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
  • Лазерная трансмутация

    Относительно недорогим и весьма эффективным методом утилизации ядерных отходов может стать лазерная трансмутация. Физики из Великобритании и Германии с помощью 360-джоулевого суперлазера VULCAN, сконструированного в Лаборатории им. Резерфорда и Эплтона (Великобритания), превратили 129I – изотоп йода, имеющий период полураспада 15,7 млн лет, - в 128I, период полураспада которого 25 минут.

    Исследователи, поместив перед образцом 129I тонкую золотую мишень, облучали ее импульсами длительностью 0.7 пс. Под действием лазерного луча (Интенсивность в фокусе 5*1020 Вт /см2) мишень испарялась до состояния плазменного облака, причем электроны плазмы приобретали огромные скорости. (Для этого достаточна плотность мощности лазерного излучения на мишени порядка 1028 Вт/см, в этом случае за счет огромных значений электрических полей, возникающих в фокусе лазера, энергия электронов плазмы увеличивается по сравнению с массой покоя на три порядка). Поток ускоренных электронов при торможении на ярах золота образовывал вторичные γ- кванты, которые, в свою очередь, выбивали из образца 129I нейтроны, превращая часть его ядер в ядра 128I. Каждый лазерный импульс позволял получить около 3 млн ядер 128I.

    Захоронение в космическом пространстве

    Проекты утилизации ядерных отходов путем удаления в космическое пространство прорабатывались ранее. В таком методе есть рациональное зерно. Но есть ряд технических, экономических и экологических проблем в осуществлении подобных проектов.

    В настоящее время получили распространение методы утилизации ядерных отходов в достаточно надежных сооружениях на Земле, обеспечивающих необходимую безопасность при хранении.

    Наша страна не будет «ядерным кладбищем», так как существуют технические решения надежного захоронения ядерных отходов и этому вопросу сейчас уделяется большое внимание. Такие проблемы существуют во всех ядерных державах и существуют примеры приемлемого решения задачи утилизации ядерных отходов.

    4.8 СИНРОК

    Более сложным методом нейтрализации высокоактивных РАО является использование материалов типа СИНРОК (synthetic rock — синтетическая порода). СИНРОК был разработан профессором Тедом Рингвудом в Австралийском национальном университете. Изначально СИНРОК разрабатывался для утилизации военных высокоактивных РАО США, однако в будущем возможно его использование для гражданских нужд. СИНРОК состоит из таких минералов, как пирохлор и криптомелан. Первоначальный вариант СИНРОК (СИНРОК С) был разработан для жидких РАО (рафинатов пурекс-процесса) — отходов деятельности реакторов на легкой воде. Главными составляющими этого вещества являются голландит (BaAl2Ti6O16), цирконолит (CaZrTi2O7) и перовскит (CaTiO3). Цирконолит и перовскит связывают актиноиды, перовскит нейтрализует стронций и барий, голландит — цезий.

    4.9 Витрификация

    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.

    4.10 «Голодные» бактерии

    Существует технология, при которой голодные бактерии «поедают» все, что им попадется, при этом им все равно, что есть. Но раньше все разработки и следования в этой области были строго засекречены.

    Два года назад ученые реанимировали эту технологию «голодной бактерии», поставили биохимическую очистку на Бобровском изоляционном заводе, где были стоки воды, полные финила, нефтепродуктов и прочих примесей. Результат – стопроцентная очистка. Стоимость такой технологии в сотни раз меньше традиционных методов.

    Так же эти «голодные бактерии» использовались для переработки радионуклидов. Заместитель руководителя Департамента госконтроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды Российской Федерации Иван Солобоев сообщил что, первые результаты опыта по новой биохимической технологии очистки зараженных радионуклидами и химией воды дали положительные результаты. Сейчас ученые работают в Снежинске (Челябинская область). На очереди - установка оборудования по очистке жидких радиационных отходов производства.

    Пока что эта технология находится в стадии разработки и исследования, но возможно в скором времени она займет главенствующее место в системах утилизации.

    4.11 Повторное использование РАО

    Еще одним применением изотопам, содержащимся в РАО, является их повторное использование. Уже сейчас цезий-137, стронций-90, технеций-99 и некоторые другие изотопы используются для облучения пищевых продуктов и обеспечивают работу радиоизотопных термоэлектрических генераторов.

    4.12 Хранение 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.

    4.13 «Минерализация»

    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.

