Ядерні відходи. Ми всі про них чули, але що конкретно це таке і чому вони такі важливі? І чи не є це проблемою без вирішення? Наскільки це велика проблема? Сьогодні дізнаєтесь.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Термін «ядерні відходи» викликає в уяві образи іржавих цистерн, що протікають сяючим зеленим радіоактивним вмістом у річки та ґрунт, спричиняючи рак і хвороби у сусідніх містах – або, можливо, мутованих істот, які безчинствують, знищуючи ці міста.
Але оскільки світ прагне відмовитися від викопного палива, ядерна енергетика відіграватиме все більшу роль у глобальному енергетичному балансі, тож варто вийти за рамки популярних образів і дізнатися, що насправді таке ядерні відходи, які ризики вони становлять і як їх позбутися?
Теж цікаво: Наскрізне шифрування: що це таке та як працює
Що таке ядерні відходи
Якщо простими словами, ядерні або радіоактивні відходи – це побічні продукти роботи ядерних реакторів, переробки палива, виробництва зброї, медичних закладів та дослідницьких лабораторій. Однак цей термін охоплює багато різних видів відходів. Крім того, ядерні відходи незвичні тим, що вони різко змінюють свої властивості з часом, переходячи з однієї форми відходів в іншу.
Тож відповідь не є простою, але, мабуть, найкраще почати з найбільш знайомої і серйозної форми ядерних відходів – високоактивних відходів, що утворюються в результаті роботи цивільних ядерних реакторів.
Як утворюються ядерні відходи
У більшості ядерних реакторів паливо знаходиться в ТВЕЛах (тепловидільних елементах). ТВЕЛи складаються з паливного осердя, оболонки з радіаційно стійкого металу і кінцевих деталей. Тип ТВЕЛа визначається типом, призначенням реактора і параметрами теплоносія. У більшості сучасних промислових реакторів, ТВЕЛом є стрижень діаметром близько 2 см і довжиною у декілька метрів. Вони містять збагачений уран з високим вмістом ізотопу урану-235, що розщеплюється. Ці елементи поміщаються всередину трубок з металевого сплаву, утворюючи стрижні, а стрижні збираються в пучки, і все разом називається тепловидільною збіркою.
В основі роботи атомної станції – ланцюгова ядерна реакція. Спочатку ядерна енергія перетворюється у теплову, далі теплова в механічну, а механічна в електричну. Перетворення ядерної енергії в теплову відбувається в активній зоні ядерного реактора, де в результаті поділу урану виділяється значна кількість тепла. Паливом для реактора якраз і є збагачений уран, який знаходиться у ТВЕЛах.
Цей уран в ТВЕЛах є радіонуклідом – елементом з нестабільним ядром, завдяки цій властивості він здатний до радіоактивного розпаду. В результаті розпаду ядро розщеплюється на два уламки поділу, вивільняє енергію та генерує від 1 до 8 нейтронів. Які, маючи високу швидкість і, зіштовхуючись із сусідніми ядрами, провокують наступні поділи, якщо концентрація палива досить велика, результатом є самопідтримувана ядерна реакція.
Утворені уламки поділу мають велику кінетичну енергію, яка через зіткнення з атомами інших елементів трансформується в тепло – процес термалізації. Це тепло переносить теплоносій, яким зазвичай є очищена вода, яка подається в парогенератор головними циркуляційними насосами. Перший контур теплоносія реакторної установки – це контур разом із системою компенсації тиску та головними циркуляційними насосами, що призначені для забезпечення циркуляції теплоносія через активну зону в установлених проектом режимах і умовах експлуатації. Теплоносій, який контактує з тепловиділяючими збірками, стає радіоактивним, тому він замкнений в межах першого контуру і не має прямого контакту з другим контуром.
Вода із замкнутого першого контуру в парогенераторі передає свою теплову енергію для теплоносія другог контуру – звичайної очищеної води, у результаті чого відбувається її кипіння. Охолоджений теплоносій за допомогою головного циркуляційного насоса знову спрямовується до реактора, і контур замикається. Пара, що утворилася в парогенераторі, по трубопроводах другого контуру спрямовується на парову турбіну і обертає її лопатки. Так відбувається перетворення теплової енергії в механічну. Водночас до парової турбіни приєднаний електрогенератор, який генерує електричну енергію, тобто відбувається перетворення механічної енергії на електричну.
Коли достатньо урану-235 спожито, паливо вважається відпрацьованим і стає, по суті, відходами. Так відбувається вироблення енергії на двоконтурних АЕС, які експлуатуються в Україні.
