Ядерные отходы: что это и как их утилизировать?

Когда говорят об опасности ядерной энергетики, в разговоре почти неизбежно всплывают отходы. Радиоактивные материалы, которые придётся хранить тысячи лет, — звучит как приговор. Но реальная картина устроена иначе, чем принято думать: объёмы куда скромнее угольных шлаков, технологии хранения существуют и уже применяются, а главное препятствие давно перестало быть научным.

Что относится к ядерным отходам

Ядерные отходы — это побочный продукт работы реакторов, переработки топлива, медицинских учреждений и исследовательских лабораторий. По уровню активности их делят на три основные категории: низкоактивные (спецодежда, инструменты), среднеактивные (детали реакторов) и высокоактивные — то, что остаётся после выгрузки отработанных топливных сборок.

Как устроено ядерное топливо и что с ним происходит в реакторе

В реакторах на тепловых нейтронах топливо — это керамические таблетки из обогащённого диоксида урана, спрессованные в металлические трубки-твэлы. Несколько сотен таких трубок собираются в тепловыделяющую сборку, которую загружают в активную зону реактора. Под действием нейтронов ядра урана-235 делятся, выделяя тепло и накапливая осколки деления — цезий-137, стронций-90, технеций-99 и десятки других изотопов. Примерно через три-четыре года делящегося материала в сборке остаётся недостаточно для поддержания цепной реакции, и её извлекают.

Свежевыгруженная сборка остаётся смертельно опасной: она выделяет около 10 000 зивертов в час при том, что доза в 8–10 зивертов, полученная за короткое время, несовместима с жизнью. Первые несколько лет сборки хранятся в бассейнах с водой прямо на территории АЭС — вода одновременно поглощает излучение и отводит остаточное тепло.

Статья по теме на LifeGlobe.net: Решило ли человечество проблему утилизации ядерных отходов

Почему отходов меньше, чем кажется

Уран — исключительно плотный энергоноситель. Один килограмм обогащённого топлива даёт столько же энергии, сколько несколько тысяч тонн угля. Крупный реактор мощностью около гигаватта производит в год порядка 25–30 тонн отработанного топлива. Если пересчитать на одного человека, которого этот реактор обеспечивает электричеством, получается объём примерно с кирпич — и лишь несколько граммов из него приходится на высокоактивную фракцию.

За всё время существования мировой атомной энергетики — с 1950-х годов по сегодняшний день — накоплено около 400 000 тонн отработанного ядерного топлива. Это много в абсолютных цифрах, но несопоставимо мало по сравнению с сотнями миллиардов тонн углекислого газа или миллиардами тонн токсичной золы, которые угольная генерация выбросила за тот же период.

Радиоактивность со временем падает — но не быстро

Высокоактивные отходы составляют около 3% от общего объёма всех радиоактивных материалов, но генерируют примерно 95% суммарной активности. Через 40–50 лет хранения в бассейне или сухом хранилище их активность снижается примерно в тысячу раз по сравнению с первоначальной. Через несколько тысяч лет она опускается до уровня природной урановой руды, из которой топливо было когда-то получено.

Проблема в том, что несколько тысяч лет — это не абстракция. Ни одна человеческая институция не существовала так долго.

Остекловывание и глубокое захоронение

Наиболее проработанный метод обращения с высокоактивными отходами — перевод их в стабильную твёрдую форму с последующим захоронением глубоко под землёй. Жидкие отходы от переработки топлива смешивают с расплавленным боросиликатным стеклом и заливают в нержавеющие цилиндры высотой около полутора метров. Стекло химически инертно, практически не растворяется в воде и удерживает радиоактивные изотопы внутри матрицы на протяжении очень длительного времени. Такие блоки затем планируется размещать в глубоких геологических хранилищах — на глубине 300–1000 метров в стабильных породах: граните, глине или каменной соли.

Франция остекловывает отходы с 1970-х годов и накопила значительный практический опыт. Великобритания, Бельгия и Япония используют схожие подходы. Объект в шведской Форсмарке, где уже ведётся строительство финального хранилища в гранитных породах, рассчитан на 100 000 лет изоляции.

Параллельно с задачей хранения отходов человечество продолжает совершенствовать и само ядерное оружие — самые мощные ядерные ракеты современности дают представление о том, насколько далеко зашёл этот путь.

Финляндия строит первое в мире финальное хранилище

Единственная страна, вплотную подошедшая к реальному захоронению высокоактивных отходов, — Финляндия. Подземный комплекс «Онкало» на острове Олкилуото строится с 2004 года на глубине около 400–450 метров в докембрийском граните возрастом почти два миллиарда лет. Первые отработанные сборки планируется загрузить в середине 2020-х годов. После заполнения хранилище будет запечатано, и теоретически его можно будет полностью забыть — порода достаточно стабильна, чтобы не требовать никакого обслуживания.

Инженерам при проектировании пришлось решать неожиданную задачу: как предупредить людей через 10 000 лет о том, что здесь захоронено нечто опасное, если за это время могут исчезнуть все существующие языки и письменности. Эту проблему — коммуникации через тысячелетия — исследователи называют одной из самых странных в истории инженерии.

Почему хранилища до сих пор не построены везде

В большинстве стран отработанное топливо по-прежнему лежит во временных хранилищах — бассейнах или металлических контейнерах на поверхности, — хотя некоторые из них эксплуатируются уже по 40–50 лет. Технически это безопасно. Политически — тупик.

Ни один регион не хочет принимать у себя финальное хранилище. В США проект подземного комплекса в горе Юкка-Маунтин в Неваде был заморожен в 2010 году после десятилетий согласований и нескольких миллиардов долларов вложений — в первую очередь из-за противодействия властей штата. Германия с 2000 по 2022 год прошла через долгий политический разворот: сначала отказалась от атомной энергетики, потом снова задумалась о её роли на фоне энергетического кризиса, а вопрос о постоянном хранилище отходов остался без окончательного ответа.

Читайте далее: Свалка ядерных отходов стала достопримечательностью