Ядерный топливный цикл: Отработанное ядерное топливо
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f4/FuelCloseCycle.jpgПрежде, чем продолжить описание замкнутого ядерного топливного цикла, как меня убедили, стоит значительно подробнее рассказать о процессе переработки ОЯТ – отработанного ядерного топлива.
И я вынужден согласиться: ведь большая часть радиофобии, подогреваемой всевозможными противниками атомной энергетики, основана именно на мифе о жуткой вредности ОЯТ, которая просто валит с ног невероятной радиоактивностью и со дня на день уничтожит всю планету и нас, «нищасных», вместе с ней.
Так что, хоть я сначала и не планировал, а придется написать цикл внутри цикла – о хранении и о переработке ОЯТ.
Часть 1. Ядерный топливный цикл: Предисловие
и
Часть 2. Ядерный топливный цикл: Анатомия ОЯТ
Часть 3.
С переработкой ведь не всегда было все гладко. До того момента, как стали внедрять запатентованный в 1947 году американцем Леанердом Аспреем (Larned Brown Asprey) пьюрекс-процесс, и на Западе, и у нас применялся висмут-фосфатный процесс, разработанный в тех же США в 1943 году. Висмут-фосфатный процесс использовался, в первую очередь, для наработки оружейного плутония из ОЯТ, поступавшего с реакторов-бридеров, «заточенных» под создание конкретно плутония-239.
Благодаря ему Нагасаки «порадовал» именно плутониевый заряд, и тот же висмут-фосфатный процесс использовался в СССР для создания наших бомб. И американцы, и мы торопились ковать ядерный щит и меч, поэтому руки до освоения придумки Аспрея дошли позже, чем надо было.+
Память о себе висмут-фосфатный процесс нам оставил очень недобрую: с 1957 года от Озерска до Пионерска, более, чем на 300 км, протянулся Восточно-уральский радиоактивный след, накрывший собой 23 тысячи квадратных километров и 272 тысячи человек, проживавших на этой территории.
Атеисты говорят о розе ветров, верующие – о том, что кто-то или что-то хранит Россию, спорить нет смысла: Восточно-уральский след не коснулся Свердловска и Челябинска, городов-миллионников. Но ядерное оружие собрало свою кровавую жатву – в первые же 10 дней погибло от радиации не менее 200 человек, а общее число пострадавших оценивается в 250 тысяч человек.
Об этом нельзя не рассказать подробно – надо хорошо понимать, как такое стало возможно и все ли сделано, чтобы такое никогда не повторилось впредь. Так что рассказ об этой аварии на заводе «Маяк», конечно же, будет. Вот только давайте не сразу – сначала попробуем понять подробнее, что же такое ОЯТ, как с ним обращаются у нас и за рубежами России. Так что начнем с изучения того, как ОЯТ хранится, а потом уже вернемся к способам его переработки.
Просматривая сайты «Гринписа» и прочих борцов за экологию, я иногда натыкался на расшифровку аббревиатуры ОЯТ как «отходов» ядерного топлива.
http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/08/nuclear-waste-problem-e1471173897367.jpg
Фото: http://ultraprogress.ru/
«Отходы»?.. Давайте еще раз напомню, что мы видим в условной тонне ОЯТ. 924 кг урана-238. Ничего себе, «отход»! Его ведь добыли из природной руды, в которой частенько 99% и даже больше – пустая порода. Вытаскивали из шахт/карьеров, очищали механически, химически, перевозили из отдаленных уголков, прокручивали в центрифугах – и вот после всего этого кто-то хочет называть это «отходами»? Блин, никакой совести…
Дальше – около 8-9 кг урана-235, на котором, собственно говоря, и работает вся наша атомная энергетика. От 10 до 12 кг – изотопы плутония, которого в природе просто не существует ни в каком виде, он может «вырасти» только в самом реакторе. 945 килограмм в тонне – однозначно полезные вещества, добытые человеком за счет огромного труда и немалых денег. Еще 21 кг – это трансурановые элементы.
«Трансурановые» – это те, которые тяжелее урана, которые в природе тоже не встречаются, которые тоже вот только в атомном реакторе и «выращиваются». Среди них, к примеру, изотоп нептуния-237 – прекрасный исходный материал для получения плутония-238.
А плутоний-238 – это основа РИТЭГов, радиоактивных источников электроэнергии: плутоний-238, распадаясь, производит тепло, а термоэлектрогенератор превращает ее в электричество. На РИТЭГах работает аппаратура космических аппаратов, летящих туда, где солнечные батареи уже бесполезны. К примеру, РИТЭГ обеспечивает электричеством марсоход «Кьюорисити» – сейчас РИТЭГ дает 125 ватт электрической мощности, через 14 лет будет выдавать 100 ватт. На РИТЭГах работала и все еще работает аппаратура «Вояджеров», аппаратура стартовавшего к Плутону «Нью Хоризонта».
А еще РИТЭГи – аппаратура навигационного оборудования вдоль Северного морского пути, работающая годами на берегах морей с удивительно ласковой погодой. РИТЭГи – это работа метеостанций в такого же рода местах: выставили один раз, и до следующего захода – лет 20-30 в запасе. «Отход»?..
Америций-241 – основа измерительных приборов, нужных в самой разной промышленности. Только этот элемент делает возможным, например, непрерывно измерять толщину металлических лент, листового стекла. При помощи америция-241 снимают электростатику с пластмасс, синтетических пленок, бумаги при их производстве, он стоит в некоторых детекторах дыма.
Еще перспективнее америций-243 – на нем возможна цепная реакция при критической массе всего 3,78 кг. Нет, не для бомб, успокойтесь не волнуйтесь. 3,78 кило – это сверхкомпактный реактор, который спокойно поднимается на орбиту, откуда и может состояться старт корабля в дальний космос на совсем других скоростях, нежели сегодняшние космические аппараты. Нет, я тут не фантастический рассказ сочиняю: в тонне ОЯТ – около килограмма америция-241, из которого и можно произвести почти килограмм америция-243.
Про трансурановые атомы, про их изотопы можно рассказывать и рассказывать – многие из них интересны уже сейчас, многие открывают самые заманчивые перспективы. Так что человека, который обзывает ОЯТ «отходами» хочется понять и простить. Хочется – но не можется.
Вся радиоактивная опасность – оставшиеся 30 -35 кг так называемых «продуктов деления». Цепная реакция – это ведь не только «один нейтрон выбил два нейтрона, а те, в свою очередь, еще четыре». Нейтроны нейтронами, а что происходит с атомом, в который оный нейтрон изволил врезаться? От удара атом урана-235 разваливается на части, то же самое делает атом плутония. Да, есть еще один «секрет» атомной энергетики, заслуживающий пары слов.
Помните, как образуется плутоний в реакторе? Время от времени «балласт» в виде урана-238 принимает в себя нейтрон и, после двух бета-распадов, превращается в плутоний-239. А плутоний в цепную реакцию вступает еще охотнее, чем уран-235, и он это делает сразу, как только образуется. Плутоний «горит», добавляя мощности всем нашим реакторам – и это хорошо и полезно. 1% плутония, который, в среднем, содержится в ОЯТ – это тот плутоний, который не успел «сгореть», а вырабатывается его за время нахождения твэлов в реакторе раза в два больше.
Так вот, вся вредность ОЯТ – это осколки, образующиеся после ударов нейтронов в ядра урана-235 и в ядра плутония. Три – три с половиной кило редчайшей гадости и мерзости в каждой тонне. Часть этих элементов начинает активно «поедать» нейтроны, замедляя реакцию.
Часть этих элементов ухудшают прочность топливной таблетки, делая ее хрупкой, а часть – это вообще газы, которые заставляют «распухать» топливные таблетки. И все продукты деления (дальше – просто ПД. Нет, просто П и Д, не надо добавлять лишние буквы, хоть они и просятся!) – радиоактивны до неприличия.
Так что, когда мы говорим о переработке ОЯТ – мы рассуждаем о том, как сделать максимально безопасными вот эти самые 3 – 3,5% ПД, как использовать повторно невыгоревшие уран-235 и реакторный плутоний. На всякий случай повторю, что такое «реакторный плутоний»: смесь из изотопов плутония с номерами 239, 240 и 241. Плутоний-240 – то, из-за чего плутоний реакторный никогда не станет плутонием оружейным, то есть то, что делает ОЯТ безопасным с точки зрения распространения ядерного оружия.3
Не хочется теоретизировать, давайте просто посмотрим на судьбу твэлов после того, как их вытащили из реактора. Сборки «фонят» и греются изнутри, поскольку в ПД продолжаются ядерные реакции. Куда деть такое «счастье»? Ну, не транспортировать же!
