Геологические захоронения радиоактивных отходов
Введение
Глубинное (подземное) захоронение радиоактивных отходов (РАО) осуществляется в течение 30 лет. В глубокозалегающие пласты-коллекторы удалено около 46 млн. куб. м отходов, содержащих более половины радиоактивных нуклидов-продуктов деления урана, образовавшихся как отходы в атомной промышленности России.
Удаление отходов из среды непосредственной деятельности и проживания человека предотвратило отрицательное воздействие радиоактивности отходов на производственный персонал и население в районах 2 оборонных предприятий атомной промышленности и крупного исследовательского центра. Для тысяч людей была существенно снижена степень риска возникновения заболеваний и генетических дефектов, связанных с воздействием радиоактивности, уменьшена вероятность тяжелых аварий при обращении с отходами.
Подземные хранилища (полигоны захоронения) радиоактивных отходов были созданы в сравнительно короткие сроки на основе результатов комплексных исследований и разработок, в проведении которых принимали участие организации различных ведомств, в том числе Академии наук, Министерства геологии, Министерства здравоохранения и др.
Результаты наблюдений и исследований при эксплуатации полигонов захоронения подтвердили эффективность изоляции радиоактивных отходов в глубоких коллекторских горизонтах, правильность принципиальных решений по созданию хранилищ.
Вместе с тем глубинное захоронение радиоактивных отходов является сегодня одним из дебатируемых вопросов при обсуждении последствий деятельности оборонных предприятий атомной промышленности, в большинстве случаев получается недостаточно объективные и необоснованно негативные оценки со стороны ряда общественных экологических движений, органов массовой информации, законодательных структур, представителей правительственных учреждений. Следствием этого могут быть ошибочные решения по дальнейшей деятельности предприятий, эксплуатации и консервации полигонов, влекущие за собой экономические убытки России и регионов, необоснованные бюджетные затраты, ухудшение состояния окружающей среды.
Опыт создания и эксплуатации подземных хранилищ радиоактивных отходов может быть эффективно использован при глубинном захоронении нерадиоактивных промстоков различных отраслей промышленности, широко применяющемся в США и развивающимся в России.
В связи с тем, что проектные емкости пластов-коллекторов действующих хранилищ не исчерпаны, а дальнейшее удаление отходов весьма незначительно повлияет на уже сформированное состояние геологической среды в районах захоронения, действующие хранилища могут быть использованы для захоронения отходов и дезактивирующих растворов, образующихся на завершающих этапах эксплуатации конверсируемых производств, реабилитации территорий и ликвидации последствий деятельности оборонной промышленности.
1. Классификация радиоактивных отходов
Вторая половина ХХ века ознаменовалась резким обострением экологических проблем. Масштабы техногенной активности человечества в настоящее время уже сравнимы с геологическими процессами. К прежним типам загрязнений окружающей среды, получивших экстенсивное развитие, добавилась новая опасность радиоактивного заражения. Главным ее источником является отработанное топливо атомных электростанций. Наиболее развитые страны непрерывно увеличивают долю энергии, производимую ядерными электростанциями: Франция - более 60%, Германия - 40%, Англия - 65%, Япония - около 60%, США - 30% и т.д. Ископаемое углеродное топливо имеет тенденцию к полному исчерпанию. Все нетрадиционные источники энергии (ветер, солнце, приливы, тепло Земли) не конкурентоспособны из-за экономической нерентабельности и малых ресурсов. Только ядерная энергия может служить цивилизации практически неограниченное время. Отстают в ее использовании те страны, где много источников гидроэнергии (Канада, Норвегия, Швеция, Россия) но и они наращивают мощности АЭС.
Источниками энергии в ядерных реакторах служат реакции деления. Ядра урана-235, поглощая нейтроны, становятся неустойчивыми и распадаются с образованием осколочных ядер элементов двух групп: от германия до иода (NN 32-53) и от цезия до европия (NN 55-63). При этом выделяется большее число нейтронов, чем поглощается, так что при наличии критической массы 235U реакция деления может стать саморазвивающейся. Однако, все ядерные реакторы сконструированы так, что этот процесс совершенно исключен, а все взрывы ядерных реакторов являются тепловыми, подобными взрывам паровых котлов. Масса продуктов реакции деления меньше, чем распавшихся ядер 235U и поглощенных нейтронов. За счет «дефекта массы» и выделяется энергия: E=mc2. В результате реакции деления образуются высокоактивные изотопы (осколки деления), которые и представляют опасность из-за своей активности. Одновременно идут реакции нейтронного захвата: ядра урана-238, захватывая нейтроны, образуют ядра трансурановых элементов - нептуния, плутония, америция, кюрия. Именно этот процесс используют для наработки плутония с последующим применением последнего в атомных боеприпасах.
