Атомная станция, ядерные реакторы

Атомная энергетика
  • Ядерная реакция
  • Авария на ЧАЭС
  • Антуан Беккерель
  • Ядерный топливный цикл
  • Степень опасности РАО
  • Лазерная трансмутация
  • География транспортировки ядерных
    отходов в России
  • Новоуральск и ядерные отходы
  • СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
    АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
  • Атомные электростанции (АЭС)
  • Главным сооружением АЭС
    является энергоблок
    .
  • Физика атомного ядра
  • Радиоактивное излучение
  • Выделение энергии при делении
    тяжёлых ядер
    .
  • Зал управления Ленинградской АЭС
  • Степень опасности РАО

    Выражение «отработанное ядерное топливо» — термин, вводящий общественность в заблуждение. Радиоактивные тепловыделяющие элементы, извлеченные из реакторов атомных станций, отличаются высочайшей степенью опасности — уровень излучения отработанного топлива в миллионы раз превышает степень радиоактивности ТВЭЛ перед загрузкой в реактор. При отсутствии защиты радиоактивное топливо после извлечения из реактора способно выдать дозу излучения, смертельную для человека, находящегося в метре от него.

    В художественной литературе и фильмх РАО обычно рассматриваются в качестве источника сверхвозможностей для человека. Пример подобного сценария — укушенный радиоактивным пауком студент, превратившийся в мутанта — Человека-Паука. Человек-Паук был создан студией «Марвел Комикз», на большом экране его дважды сыграл Тоби Магуайр — в 2002 и 2004 годах.

    В действительности контакт с большим количеством РАО может вызвать серьезные повреждения или смерть. Интересно отметить, что влияние на взрослое животное радиации или чего-либо другого, способного вызвать мутацию, например, цитотоксического лекарства против рака, не способно превратить это животное в мутанта. Скорее всего, это воздействие вызовет рак. Подсчитано, что при дозе радиации, равной 1 зиверту, вероятность возникновения рака в человеческом организме равна 5 %, вероятность мутации, которая передастся следующему поколению, в гамете или формирующей ее клетке (например, в яичках) равна 1 %. Если облучен растущий организм, например, зародыш ребенка, существует вероятность возникновения врожденного дефекта, но маловероятно, что этот дефект возникнет в гамете или гаметообразующей клетке.

    В зависимости от формы распада и биохимии элемента, опасность от воздействия радиоизотопов различна. Например, йод-131 — короткоживущий бета- и гамма-излучатель, но, поскольку он накапливается в щитовидной железе, он способен вызвать больше повреждений, чем TcO4, который, будучи растворимым в воде, быстро выводится с мочой. Аналогично, альфа-излучающие актиноиды и радий являются крайне вредными, так как они имеют большие биологические полупериоды существования, и их радиация имеет высокий уровень линейной передачи энергии. Из-за подобных различий правила, определяющие вред, причиняемый организму, сильно различаются в зависимости от радиоизотопа, и иногда от природы химического соединения, содержащего радиоизотоп.

    Даже по прошествии десятилетий распада нахождение в течение пары минут в непосредственной близости от отработанного топлива несет смерть. Такие радиоактивные компоненты ОЯТ, как плутоний-239, остаются опасными для человека и прочих живых существ на протяжении сотен тысяч лет. Пожалуй, отработанные топливные сборки и высокорадиоактивные отходы — наиболее опасная для человечества субстанция.

    Никто не может исключить вероятность того, что имеющиеся в топливе расщепляющиеся материалы могут достигнуть критической массы, вызвав неуправляемую цепную реакцию, выпускающую на волю огромное количество нейтронного излучения, производящего тепловую энергию в объеме, достаточном для полного испарения контейнера, где хранится ОЯТ. Таким образом, ядерные отходы предстоит хранить столетиями, избегая образования критической массы и изолировав их на сотни и тысячи лет.

    Методы утилизации ядерных отходов

    К настоящему времени накоплено большое количество различных видов РАО, представляющих потенциальную угрозу для людей и окружающей среды. Сложность состоит еще и в том, что прошло около 50-ти лет с начала промышленного использования ядерной энергетики, и многие объекты, созданные в начале этого периода, уже выведены из эксплуатации или находятся в аварийном состоянии.

    Главная цель обращения с радиоактивными (или любыми другими) отходами — защитить людей и окружающую среду. Это означает изоляцию или разбавление отходов таким образом, чтобы концентрация любых радионуклидов, попадающих в биосферу, была безопасна. Мною было найдено и изучено 14 методов утилизации РАО, представленных ниже.

    4.1 Битумирование

    Битумирование радиоактивных отходов - отверждение жидких концентрированных или сухих радиоактивных отходов путем смешения их с расплавленным битумом и термического обезвоживания полученной смеси.

    4.2 Цементирование

    Цементирование с помощью жидких цементных растворов, приготовленных по специальным рецептам, позволяет обеспечивать  иммобилизацию радиоактивных материалов, находящихся в твердом виде, в виде ила и осадков / гелей или активированных материалов.

    Как правило, твердые отходы помещаются в контейнеры. Затем  в этот контейнер заливается жидкий цементный раствор, где он и схватывается. Далее контейнер с теперь уже монолитным блоком бетона / отходов пригоден для хранения и удаления.

    В случае если отходы находятся в виде ила и хлопьев, в контейнер, куда они помещаются, добавляется порошковая цементная смесь. Эти два компонента смешиваются внутри контейнера и оставляются для схватывания бетона, также как и при обращении с отходами в твердом виде.

    Этот процесс использовался, например, для отходов среднего уровня активности в небольших бочках из-под нефтепродуктов и в 500-литровых контейнерах, затем его применение было расширено на половину контейнеров ISO (Международная организация по стандартизации) для отходов низкого уровня активности.

    4.3 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.

    4.4 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.

    4.5 Геологическое захоронение

    На сегодняшний день всеобще признано (в том числе и МАГАТЭ), что наиболее эффективным и безопасным решением проблемы окончательного захоронения РАО является их захоронение в могильниках на глубине не менее 300-500 м в глубинных геологических формациях с соблюдением принципа многобарьерной защиты и обязательным переводом ЖРО в отвержденное состояние. Опыт проведения подземных ядерных испытаний доказал, что при определенном выборе геологических структур не происходит утечки радионуклидов из подземного пространства в окружающую среду.

    Мировая практика подземного размещения РАО и ОЯТ, исследования геохимических и физико-химических свойств различных пород показали, что изоляцию РАО от биоцикла можно обеспечить путем захоронения в геологических формациях трех типов:

    – магматические и метаморфические породы;

    – глины;

    – каменные соли.

    Наиболее эффективным решением проблемы иммобилизации РАО в подземных объектах состоит в переводе их в состояние, близкое или аналогичное тому, в котором радиоактивные вещества находились до извлечения из природной среды. В природе радиоактивные элементы всегда окружены кристаллическими структурами, и эти кристаллы на протяжении многих тысяч и даже миллионов лет надёжно удерживают заключённые в них радонуклиды, препятствуют их проникновению в грунтовые воды. Типичный пример таких кристаллов – моноцит, минерал сложного химического состава, содержащий большое количество тория.

    Таким принципиальным решением является включение РАО в химически и физически устойчивые соединения с близким к природному уровнем радиоактивности и с расположением в пространственно локализованном виде в земной коре, вне прямых контактов с окружающей средой. Оно состоит в использовании природных геологических, гидрохимических, геохимических, гидрогеологических процессов образования физико-химически устойчивых соединений и формирования минеральных геологических тел для связывания РАО в природных условиях в пространственно локализованные геологические комплексы не опасные для биосферы – создание матрицы.

    Однако данная технология является слишком дорогостоящей на сегодняшний день. Нехватка энергоресурсов также не позволяет использовать ее в должном объеме, еще одной проблемой является то, что в течение длительных сроков пребывания РАО (с периодом полураспада более 10000 лет) произойдет разрушение матрицы и исчезновение инженерного барьера

    Зал управления Ленинградской АЭС