Вода, самая простая вода очень неплохо тормозит нейтроны – вот потому твэлы с ОЯТ и укладывают в специальные пристанционные бассейны. После того, как радиоактивность и температура упадут до значений, которые позволяют их транспортировать, стержни извлекают, помещают в специальную толстостенную тару и везут в специальные «сухие хранилища». «После» в случае водно-водных реакторов – это через три года, меньше нельзя. Транспортировка – это совсем не тривиальная операция.
Засунуть сборки твэлов во что-нибудь чугунно-свинцовое – так ведь вес! Потому контейнеры просто стальные, но зато заполнены инертными газами – они и нейтроны поглощают, и охлаждают одновременно. А вот уже сами контейнеры – в транспортно-упаковочные комплексы, где снова сталь, но уже в комплекте с бетоном. Вытащили из бассейна, уложили в контейнеры, в контейнеры вкачали газ, контейнеры упаковали-закрепили в комплексы и только после этого – повезли. Только так и никак иначе.
Куда везут? Сухие хранилища ОЯТ реализованы в России, США, Канаде, Швейцарии, Германии, Испании, Бельгии, Франции, Англии, Швеции, Японии, Армении, Словакии, Чехии, Румынии, Болгарии, Аргентине, Румынии, Украине. Все остальные страны вынуждены каким-то образом договариваться с ними. Впрочем, чего это я? «Каким-то образом» – да понятно, каким! Деньги. Вариантов нет.
http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2016/08/26150006.jpg
Технология хранения ОЯТ в хранилищах контейнерного типа с использованием контейнеров двухцелевого назначения (для хранения и транспортирования), Фото: atomic-energy.ru
Сухие хранилища – тоже большая тема. Дело тут не столько в качестве, сколько в количестве. 400 с лишним коммерческих реакторов по миру, сотни опытных, экспериментальных, исследовательских, реакторов подлодок прочих авианосцев…
Ага. 378,5 тысяч тонн ОЯТ – на сегодня, на лето-2016. И 10,5 тысяч тонн ежегодно. И 3-3,5% в них – ПД. Я не просто так говорил, что в эту аббревиатуру настырно просятся дополнительные буквы… Много. Очень много. Потому и хранилищ надо немало, объемы им большие требуются.
Прочие требования понятны: радиационная безопасность, защита от любых проникновений, максимально возможная удаленность от крупных городов. ПД и после трех лет под водой продолжают активничать – значит, еще и система охлаждения в комплекте с системой радиационной безопасности. В общем, хлопотно, дорого, но вариантов нет.
Давайте чуть подробнее о том, как это организовано в России, поскольку наше сухое хранилище ОЯТ (с вашего позволения – далее СХ ОЯТ) введено в строй совсем недавно, и на нем впервые применены технологические новинки, делающие его на сегодня уникальным. И эти слова – не ура-патриотизм с шапко-закидательством, а констатация факта со стороны МАГАТЭ.
Строить СХ ОЯТ в Железногорске, на Горнохимическом комбинате (далее – просто ГХК) начали в далеком 2002, но до активной работы прошло шесть лет: все резко изменилось после того, как в 2008 году Россия приняла свою первую федеральную целевую программу «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на период с 2008 по 2015 годы».
После этого была решена проблема финансирования, и генеральный директор ГХК Петр Гаврилов показал, что и в наши времена работать, засучив рукава, выдавая на-горА результат четко по графику и без набивших оскомину финансовых махинаций – тоже можно. В декабре 2011 СХ ОЯТ на ГХК (ух ты, какой поток аббревиатуры получился) был сдан в эксплуатацию.
Успели! Уложились ровно в смету – 16 миллиардов рублей, и давайте-ка мы эту цифру зафиксируем поточнее, чтобы было удобнее сравнивать с затратами в странах, которые теперь принято изящно называть «западными партнерами». Курс рубля к доллару в 2011 – в среднем 31, так что в СХ инвестировано 516 миллионов долларов. Объем первой очереди СХ на ГХК – 8,129 тысяч тонн, то есть арифметика у нас в России – 6 миллионов 350 тысяч долларов на хранение 1 тысячи тонн ОЯТ (разумеется, это только первоначальные затраты).