В ядерных реакторах топливо (обогащенный природный уран) в виде таблеток UO2 помещается в трубки из циркониевой стали (тепловыделяющий элемент - ТВЭЛ). Эти трубки располагаются в активной зоне реактора, между ними помещаются блоки замедлителя (графита), регулирующие стрежни (кадмиевые) и трубки охлаждения, по которым циркулирует теплоноситель - чаще всего, вода. При работе реактора образуются осколочные элементы в том числе и так называемые нейтронные яды - элементы, очень сильно поглощающие нейтроны, вследствие чего реакция деления самопроизвольно прекращается. Одна загрузка ТВЭЛов работает примерно 1-2 года. Загрузка большого энергетического реактора составляет примерно 100 т ядерного топлива c 5% урана-235). За 1 год вырабатывается 10% (0.5 т) делящегося вещества и производится примерно 0.5 т осколочных элементов (для сравнения: при взрыве атомной бомбы - всего несколько кг). Таким образом, при разгерметизации активной зоны реактора выброс радиоактивных веществ на 2 порядка больше, чем при взрыве бомбы. В масштабах страны ежегодно только на энергетических реакторах АЭС вырабатывается 100 т осколочных элементов.
Обычно ТВЭЛы в реакторах объединены в единые конструкции - тепловыделяющие сборки, загружаемые в ядерный реактор. Перед процессом переработки сборки, отработавшие свой ресурс, аккуратно извлекают и выдерживают в воде в специальных бассейнах-отстойниках для снижения активности за счет распада короткоживущих изотопов. За три года активность снижается примерно на 3 порядка. Тем не менее, они все еще очень опасны. Дальше ТВЭЛы отправляют на так называемые радиохимические заводы, где их измельчают (режут) механическими ножницами и растворяют в горячей 6-нормальной азотной кислоте. Образуется 10% раствор жидких высокоактивных отходов. Таких отходов производится порядка 1000 т в год по всей России.
Радиоактивные отходы - это смесь активных и стабильных изотопов элементов, которые принято подразделять на осколочные, трансурановые, конструкционные и технологические. Осколочные элементы с номерами 35-47; 55-65 являются продуктами деления ядерного топлива. Трансурановые элементы образуются по реакции нейтронного захвата. В растворы переходят и вещество конструкционных материалов (нержавеющих сталей, циркониевых оболочек ТВЭЛов и т.п.), а также технологические элементы (соли щелочных металлов и др.).
Как правило, степень «выгорания» ядерного топлива за одну кампанию не превышает 10%. Основная масса его отходов обычно представлена оксидами урана-235 и урана-238, оба эти изотопа и наработанный плутоний извлекаются при радиохимической переработке и могут быть использованы для изготовления новых топливных элементов.
Основными и наиболее опасными для биосферы элементами радиоактивных отходов являются Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, I, Cs, Ba, La….Dy и трансурановые элементы: Np, Pu, Am и Cm. Растворы радиоактивных отходов высокой удельной активности по составу представляют собой смеси азотнокислых солей с концентрацией азотной кислоты до 2,8 моль / литр, в них присутствуют добавки HF (до 0,06 моль / литр) и H2SO4 (до 0.1 моль / литр). Общее содержание солей конструкционных элементов и радионуклидов в растворах составляет приблизительно 10% массы.
2. Развитие технологий обращения с радиоактивными отходами
Сравнение составов радиоактивных отходов и пород земной коры показывает плохую корреляцию. Нереально найти геохимически совместимый с радиоактивными отходами тип горной породы. Решение проблемы значительно облегчает существование методов разделения смеси жидких радиоактивных отходов, разработанных в Радиевом институте и реализуемых в настоящее время на ПО Маяк. Они позволяют выделять из смеси элементов радиоактивных отходов отдельные группы, близкие по своим геохимическим характеристикам, а именно:
·щелочные и щелочноземельные элементы;
·галогениды;
·актиниды.
Для этих групп элементов можно попытаться найти породы и минералы, перспективные для их связывания.
Природные химические (и, даже, ядерные!) реакторы, производящие токсичные вещества, - не новость в геологической истории Земли. Тем не менее около 3 млрд. лет назад на планете зародилась, успешно сосуществует рядом с очень опасными веществами и развивается жизнь.
Рассмотрим основные пути саморегуляции природы с точки зрения их использования в качестве методов обезвреживания отходов техногенной деятельности человечества. Намечаются четыре таких принципа.
а) Изоляция - вредные вещества концентрируются в контейнерах и защищаются специальными барьерными веществами. Природным аналогом контейнеров могут служить слои водоупоров. Однако, это - не слишком надежный способ обезвреживания отходов: при хранении в изолированном объеме опасные вещества сохраняют свои свойства и при нарушении защитного слоя могут вырываться в биосферу, убивая все живое. В природе разрыв таких слоев приводит к выбросам ядовитых газов (вулканическая активность, сопровождающаяся взрывами и выбросами газов, раскаленного пепла, выбросы сероводорода при бурении скважин на газ - конденсат). При хранении опасных веществ в специальных хранилищах также иногда происходит нарушение изолирующих оболочек с катастрофическими последствиями. Печальный пример из техногенной деятельности человека - челябинский выброс радиоактивных отходов в 1957 году из-за разрушения контейнеров - хранилищ. Изоляция применяется для временного хранения радиоактивных отходов; в будущем необходимо реализовать принцип многобарьерной защиты при их захоронении, одним из составных элементов этой защиты будет слой изоляции.
б) Рассеяние - разбавление вредных веществ до уровня, безопасного для биосферы. В природе действует закон всеобщего рассеяния элементов В.И. Вернадского. Как правило, чем меньше кларк, тем опаснее для жизни элемент или его соединения (рений, свинец, кадмий). Чем больше кларк элемента, тем он безопаснее - биосфера к нему «привыкла». Принцип рассеяния широко используется при сбросе техногенных вредных веществ в реки, озера, моря и океаны, а также в атмосферу - через дымовые трубы. Рассеяние использовать можно, но видимо, только для тех соединений, время жизни которых в природных условиях невелико, и которые не смогут дать вредных продуктов распада. Кроме того, их не должно быть много. Так, например, СО2 - вообще говоря, не вредное, а иногда даже полезное соединение. Однако, возрастание концентрации углекислоты во всей атмосфере ведет к парниковому эффекту и тепловому загрязнению. Особенно страшную опасность могут представлять вещества (например, плутоний), получаемые искусственно в больших количествах. Рассеяние до сих пор применяется для удаления отходов малой активности и, исходя из экономической целесообразности, будет еще долго оставаться одним из методов для их обезвреживания. Однако в целом в настоящее время возможности рассеивания в основном исчерпаны и надо искать другие принципы.
в) Существование вредных веществ в природе в химически устойчивых формах. Минералы в земной коре сохраняются сотни миллионов лет. Распространенные акцессорные минералы (циркон, сфен и другие титано - и цирконосиликаты, апатит, монацит и другие фосфаты и т.д.) обладают большой изоморфной емкостью по отношению к многим тяжелым и радиоактивным элементам и устойчивы практически во всем интервале условий петрогенезиса. Имеются данные о том, что цирконы из россыпей, испытавшие вместе с вмещающей породой процессы высокотемпературного метаморфизма и даже гранитообразования, сохраняли свой первичный состав.
г) Минералы, в кристаллических решетках которых находятся подлежащие обезвреживанию элементы, в природных условиях находятся в равновесии с окружающей средой. Реконструкция условий древних процессов, метаморфизма и магматизма, имевших место много миллионов лет назад, возможна благодаря тому, что в кристаллических горных породах на протяжении длительного по геологическим масштабам времени сохраняются особенности состава образовавшихся при этих условиях и находившихся между собой в термодинамическом равновесии минералов.
Описанные выше принципы (особенно последние два) находят применение при обезвреживании радиоактивных отходов.
