22 апреля отмечается День Земли. В то время как сейчас мы несколько озабочены другим кризисом, вызванным коронавирусной инфекцией, климатический кризис остается насущной проблемой. Ядерная энергетика является часто упоминаемой альтернативой ископаемому топливу, но она связана с соответствующей проблемой ядерных отходов.
В связи с продолжающимся климатическим кризисом учёные всего мира пытаются найти источники энергии, альтернативные углеродсодержащим ископаемым видам топлива. Одной из альтернатив являются реакции ядерного распада. Противники атомной энергетики указывают на громкие аварии, такие как Чернобыльская и на Фукусиме, а также на проблему радиоактивных отходов, производимых ядерными объектами. Как можно безопасно обращаться с отходами?
Ядерное топливо, как правило, состоит из 3% до 5% обогащенного урана (уран-235 ) содержащийся в топливных стержнях. Ядра урана-235 нестабильны; когда в них "выстреливают" нейтроны внутри ядерного реактора, они распадаются на более мелкие ядра, включая стронций-90 и цезий-137.
Все радиоактивные изотопы обладают свойством, называемым периодом полураспада. Это время, необходимое для того, чтобы число ядер в данном образце изотопа уменьшилось вдвое. Чем дольше период полураспада, тем дольше в нем держится радиоактивный изотоп. Изотопы с периодом полураспада более 30 лет называются долгоживущими, а изотопы с периодом полураспада менее 30 лет - короткоживущими.
Стронций-90 и цезий-137 имеют промежуточный период полураспада около 30 лет. Они создают проблемы, если выпускаются в окружающую среду. Цезий-137 легко распространяется в природе из-за растворимости соединений цезия, в то время как стронций-90 менее легко распространяется, но включается в состав костей и костного мозга при попадании внутрь организмов. Они оба являются высокорадиоактивными и являются основными источниками радиации в Чернобыльской зоне отчуждения.
Эти и многие другие изотопы содержатся в радиоактивных отходах. Отходы обычно делятся на три различные категории, соответствующие их радиоактивности: отходы низкого уровня (LLW), отходы среднего уровня (ILW) и отходы высокого уровня (HLW). Эти типы отходов утилизируются различными способами, исходя из опасности, создаваемой их радиоактивностью.
Отходы считаются LLW, если они имеют не более 4 ГБК на тонну (4 млрд распадов в секунду на тонну объекта) альфа-активности или не более 12 ГБК на тонну бета-или гамма-активности. Большая часть произведенных ядерных отходов (около 90% по объему) - это низкоактивные отходы, но только 1% от общей радиоактивности всех радиоактивных отходов.
ILW (отходы промежуточного уровня) составляют около 7% от всех ядерных отходов и 4% от общей радиоактивности. Они слишком радиоактивен, чтобы считаться LLW, но не производит достаточно тепла, чтобы считаться HLW. Предметы, которые находились в непосредственной близости от радиоактивных источников и поэтому имеют высокий уровень загрязнения, часто классифицируются как HLW. К ним относятся стержни управления, реакторные компоненты и химический шлам от обработки жидких радиоактивных отходов.
HLW обладает достаточно высокой радиоактивностью, что значительно повышает его собственную температуру. Это необходимо учитывать при проектировании объектов по его утилизации. HLW производится в качестве побочного продукта переработки отработанного ядерного топлива и, как правило, является жидким. Они составляют менее 1% от всех отходов, но 95% от общей радиоактивности.
LLW - это самый простой мусор, с которым можно иметь дело. Отходы уплотняются в большие стальные канистры. Они отправляются на свалку, если имеют достаточно низкую радиоактивность, или утилизируются путем хранения в больших бетонных хранилищах под землей. Последнее называется поверхностным захоронением. Когда эти хранилища заполняются, их запечатывают, покрывают верхним слоем почвы и оставляют. Конструкция участков гарантирует, что отходы могут быть оставлены без существенного излучения, достигающего поверхности.
Эти участки иногда имеют газовые вентиляционные отверстия и дренажные системы, чтобы остановить давление в месте строительства и предотвратить любое вымывание из отходов, собирающихся в хранилище.