И слово «успели» с восклицательным знаком – тоже не просто так. Проблема была в том, что на производственном объединении «Маяк» не перерабатывалось ОЯТ с реакторов типа РБМК – только с реакторов ВВЭР. Соответственно, «мокрые» хранилища под топливо с РБМК заполнялись, заполнялись и заполнялись. От переполнения пристанционных площадок спасало большое «мокрое» хранилище на том же ГХК, но и оно в 2011 было забито под завязку.
На российских АЭС за год вырабатывается 650 тонн ОЯТ, и половина из них – ОЯТ именно с РБМК, хотя количественно их значительно меньше, чем ВВЭР: технология реакторов такова, что на РБМК топливо выгорает куда меньше, чем на ВВЭР. Обстановка в 2011 году из-за этого была весьма напряженной. К примеру, «мокрое» хранилище Ленинградской АЭС к этому моменту было заполнено на 95%: еще одна выгрузка топлива, и АЭС бы пришлось просто останавливать.
Первый состав с ОЯТ из Питера прибыл уже в феврале 2012 – проблему удалось решить, «просто» выдержав график работ с точностью до часов. Ау, космодром Восточный!.. Ищите телефон Петра Гаврилова, напрашивайтесь на лекцию о том, как надо работать. С декабря 2011 года решена проблема ОЯТ для Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС. В сухое хранилище перегружают ОЯТ из «мокрого» хранилища самого ГХК, а в него перегружается ОЯТ этих трех АЭС, вылежавшее больше срока, после которого возможна транспортировка.
Почему именно ГХК выбран в качестве места для центрального, главного хранилища? Ну, прежде всего – из-за большого опыта, наработанного за время работы «мокрого» хранилища и потому, что на ГХК запланировано и строится завод по переработке ОЯТ мощностью 1 500 тонн в год.
Снова прошу обратить внимание на цифры: ежегодно российские АЭС выдают 650 тонн ОЯТ в год, «Маяк» перерабатывает 600 из них, завод на ГХК будет перерабатывать еще 1 500. Темп переработки запланирован в три раза больший, чем поступление ОЯТ.
Зачем? Россия сможет принимать на переработку ОЯТ с реакторов советского дизайна, а они стоят на территории Украины, в Армении, Болгарии, Чехии, Финляндии, не говоря уже про новые АЭС, которые Росатом строит по миру. Идея очевидна: зарабатывать деньги не только на строительстве реакторов, обеспечении их топливом, но и на, так скажем, постэксплуатационном участке.
Но есть и другие причины, по которым и под хранение, и под перереботку ОЯТ был выбран именно город Железногорск (который некогда был Красноярском-26). Режим охраны этого объекта выстроен давным-давно и работает без малейших отклонений.
Сейсмическая опасность для таких объектов – очень важный момент, а Железногорск находится в одной из самых безопасных в этом отношении зон нашей планеты. Разумеется, и при строительстве про землетрясения никто не забывал: здание СХ способно выдержать удары до 9,7 баллов. Правда, в истории Земли таких встрясок в Сибири не было, но если уж делать – так с запасом. И, вполне традиционно для российских атомных объектов, падение самолета на крышу СХ – тоже учтено.
Как беспокоились о безопасности радиационной? Было аккуратно разобрано незавершенное здание завода РТ-2, и на его фундаменте, после тщательных расчетов, построили совершенно новое. Новое здание – это, на минуточку, 80 тысяч кубометров монолитного железобетона. Но эти стены только, что называется, внешний периметр – важный, но не главный.
ОЯТ приходит с АЭС в специальных контейнерах, заполненных инертным газом и в которых «сборки» жестко зафиксированы. На ГХК их укладывают в специальные пеналы – опять же заполненные инертным газом. «Сборки» продолжают греться, поэтому охлаждения не может быть много. Кроме того, инертные газы полностью исключают коррозию, что тоже, согласитесь, немаловажно. Пеналы размещают на стеллажах, причем ставят на дистанции друг от друга, чтобы не мешать конвекции воздуха.