Существующие разработки МАГАТЭ рекомендуют захоронение отвержденных радиоактивных отходов в стабильных блоках земной коры. Матрицы должны минимально взаимодействовать с вмещающей породой и не растворяться в поровых и трещинных растворах. Требования, которым должны удовлетворять матричные материалы для связывания осколочных радионуклидов и малых актинидов, можно сформулировать следующим образом.
·Способность матрицы связывать и удерживать в виде твердых растворов возможно большее число радионуклидов и продуктов их распада в течение длительного (по геологическим масштабам) времени.
·Быть устойчивым материалом по отношению к процессам физико-химического выветривания в условиях захоронения (длительного хранения).
·Обладать термической устойчивостью при высоких содержаниях радионуклидов.
·Обладать комплексом физико-механических свойств, которые необходимо иметь любому матричному материалу для обеспечения процессов транспортировки, захоронения и пр.:
oмеханической прочностью,
oвысокой теплопроводностью,
oмалыми коэффициентами теплового расширения,
oустойчивостью к радиационным повреждениям.
·Иметь простую технологическую схему производства
·Производиться из исходного сырья, сравнительно низкой стоимости.
Традиционно для иммобилизации радионуклидов применяли стекольные матрицы (боросиликатные и алюмофосфатные по составу). Эти стекла по своим свойствам близки к алюмосиликатным, только в первом случае алюминий заменен бором, а во втором - кремний фосфором. Эти замены вызваны необходимостью снижения температуры плавления расплавов и уменьшения энергоемкости технологии. В стекольных матрицах достаточно надежно удерживается 10-13 мас.% элементов радиоактивных отходов. В конце 70-х годов были разработаны первые кристаллические матричные материалы - синтетические горные породы (синрок). Эти материалы состоят из смеси минералов - твердых растворов на основе титанатов и цирконатов и гораздо более устойчивы к процессам выщелачивания, чем стекольные матрицы. Заметим, что наилучшие матричные материалы - синроки - были предложены петрологами (Рингвуд и др.).
Способы остекловывания радиоактивных отходов, используемые в странах с развитой ядерной энергетикой (США, Франция, Германия), не отвечают требованиям их длительного безопасного хранения в связи со спецификой стекла как метастабильной фазы. Как показали исследования, даже наиболее устойчивые к процессам физико-химического выветривания алюмофосфатные стекла, оказываются малостабильными при условиях захоронения в земной коре. Что же касается боросиликатных стекол, то согласно экспериментальным исследованиям, в гидротермальных условиях при 350оС и 1 кбар они полностью кристаллизуются с выносом элементов радиоактивных отходов в раствор. Тем не менее, стеклование радиоактивных отходов с последующим хранением стекольных матриц в специальных хранилищах является пока единственным методом промышленного обезвреживания радионуклидов.
Усилия петрологов и геохимиков - экспериментаторов сосредоточены на проблемах, связанных с поиском новых модификаций кристаллических матричных материалов, более пригодных для захоронения радиоактивных отходов в породах земной коры.
3. Обоснование глубинного захоронения радиоактивных отходов
Общепризнанным методом захоронения радиоактивных отходов среди технических экспертов считается локализация отходов и их изоляция от окружающей среды, доступной для человека. Наилучшей изоляции тех видов отходов, о которых идет речь в настоящем отчете, позволяет добиться размещения отходов на значительной глубине под землей - так называемое «геологическое захоронение». Локализация и изоляция отходов обеспечивается контейнерами, в которых отходы размещаются перед тем, как поступить на захоронение, а также различными дополнительными техническими барьерами и природными свойствами пород, в которых сооружаются захоронения. Суть захоронения заключается в том, что защиту от них людей и окружающей среды обеспечивает пассивная система, состоящая из технических и природных барьеров.
Геологическое захоронение можно осуществлять в ряде геологических образований; при этом наиболее часто рассматриваемыми породами являются глина, соль и твердые магматические, метаморфические и вулканические породы, например, гранит, гнейс, базальт или туф. Глубина захоронения утилизируемых отходов зависит от типа используемого в этих целях образований и изоляционной способности образований, расположенных над ним. Например, подходящие глиняные образования, как правило, расположены слоями толщиной несколько сот метров на глубине нескольких сот метров. Солевые залежи встречаются на такой же или большей глубине и имеют форму напластованных слоев или соляных куполов. Обычная глубина, на которой располагаются захоронения в твердых породах, составляет от 500 до 1000 метров, и цель здесь состоит в использовании тех участков горной системы, где имеется наименьшее количество крупных зон трещиноватости или разломов.