И ILW, и HLW в конечном счете утилизируются одним и тем же образом. ILW уплотняется в большие стальные контейнеры, которые затем заполняются бетоном для иммобилизации содержимого. Эти контейнеры позволяют безопасно транспортировать и хранить отходы, как правило, в кондиционированных сухих хранилищах, до тех пор, пока не появится подходящее место для захоронения. Некоторые долгоживущие ILW могут оставаться в сухом хранилище до пятидесяти лет, чтобы уменьшить свою радиоактивность.
У HLW есть несколько дополнительных нюансов. Начнем с того, что большая их часть находится в жидком состоянии, и любое отверстие в защитной оболочке приведет к утечке радиоактивной жидкости. Необходим другой способ его иммобилизации, максимально надёжный, т.к. в течение тысяч лет отходы будут оставаться радиоактивными.
Бетон слишком подвержен выветриванию в течение этих длительных периодов времени. Вместо этого отходы смешивают в печи с дробленым стеклом, создавая жидкое высокорадиоактивное стекло. Затем смесь кристаллизуется в больших канистрах, удерживая радиоактивные частицы во взвешенном состоянии в стекле. Этот процесс, называемый витрификацией, делает весьма маловероятным то, что отходы будут что-либо загрязнять.
Однако остаётся вопрос с производством тепла из отходов. Решение заключается в погружении канистр в накопительные пруды, глубокие бетонные водоемы, как минимум на пять лет. После этого они перемещаются в сухое, охлажденное хранилище. Из-за длительного периода полураспада некоторых радиоактивных изотопов в отходах их часто оставляют на целых 50 лет, прежде чем окончательно утилизировать.
Окончательный метод захоронения, согласованный большинством стран для ILW и HLW , заключается в глубоком геологическом захоронении. Оно включает в себя размещение отходов на глубине от нескольких сотен метров до нескольких километров под землей, используя сам камень в качестве барьера для радиации.
Наиболее широко используются заминированные хранилища. Это подземные туннели и пещеры, в которых можно разместить контейнеры. Затем они окружаются камнями и почвой, чтобы служить дополнительным буфером для радиации. Эти пещеры выкапываются на суше или рядом с ней на мелководье, в достаточно устойчивых скалах, таких как гранит. Низкий поток грунтовых вод сводит к минимуму проблемы загрязнения.
Еще одним решением проблемы утилизации ядерных отходов является использование глубоких скважин. Эти скважины просверливаются до 5000 метров в основной породе. Нижние 2000 метров используются для хранения отходов, а остальные запечатываются цементом, бентонитовой глиной или другими подобными материалами.
Скважины могут быть пробурены как в кристаллических, так и в осадочных породах на суше, а также бурятся на шельфе, поэтому постоянно расширяется круг мест, которые могут быть использованы для утилизации отходов. Однако эти отходы не поддаются извлечению, поэтому многие страны исключили такой вариант.
В связи с проблемами радиоактивных отходов, действительно ли ядерная энергетика является ответом на всеобщий поиск альтернативных источников энергии? Многие выступают за возобновляемые источники энергии и рекомендуют избегать использования ядерной энергии. Но возобновляемые источники энергии требуют больших объемов земельных площадей. Ядерный реактор, производящий 1800 мегаватт электроэнергии, занимает площадь в 4,45 квадратных километра. Типичная солнечная ферма занимала бы почти 54 квадратных километра для производства той же мощности.
Возобновляемые источники энергии явно являются частью решения, но трудно понять, как мы можно отказаться от ископаемого топлива за короткое время, необходимое для предотвращения климатической катастрофы, используя только возобновляемые источники энергии. Между тем, люди освоили малоопасные способы обращения с ядерными отходами, и их фактический объем невелик.
Несмотря на это, число ядерных реакторов во всем мире увеличилось с середины 1990-х гг. В то время как в Китае и Восточной Европе строятся новые АЭС, такие страны, как Франция и Германия, планируют полностью отказаться от ядерной энергетики. Изменится ли отношение к этому вопросу в ближайшие годы по мере того, как будет возрастать неотложность, с которой мы пытаемся отойти от ископаемых видов топлива?