Все эти меры рассчитаны на то, чтобы СХ продолжал спокойно функционировать в случае полного отсутствия электричества и персонала – хотя я не очень представляю, что должно произойти, чтобы такой случай произошел. Ну, разве что короткое замыкание масштаба «Красноярский край» утром 1 января… Одним словом, НИКИМТ-Атомстрой, который все это спроектировал, постарался на славу.
И не надо шарахаться от аббревиатуры – Росатом аккуратно сохраняет названия, появившиеся на заре атомного проекта! НИКИМТ – это Начно-Исследовательский и Конструкторский Институт Монтажной Технологии. Уффф!
На ГХК бывали не только люди из МАГАТЭ. Приезжали, к примеру, японцы – и текли у них слезы умиления от сейсмической безопасности. Спросили про гарантийный срок хранения и отказались верить, что он всего 50 лет – уверенны, что это шутка какая-то, поскольку по их нормативам меньше 100 лет быть не может.
Приезжали люди с калькуляторами из США – эти ржали над нашим мизерным ВВП: хранение ОЯТ в Железногорске обходится в 5,5 раз дешевле, чем у них. Несколько раз прибывали всевозможные борцы за экологию и журналисты, бегали со счетчиками всюду – не фонит, как ни старайся.
На общественные слушания приглашали так, как оно и предписано всевозможными инструкциями – через СМИ, телевидение, интернет. Общественники не ленились – приезжали, осматривали. Есть в Сибири Общественная экологическая палата гражданской ассамблеи Красноярского края (нет, ну вот кто сочиняет такие коротенькие названия-то…), которая и подвела итоги общественных слушаний: «Оснований для полемики вокруг всех видов безопасности на СХ ОЯТ в Железногорске не осталось».
Ну, а пока все бегали и зубом цыкали, Петр Гаврилов и начальник управления капитального строительства комбината Алексей Векенцев продолжали работать – ведь в декабре 2011 была закончена только первая очередь СХ. Отработав вместе со специалистами из НИКИМТ всю технологическую цепочку по перегрузке в пеналы, по обеспечению герметичности всех швов на них и так далее, ГХК с чистой совестью продолжал работу по расширению СХ.
В декабре 2015 Госкомиссия подписала акт приема в эксплуатацию СХ «в полном развитии» тихое, незаметно прошедшее событие, уверенно и надежно не замеченное нашими большими СМИ. Что такое какие-то там десятки тысяч кубов бетона, когда настала пора пересчитывать стразы в плюмаже Киркорова?..
Ну, а для тех, кому интересна такая скукотень, – коротенькая фраза: «На ГХК завершено строительство объектов полного развития первого и пока единственного в мире комплекса централизованного сухого хранения ОЯТ». И снова – четко по графику. И снова – без коррупционных скандалов.
«Пока единственный в мире» – это теперь уже с акцентом на слово «пока». Потому, что за 2012 и по наше время решения о строительстве таких же централизованных сухих хранилищ уже приняли Япония, Испания и Южная Корея. Подчеркиваю – таких же.
Дважды приезжал в гости и заместитель министра энергетики США, но тут сомнений нет – «такого же» там не появится. Они крылечко приделают, и это мгновенно станет эпохальным ноу-хау. Впрочем, ситуация с ОЯТ в Америке заслуживает отдельной заметки – уж очень там все драматично, хотя местами и вполне комично. Какая-то такая американская «атомная традиция» – делать серьезные проекты так, что смотреть на это без улыбки часто не получается, центрифугой клянусь!
Ну, а что значит для самой России завершение строительства полного объема СХ в Железногорске? Теперь места хватает не только для ОЯТ с реакторов РБМК – его хватит и для ОЯТ с ВВЭР, причем уже не только с АЭС в самой России. ГХК готов принимать на хранение ОЯТ с территории Украины, Болгарии, Чехии, готовится к частичной разгрузке «мокрое» хранилище ОЯТ Армянской АЭС.
Но конечная цель – не хранение ОЯТ само по себе, конечная цель – то самое замыкания ядерного топливного цикла: на ГХК планово идут работы по строительству опытно-демонстрационного центра переработки ОЯТ.
Вот к переработке ОЯТ я обязательно вернусь, но после того, как бегло «осмотрим», что происходит с хранением ОЯТ в разных интересных странах.
Б. Марцинкевич
***