Определяющей характеристикой захоронения, в отличие от хранения, является отсутствие намерения извлекать отходы и минимальная степень использования активных средств долговременного контроля. Другими словами, отходы размещаются на постоянное хранение. В конечном итоге, место захоронения закрывается и опечатывается, а на поверхности может иметься, а может, и отсутствовать указание на существование такого объекта на значительной глубине. В большинстве пород захоронение можно соорудить таким образом, что закрыть его можно будет позднее, через несколько десятков, а то и сотен лет. В течение этого периода при желании можно вести мониторинг места захоронения и прилегающих пород, а захоронение можно соорудить так, чтобы при необходимости захороненный материал можно было извлечь.
4. Факторы, влияющие на безопасность и соответствие хранилищ интересам устойчивого развития
После конференции Организации Объединенных наций по окружающей среде и развитию, проходившей в 1992 году в Рио-де-Жанейро, устойчивое развитие стало одним из идеалов, на который ориентируется мировая политическая система. Устойчивым считается «развитие, которое соответствует потребностям настоящего времени, не лишая будущие поколения возможности удовлетворять свои потребности». Независимо от типа развития самой сложной задачей является поддержание устойчивого равновесия между «тремя столпами» - конкурирующими друг с другом экологическими, социальными и экономическими интересами. МАГАТЭ было поручено определить, соответствует ли долговременное хранение интересам устойчивого развития, уделяя особое внимание влиянию длительного хранения на безопасность по сравнению с захоронением. Таким образом, ниже будет проведено сравнение долговременного хранения и геологического захоронения с точки зрения устойчивого развития и безопасности.
Хранение является важным элементом безопасного обращения с радиоактивными отходами, и необходимость в нем может возникнуть на различных стадиях обращения с отходами. Отработанное топливо и ряд других видов отходов необходимо хранить в течение определенного периода времени для того, чтобы произошел радиоактивный распад, что позволяет снизить уровень радиации и тепловыделения. Для некоторых видов отходов оно является промежуточным шагом общего процесса обращения с ними и продолжается в течение сравнительно непродолжительного периода времени.
Ряд сторон, которые рассмотрели возможность организации долгосрочного хранения, выражают озабоченность необходимостью очень длительного хранения в течение периода, более продолжительного, чем несколько десятилетий. Их озабоченность возрастает, если становится очевидным тот факт, что стадия хранения может затянуться фактически навечно. Стороны, выражающие такую точку зрения, как правило, обеспокоены тем, что промедление с принятием решения о захоронении без определенных планов относительно времени захоронения ведет к принятию неопределенных административных и финансовых обязательств. Тем не менее, мнения разнятся, поскольку некоторые группы населения отдали серьезное предпочтение дальнейшему хранению радиоактивных отходов на поверхности под постоянным наблюдением.
Безопасность
То, что хранение радиоактивных отходов является безопасным, и что на него можно положиться для обеспечения их безопасности до тех пор, пока ведется активное наблюдение и осуществляется техническое обслуживание, было продемонстрировано в течение десятилетий. В противоположность хранению геологическое захоронение обещает сделать возможным обеспечение безопасности в течение продолжительного времени без наблюдения и технического обслуживания.
Возможность безопасного хранения радиоактивных отходов в течение нескольких десятилетий была наглядно продемонстрирована работой существующих хранилищ. У некоторых методов хранения, использовавшихся раньше, были обнаружены недостатки, которые были устранены при создании новых хранилищ. Возможность решения любых проблем, которые могут возникнуть, можно считать преимуществом наземного хранения.
