У книзі Террі Пратчета і Ніла Геймана «Благі знамення» є епізод, де один з головних героїв, хлопчик Адам (spoiler alert ― син Сатани), начитавшись третьосортної жовтої преси зі статтями про страхіття атомної енергетики. Він захотів, щоб зникло те ядерне паливо, що дає радіоактивні відходи. І його бажання збулося: з найближчої АЕС пропали усі 500 тонн урану із закритого реактора, при цьому електроенергія продовжувала вироблятися. Магія, що тут скажеш.

У реальному житті, на жаль (чи на щастя), такого не буває, й уран, внаслідок реакції поділу, виділяє теплову енергію, яка потім, за допомогою водяного пару, турбін і генераторів, перетворюється на електричну. Як і будь-яке інше паливо, ТВЕЛи, що складаються з паливних таблеток урану, з часом перестають виробляти необхідну кількість енергії. Настає час замінити відпрацьоване паливо на свіже. Але куди ж діти те, що витягли з реактора?

Різниця між ядерними та радіологічно активними відходами

Почнемо з того, що ядерні відходи та радіоактивні відходи ― різні речі. Ядерні відходи ― це відпрацьоване паливо ядерних реакторів, у якому містяться ядра, які ще здатні до поділу. Радіоактивними відходами можуть бути і конструкційні елементи, і медичні джерела, і заражені об’єкти. Відпрацьоване ядерне паливо (ВЯП) має певні особливості. По-перше, склад. Воно в основному складається з 238U, який не є паливом у тепловому реакторі, осколків поділу ― ядер (зазвичай радіоактивних), що утворилися при розпаді ядра палива ― 235U, певної кількості 235U, що не поділився, і трансуранових елементів ― плутонію й америцію. Усі ці ізотопи мають різний період напіврозпаду. Вважається, що необхідний час для зникнення внеску від радіоактивного ізотопу становить близько десяти періодів напіврозпаду. Тобто кожен ізотоп буде впливати на радіаційний фон певний час. Так, уран ― що п’ятий (період напіврозпаду – 7108 років), що восьмий (4,5〖10〗^9) ― мають значні періоди напіврозпаду, відповідно, малі активності і не несуть загрози. У поділі дуже активні, тобто швидко розпадаються. Серед них одним з найбільш живучих є ізотоп цезію 137Cs (період напіврозпаду 30 років). Осколки несуть дуже серйозну загрозу, але більшість ― у короткостроковій перспективі. Трансуранові елементи мають періоди напіврозпаду, що складають, наприклад, 6560 років (240Pu) і 441 рік (241Am). Ці ізотопи живуть достатньо довго, щоб перебувати у середовищі протягом багатьох поколінь, і достатньо активні, щоб бути джерелом радіаційної небезпеки. Таким чином, при розробці сховища необхідно враховувати небезпеку кожної зі складових. По-друге, для ВЯП характерне таке явище як залишкове енерговиділення. Після зупинки реактора паливо продовжує нагріватися за рахунок сили-силенної радіоактивних ізотопів усередині. Незважаючи на те, що швидкість процесу падає майже експоненційно, абсолютна величина цього енерговиділення досить значна. Що це означає? А те, що відпрацьоване паливо не можна взяти і покласти кудись, його треба постійно охолоджувати. ТВЕЛ, який тільки-но вийняли, має температуру вище 300°С. Навіть через десятки років воно все ще буде достатньо гарячим, і задля збереження цілісності захисної оболонки необхідно забезпечувати відведення тепла. По-третє, у відходах залишається певна частина палива, а ще ― трансурани, які також можна використати у якості палива. Уран як викопний ресурс є вичерпним, тому ідея максимізувати використання палива через переробку відпрацьованого матеріалу ― заманлива, але має певні серйозні нюанси. Як бачимо, проблем із ядерними відходами достатньо. Тепер варто поговорити про їх вирішення.

Вирішення проблем утилізації

Перший етап зберігання ядерних відходів ― басейни витримки. За допомогою системи перевантаження при зупиненому реакторі відпрацьовані тепловидільні збірки (ТВЗ) переносяться і встановлюються у спеціальні стелажі у басейні, де вони зберігатимуться протягом трьох років. За цей час найактивніші ізотопи розпадуться і, відповідно, зменшиться рівень залишкового енерговиділення. Також у таких басейнах є спеціальний відсік, так званий пенал, для тривалого зберігання ТВЗ, що зазнала розгерметизації. Розміщення відпрацьованих ТВЗ спроектовано так, щоб не допустити перетин ефективним коефіцієнтом поділу нейтронів межі «0,95», тобто не допустити ланцюговою реакції. Крім того, у самій воді басейну знаходиться поглинач у вигляді порошку карбіду бору концентрацією не менше, ніж 16 г/кг ― щоб перестрахуватися. У басейні витримки ядерні відходи світяться красивим синім кольором черенковського випромінювання. Ми логічно запитуємо ― а що після декількох років витримки у басейні? Басейн не безмежний, у ньому треба звільняти місце. Саме цей етап найбільш проблематичний, тому що ВЯП треба кудись дівати, а це дорого. Крім того, комусь іншому спихнути його не вийде: законодавства абсолютної більшості країн забороняють зберігання чужих ядерних відходів. Ваші відходи ― ваші проблеми. У цій ситуації є три можливих шляхи. Перший шлях ― взяти і закопати це якнайдалі, тобто довгостроково зберігати у безпечному місці, вилучивши з технологічного ланцюга. Це частина так званого відкритого ядерного циклу. Одним із варіантів є захоронення контейнерів з ВЯП у глибоких геологічних формаціях глибиною близько 500 метрів. Такий спосіб розробляється у підземній лабораторії Äspö на півдні Швеції компанією SKB, що займається управлінням ядерним паливом і відходами. Відходи мають знаходитися у спеціальних мідних контейнерах. Мідь вибрана як матеріал, апробований протягом тисячоліть ― а саме стільки відводять шведи на зберігання ядерного палива у цих контейнерах. Вони, крім того, мають оболонку з бентоніту, і лежать аж у корінній породі. Станом на 2005 рік, згідно даних МАГАТЕ, цей метод вирішення проблеми обрали Канада, Чехія, Фінляндія, Південна Корея, Румунія, Швеція та США. Німеччина, Швейцарія та Велика Британія комбінують його з іншим ― закритим ядерним циклом.