Для довідки: Сьогодні в 32 країнах працює близько 440 ядерних реакторів із загальною потужністю близько 390 ГВт. У 2022 році вони дали 2545 ТВт·год, тобто приблизно 10% світової електроенергії. Станом на листопад 2023 у світі будується близько 60 реакторів, планується збудувати ще 110, здебільшого вони будуть розташовані в Азії.
Теж цікаво: Як виглядатимуть пасажирські літаки майбутнього
Скільки утворюється відходів
Причина, чому ядерна енергетика є такою привабливою, полягає в тому, що паливо є надзвичайно щільним з точки зору енергії, яку воно випромінює. Один грам урану вивільняє енергію, еквівалентну енергії 3 т вугілля. Це означає, що у великому гігаватному реакторі виробляється менше 30 т відпрацьованого палива на рік. Якщо розділити це відпрацьоване паливо на кількість людей, яких обслуговує реактор, то вийде обсяг відходів розміром з цеглину на кожного, який включає лише 5 г високоактивних відходів після переробки.
Радіація
Найочевидніша загроза, яку становлять ядерні відходи – це радіація. Те, що може вбити вас, просто перебуваючи поруч з вами, настільки далеко від визначення «безпечне», наскільки це взагалі можливо. Тож якою є природа радіаційної загрози і як довго вона триває?
Високоактивні відходи складають 3% відпрацьованого палива за об’ємом, але вони виробляють 95% радіоактивності. Вони не лише високорадіоактивні, але й термічно гарячі, тому їх потрібно ретельно захищати, а працювати з ними можна лише за допомогою дистанційних маніпуляторів. Щоб дати уявлення про те, наскільки радіоактивні ці відходи, коли вони виходять з реактора, вони випромінюють 10000 бер/годину протягом наступних 10 років. Для розуміння – лише 500 бер/год достатньо, щоб убити людину.
На відміну від багатьох неядерних відходів, таких як миш’як або азбест, ядерні відходи змінюються з часом, оскільки атоми піддаються радіоактивному розпаду, а продукти розпаду перетворюються з одного елемента на інший. Швидкість, з якою відбувається цей розпад, називається періодом напіврозпаду. Тобто, період напіврозпаду радіоактивного елемента – це час, за який розпадається половина заданої кількості. Наприклад, ізотоп йоду-131 має період напіврозпаду близько восьми днів, а плутонію-239 – 24 тис. років.
На перший погляд здається, що йод безпечніший за плутоній, оскільки йод дуже швидко розпадається, тоді як плутоній зберігається століттями. Насправді, все з точністю до навпаки. Йод-131 надзвичайно небезпечний, оскільки його короткий період напіврозпаду означає, що він випромінює радіацію, в той час як плутоній лише помірно радіоактивний. Єдиний спосіб, у який плутоній може стати небезпечним, – це якщо його проковтнути, і частинки потраплять у м’які внутрішні тканини, де вони можуть викликати пошкодження клітин.
Ось чому відпрацьоване паливо зберігається на майданчику реактора, коли ТВЕЛи виймаються з реактора. Паливо зберігається під водою в басейнах витримки протягом декількох років, поки небезпечні ізотопи розпадаються. Протягом 40 років радіоактивність знижується до однієї тисячної від того рівня, коли паливо було вивантажене, а протягом 1-10 тис. років паливо є настільки ж радіоактивним, як і вихідна руда, з якої воно було виготовлене. Довготривала радіоактивність пояснюється тим, що відпрацьоване паливо перетворюється на трансуранові елементи, перетворюючи його з високорадіоактивних відходів на середньорадіоактивні відходи, які мають помірну радіоактивність. З цієї причини захоронення високоактивних відходів також означає захоронення середньоактивних відходів.
Теж цікаво: ТОП-5 найсучасніших атомних підводних човнів
Захоронення
Але як ці високоактивні відходи утилізуються і які існують альтернативи? Існує низка різних методів захоронення, деякі з них набагато простіші, ніж той, якому зараз надається перевага. Наприклад, відходи можна запечатати в сталеві контейнери і залишити в стабільному регіоні антарктичної крижаної шапки, де вони розтануть і будуть поховані під кількома кілометрами льоду протягом наступних 100 тис. років. Або ж відходи можна покласти в глибокі шахти, де зустрічаються дві тектонічні плити, і залишити їх сповзати вниз, у розплавлену мантію Землі.
Можливо, найпростіший спосіб – помістити каністри всередину дротиків із загостреними носовими конусами, наповненими свинцем, і скинути їх у глибокий океан, де вони на великій швидкості вдаряться об морське дно і поховають себе глибоко в мулі. Цей метод був ненавмисно використаний для реакторів американських атомних підводних човнів Scorpion і Thresher, які розпалися під водою в 1960-х роках під час двох окремих аварій. ВМС США так і не потурбувалися про те, щоб відновити реактори, оскільки їх неможливо було знайти, а тим більше відкопати.