При хранении отходов в контейнерах неизбежно некоторое конструкционное разрушение контейнеров и их содержимого. Со временем такое разрушение потребует перевода отходов если не на длительное хранение, то в другое хранилище. Чем дольше отходы хранятся перед переводом в другое хранилище, тем выше вероятность того, что произойдет такое разрушение, что повлечет за собой угрозу возможного радиационного облучения персонала, которому, в конце концов, придется осуществлять перевод и работать с такими отходами. С этой точки зрения длительное хранение не очень хорошо отвечает требованиям долговременной безопасности. Более того, если хранилища отходов не находятся под пристальным наблюдением, они уязвимы к случайному или преднамеренному проникновению человека. Это налагает обязательства на будущие поколения по ведению активного контроля над хранилищами ядерных отходов.
Геологическое захоронение обещает обеспечить герметичность и изолированность радиоактивных отходов от человеческого окружения в течение очень длительного времени. Как уже было сказано, конструкция геологических хранилищ предусматривает обеспечение такой изоляции без необходимости активного контроля, то есть они пассивно безопасны. Угроза безопасности из-за возможного проникновения человека в хранилище значительно снижается по сравнению с наземным хранением, в основном благодаря большой глубине, на которой будут находиться такие геологические захоронения. Тем не менее, хотя многие специалисты и убеждены в том, что геологическое захоронение является лучшим решением для обращения с высокоактивными отходами, опыт эксплуатации таких хранилищ отсутствует.
Техническое обслуживание
Техническое обслуживание легче проводить на земле, чем под землей. Однако обеспечить организационный контроль на весь период, пока ядерные отходы остаются опасными, будет нельзя.
Для обеспечения сохранности все, что было создано человеком, требует технического обслуживания. Следовательно, если сохранность конструкции важна для охраны здоровья и обеспечения безопасности людей и окружающей среды, то для того, чтобы избежать постепенного ухудшения защиты, обеспечиваемой такой конструкцией, необходимо будет проводить текущее техническое обслуживание. Проведение текущего технического обслуживания потребует постоянного наличия управлений и организаций, которые могли бы обеспечить выполнение необходимого технического обслуживания. Иногда период, в течение которого на такие организации можно положиться, называется периодом организационного контроля.
Техническое обслуживание требует как выявления дефектов, так и их исправления. Ремонтировать какое-либо устройство проще, если оно доступно и находится на земле, а не под землей; дефекты на стадии их образования также проще выявлять в конструкцию, которая находится на поверхности. Поэтому эффективному техническому обслуживанию способствует размещение конструкций на поверхности. С другой стороны, системы для геологического захоронения задуманы так, что никакая неисправность защитного барьера не сможет повлиять на здоровье людей и состояние окружающей среды из-за наличия других независимых искусственных или естественных барьеров. В техническом обслуживании, следовательно, необходимости не возникнет.
Извлечение
Извлекать материал проще из помещений, которые находятся на поверхности, чем из-под земли, но геологическое захоронение можно создавать в несколько этапов, так что возможность извлечения будет сохраняться в течение длительного времени.
Преимуществом наземного хранения является простота извлечения материала в случае принятия решения о его необходимости. Наличие возможности извлекать ядерные отходы предоставляет будущим поколениям свободу выбора в принятии различных решений, связанных с радиоактивными отходами. Например, будущие поколения могут предпочесть утилизацию отходов путем переработки.
Однако недавние исследования показали, что создавать захоронения можно постепенно, шаг за шагом, сохраняя возможность обратить процесс в случае необходимости и отказаться от решений, принятых на предыдущих этапах. Это позволит отменить решения, которые придется принять раньше, чем будет необходимо, или некоторые решения, которые со временем придется изменить, что предоставит будущим поколениям большую степень свободы по сравнению с более ранними концепциями захоронения. Например, решение закрыть захоронение можно принять позже. Кроме того, захоронение может быть построено, а его работа может быть организована так, что при необходимости в дальнейшем захороненные отходы можно будет извлекать. Важным достижением в этой области является то, что уже сегодня имеются методы контроля, которые можно использовать в течение продолжительного времени, не нарушая целостности захоронения.
Возможность извлечения можно реализовать как при размещении отходов в хранилище, так и при геологическом захоронении. Тем не менее, возможность извлечения является альтернативой лишь до тех пор, пока существует организационный контроль и необходимый технический опыт, и там, где была организована соответствующая система обращения с ядерными отходами. Если все эти элементы существуют, то возможность извлечения будет реальной как при хранении, так и при захоронении.
Защищенность