    4.14 Трансмутация

    Существуют разработки реакторов, потребляющих в качестве топлива РАО, превращая их в менее вредные отходы, в частности, интегральный ядерный реактор на быстрых нейтронах, не производящий трансурановых отходов, а, по сути, потребляющий их. Проект был заморожен правительством США на стадии крупномасштабных испытаний. Другим предложением, более безопасным, однако требующим дополнительных исследований, является переработка подкритическими реакторами трансурановых РАО. Существуют также теоретические исследования, посвященные использованию термоядерных реакторов в качестве *актиноидных печей*. В таком комбинированом реакторе быстрые нейтроны термоядерной реакции делят тяжелые элементы (с выработкой энергии) или поглощаются долгоживущими изотопами с образованием короткоживущих. В результате исследований, недавно проведенных Массачусетским технологическим институтом, было обнаружено, что всего 2-3 термоядерных реактора, схожих по параметрам с международным экспериментальным термоядерным реактором ИТЭР, способны преобразовывать количество актиноидов, вырабатываемое всеми ядерными реакторами на легкой воде. Кроме этого, каждый термоядерный реактор будет вырабатывать порядка 1 гигаватт энергии.

     4.15 Сжигание

    Технология сжигания (прокаливания) в основном используется для уменьшения объема горючих отходов низкого уровня активности. Это - технология, которая является также предметом беспокойства населения во многих странах, поскольку местных жителей волнует  проблема образующихся при сжигании выбросов в атмосферу. Тем не менее, эта технология может использоваться для обработки как жидких, так и твердых отходов -  древесины, бумаги, одежды, резины, а также органических отходов. Пока она используется согласно строгим нормам, установленным для выбросов в атмосферу.

    Объем РАО при сжигании существенно (до 100 раз) сокращается, а 90% активности остается в золе, поступающей на захоронение. Современные технологии, такие как плазменное сжигание, индукционное плавление, позволяют получать конечный продукт в виде высокоустойчивого плавленого компаунда. Он обеспечивает надежную изоляцию радионуклидов от биосферы в течение многих сотен лет.

    Сжигание дорогой и сложный процесс, однако, в мировой практике ему уделяется значительное внимание.

    Сжигание твердых радиоактивных отходов (дерево, бумага, ветошь и т.д.) не вызывает особых трудностей в процессе утилизации, так как из продуктов сгорания не выделяются агрессивные компоненты.

    Сжигание же пластмасс, смол, резины и т.д., приводит в свою очередь к загрязнению окружающей среды выделяющимися в процессе сгорания агрессивными компонентами: хлор, хлористый водород, сероводород, фтористый водород и другие.

    4.16 Уплотнение

    Уплотнение - зрелая, высокотехнологичная и надежная технология уменьшения объема, которая используется при переработке РАО, главным образом, при обращении с  твердыми промышленными отходами низкого уровня активности (LLW). Некоторые страны (Германия, Великобритания и США) также используют эту технологию для уменьшения объема промышленных отходов промежуточного уровня активности ILW/трансурановые (TRU). Диапозон установок для уплотнения может быть достаточно широк: от систем уплотнения с низкой силой давления  (~5 тонн или выше) до прессов с силой уплотнения более 1000 тонн, которые называются суперуплотнителями. Коэффициенты уменьшения объема обычно находятся между 3 и 10, в зависимости от обрабатываемых отходов.

    Уплотнение с низкой силой давления осуществляется на  гидравлических или пневматических прессах для сжатия отходов в подходящие для этого контейнеры, например, металлические бочки емкостью в 200 литров. Для достижения суперуплотнения большой гидравлический пресс сминает непосредственно металлическую бочку  или другой приемный резервуар, содержащий различные формы твердых отходов низкого или промежуточного уровня активности (LLW или ILW). Металлическая бочка или контейнер удерживается в пресс-форме в течение уплотняющего хода суперуплотнителя, который до минимума уменьшает  наружный размер бочки или контейнера. Сжатая металлическая бочка затем снимается с пресс-формы, и процесс повторяется. Две или больше смятых бочек, также называемые таблетками, затем герметизируются внутри контейнера для промежуточного хранения и/или окончательного удаления.

    По своей конструкции установка суперуплотнения может быть передвижной или стационарной, снабженной как базовой системой ручного управления, с минимумом вспомогательного оборудования, так и детально разработанной системой компьютерного управления, которая выбирает металлические бочки, предназначенные для обработки, измеряет вес и уровни излучения, сжимает бочки, размещает сжатые бочки в наружные контейнеры, герметизирует наружные контейнеры, записывает данные о содержании бочек и наружных контейнеров в автоматизированные системы памяти.

    Зал управления Ленинградской АЭС