты-коллекторы по технологии ВНИПИ промтехнологии.