Закритий ядерний цикл

У закритому ядерному циклі все, що може ділитися, має ділитися. Після відпрацювання ядерне паливо поставляється на спеціальні заводи з переробки, де з нього, за допомогою радіохімічних методів, виділяється уран та плутоній. Інші ж радіоактивні елементи підлягають захороненню як радіоактивні відходи. Проблем тут мінімум три. Перша ― це ціна. Переробка ядерних відходів ― недешеве задоволення, а ціна на уран достатньо невисока. Друга ― це екологія. Переробка ВЯП це дуже «брудна» справа, яка загрожує значним радіоактивним забрудненням. Третя проблема полягає у тому, що переробка ядерних відходів може трактуватися як технологія подвійного призначення, тобто у процесі можна виготовляти ядерну («брудну») зброю. Станом на 2005 рік, згідно даних МАГАТЕ, таким методом користуються Китай, Франція, Індія, Японія, Нідерланди та Росія.

І хай увесь світ почекає…

А як же інші країни, у тому числі й Україна? Вони ще не визначилися. З однієї сторони, не хочеться втрачати потенційне паливо, з іншої ― немає можливості його переробити. У цьому випадку йдеться про стратегію «відкладеного рішення», яку обрала більшість країн: Аргентина, Вірменія, Бельгія, Бразилія, Болгарія, Угорщина, Литва, Мексика, Пакистан, Словаччина, Словенія, Південна Африка, Іспанія, Україна. Ці країни зберігають ВЯП певний час у так званих сухих сховищах, а потім вирішують його подальшу долю, зважаючи на розвиток технологій і так далі. Сухі сховища схожі на контейнери для відкритого ядерного циклу, але у них капсула із нержавіючої сталі у бетонній оболонці зберігається на поверхні. Також ці контейнери вентилюються задля охолодження ВЯП.

А у нас що?

Україна має сухе сховище відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП) на Запорізькій атомній електростанції. Воно функціонує з 2001 року. Там зберігається ВЯП лише з ЗАЕС, а розрахована площа на 50 років. З іншими станціями є проблема. Планується будівництво централізованого сховища відпрацьованого ядерного палива (ЦСВЯП) у зоні відчуження ЧАЕС, куди завозитимуться відходи з ХАЕС, ЮУАЕС та РАЕС. А зараз у них немає своїх майданчиків для зберігання, тому вони мусять вивозити свої відходи у Росію на переробку (з реакторів ВВЕР-1000 ― до Гірничо-хімічного Комбінату у Желєзногорську Красноярського краю, з реакторів ВВЕР-440 ― до ВО «Маяк» у місті Озерськ, Челябінська область), а потім привозити назад в Україну. А свого часу саме на комбінаті «Маяк» сталася перша велика радіаційна аварія. 29 вересня 1957 року внаслідок неналежних умов зберігання вибухнула цистерна з високорадіоактивними відходами, що спричинило утворення хмари радіоактивного пилу загальною активністю близько 2 млн Кі, яка осіла на великій площі, згодом названій Східноуральським радіоактивним слідом. Постраждали від аварії чверть мільйона людей, загиблих лише у перші дні ― приблизно сто. Її оцінили як шестибальну за міжнародною шкалою INES (семибальні аварії ― Чорнобиль і Фукусіма). Саме тому для України найкращим вирішенням проблеми є самостійне зберігання ВЯП з оглядом на розвиток нових технологій у цій галузі. Тобто, якщо закопувати відходи, то лише так, щоб потім їх відкопати.

Джерела:

1. Андрушечко С.А., Афров А.М., Васильев Б.Ю., Генералов В.Н. и др. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. От физических основ эксплуатации до эволюции проекта
2. Spent Fuel Repository
3. Country Nuclear Full Cycle Profiles
4. Весняна школа НАЕК «Енергоатом»-2016, лекція Павла Лашевича «Поводження з відпрацьованим ядерним паливом в Україні. Міжнародний досвід поводження з ВЯП»