Є кілька причин, чому ці та інші методи не використовуються. Деякі були відкинуті з технічних причин, інші – через міжнародні договори. Але більшість з них мали один спільний недолік. Після захоронення відходи неможливо повернути. Хоча про це мало говорять, але високоактивні ядерні відходи мають неймовірну цінність. Вони не лише можуть бути перероблені для створення нового палива, але й містять цілий «шведський стіл» ядерних ізотопів, які користуються великим попитом у медицині та промисловості, тому можливість вилучення цих відходів у майбутньому є вкрай бажаною.
Зберігання відпрацьованого ядерного палива в сухих контейнерах
Після охолодження паливних стрижнів у басейнах витримки їх переміщують у сховище для зберігання в сухих контейнерах приблизно на 10 років. Охолоджені стрижні поміщають у сталеві та бетонні циліндри висотою 5 м з декількома внутрішніми шарами, концентричними ущільненнями та амортизаторами. Заповнені інертним газом, вони витримують торнадо, землетруси, терористичні атаки або несанкціоноване проникнення.
Вони не лише захищають ззовні від радіації, але й пасивно відводять тепло, що виділяється зі стрижнів.
Теж цікаво: Як безпечно користуватись ДБЖ, акумуляторами та павербанками
Глибоке геологічне сховище
Наступним кроком є або відправка палива на переробку, щоб перетворити його на нове паливо, або на довгострокове зберігання в глибоке підземне сховище. Для зберігання відпрацьоване паливо виймають з ТВЕЛів, витягують високоактивні відходи, а потім перетворюють на сухий порошок, який змішують з розплавленим склом. Потім його висипають у контейнери з нержавіючої сталі висотою близько 1 м і дають охолонути. Кінцевий продукт є майже хімічно інертним, і радіоактивний матеріал розсіюється по всьому склу, зменшуючи кількість випромінювання.
Після обробки бочки з відходами переміщуються до сховища, яке побудоване в геологічно стабільній зоні, ізольованій від навколишнього середовища. Хоча відходи можуть бути вилучені, передбачається, що в певний момент у майбутньому сховище буде засипане і запечатане.
Наскільки ефективним може бути таке сховище, ілюструє природний ядерний реактор у Габоні, який утворився два мільярди років тому, коли ядерні руди стали незвично концентрованими. Незважаючи на дощі і просочування ґрунтових вод, ядерні матеріали з цього реактора мігрували крізь гірську породу лише на 10 м. Такі геологічні сховища були схвалені в багатьох країнах, і США вже експлуатують одне з них для зберігання відходів виробництва ядерної зброї. Очікується, що Фінляндія також відкриє таке сховище в найближчому майбутньому.
Майбутнє
З технологічної точки зору, проблеми захоронення ядерних відходів значною мірою вирішені. Низькоактивні відходи регулярно переробляються, а методи захоронення високоактивних відходів вже впроваджені або очікують на затвердження. Окрім зберігання високоактивних відходів, існують й інші способи позбавлення від них, включаючи нові реактори на швидких нейтронах і переробку на вищому рівні. Однак розслаблятися не варто. Ядерні відходи – дуже небезпечна річ, і з ними не варто жартувати.
Проблема відходів залишається однією з найбільших перешкод для ядерної промисловості, але вона не є технологічною. І не економічною. Атомна промисловість незвичайна тим, що вона повинна враховувати утилізацію відходів у вартості експлуатації станції, але досвід показує, що поводження з відходами становить лише 10% від загальної вартості виробництва ядерної електроенергії.
Проблема в основному політична. Немає сенсу мати успішний проєкт сховища відходів, якщо ніхто не хоче, щоб його будували у себе на подвір’ї. Причин для цього багато. Для одних це справжня і конкретна екологічна стурбованість, викликана такими подіями, як Чорнобиль. Інші бачать в атомній енергетиці перешкоду для економіки, заснованої на відновлюваних джерелах енергії та свідомому обмеженні споживання енергії, тоді як багато хто реагує на все ядерне спогадами про холодну війну і страхом перед ядерною зброєю.
Чи буде проблема ядерних відходів і надалі перешкоджати розвитку ядерної енергетики, ще належить з’ясувати. Безперечним є те, що незалежно від поглядів на ядерні відходи, це не теоретичне питання, яке може бути використане для того, щоб відкинути цілий енергетичний сектор на підставі перших принципів. Це проблема, яку потрібно вирішувати. По всьому світу їх накопичилося за 80 років чимало, і ми повинні щось з ними робити.
Якщо вам цікаві статті та новини про авіацію та космічну техніку — запрошуємо вас на наш новий проєкт AERONAUT.media.
Читайте також: