Пять самых важных вопросов о переработке
Сопротивление WAA Wackersdorf началось 30 лет назад. Система ушла в прошлое, но процедура все еще актуальна: это пять самых важных вопросов и ответов.
Зачем вообще переделывать?
Цель переработки ядерных отходов, иногда называемой переработкой, заключается в разделении различных материалов, содержащихся в отработавшем ядерном топливе. Особенно в 1970-х и 1980-х годах переработка считалась многообещающим методом поддержания управляемого потребления урана и производства больших объемов ядерной энергии. Однако в результате эта надежда оказалась дороже и проблематичнее, чем предполагалось изначально.
Концепция восстановления первоначально пришла из военного использования. Уран в топливных стержнях представляет собой смесь: по большей части он состоит из плохо делящегося урана-238 и лишь на несколько процентов из легко делящегося урана-235. В природном уране доля урана-235 еще ниже. Это меньше одного процента. Чтобы запустить реактор, вам нужно только немного увеличить эту пропорцию. Однако для создания атомной бомбы нужен либо высокообогащенный уран-235 с содержанием более 80 процентов, либо максимально чистый плутоний-239.
Так что путь к атомной бомбе лежит либо через крупные заводы по обогащению урана-235, либо через производство плутония-239. Поскольку последний не встречается в природе, его приходится разводить в ядерных реакторах. В основном процесс идет сам по себе: при делении ядер в реакторе постоянно выделяются нейтроны, которые в свою очередь расщепляют еще больше ядер урана-235. Однако иногда нейтроны также захватываются ядром урана-238, которое затем превращается в легко делящийся плутоний-239. Если в него ударит другой нейтрон, он может либо разделить, либо захватить нейтрон, что приведет к образованию еще более тяжелой материи.
Если снова вынуть твэлы из реактора после того, как они прогорели какое-то время, то они содержат три разных типа веществ: во-первых, оставшийся уран-238 и еще неиспользованный уран-235, до определенного процента «сгорел», но может снова использоваться в качестве топлива после повторного обогащения. Во-вторых, так называемые трансурановые элементы, т.е. все вещества, которые тяжелее урана и которые созданы путем обогащения нейтронами. Наиболее важным из них является плутоний. Третий тип веществ - продукты деления. При делении урана-235 или плутония-239 они распадаются на множество более легких ядер. Подобно трансурановым элементам, эти вещества высокорадиоактивны. У них очень разные периоды полураспада от долей секунды до миллионов лет.
Как работает переработка?
Во время переработки сильно излучающие твэлы разрезают на мелкие куски в соответственно защищенных помещениях, а содержимое отделяют с помощью кислот и растворителей в сложных химических процессах. Распространенным процессом является так называемый процесс PUREX, в котором используется горячая азотная кислота. Это позволяет особенно легко извлекать уран и плутоний. Разделение других веществ с желаемой высокой степенью чистоты пока невозможно. Одна из причин этого заключается в том, что существует множество различных веществ с различными химическими и физическими свойствами.
Если твэлы находились в реакторе совсем недолго, таким способом можно получить плутоний-239 высокой чистоты. Это стандартная процедура создания ядерных бомб. Если топливные стержни сгорали в течение более длительного периода времени - обычно три года на атомных электростанциях - то в результате постоянного облучения нейтронами образовалось столько различных изотопов (таких как плутоний-240 или плутоний-241), что этот материал вряд ли подходит для бомб. Однако большие запасы плутония, накопленные в настоящее время по всему миру, представляют угрозу безопасности.
Но плутоний также может быть упакован в так называемые смешанные оксидные топливные элементы. Они состоят из смеси урана и плутония и могут сжигаться на атомных электростанциях. Таким образом, из заданного количества природного урана можно извлечь гораздо больше энергии за счет повторяющегося процесса воспроизводства плутония из урана и выделения его из топливных стержней, чем без переработки. Типы реакторов, специально оптимизированные для этой цели, такие как реактор-размножитель на быстрых нейтронах, еще не установлены из-за технических трудностей, но новые концепции исследуются на международном уровне.
Что может сделать переработка, а что нет?
Переработка в основном используется для извлечения урана и плутония. Однако некоторые методы также могут быть использованы для фильтрации различных фракций ядерных отходов из отработавших топливных стержней. Оставшееся содержимое этих топливных стержней, трансурановые элементы и продукты деления составляют высокорадиоактивные ядерные отходы.
Некоторые ученые надеются уменьшить проблему ядерных отходов, сначала максимально чисто разделив различные вещества в высокорадиоактивных ядерных отходах. Тогда однажды можно будет превратить долгоживущие вещества в короткоживущие. Тогда больше не будет необходимости в хранилищах, которые должны быть безопасны в течение непредвиденного периода в один миллион лет, а только в течение примерно 1000 лет.
Однако для этого требуется повторная обработка, которая может очень хорошо разделить различные вещества. В настоящее время это невозможно. Определенный процент других веществ все еще остается в выделенных веществах. Для такой обработки ядерных отходов необходимы дальнейшие достижения в технологии переработки.
Поскольку высокорадиоактивные ядерные отходы на сегодняшний день являются наиболее опасными по сравнению с низко- или среднерадиоактивными веществами, некоторые ученые надеются, что смогут значительно уменьшить их количество. К низко- и среднерадиоактивным веществам относятся также лекарственные вещества или вещества, используемые в науке и промышленности. Их также необходимо безопасно хранить, но они представляют гораздо меньшую опасность, чем отработавшее ядерное топливо.
Чем опасна переработка?
ТВЭЛы изготовлены из высокопрочного материала, который предназначен для удержания всех веществ внутри. При переработке топливные стержни разрезаются и разбиваются на отдельные части. В результате все продукты ядерного деления сначала попадают в раствор или улетучиваются в виде газа. Так как при делении ядер получается дикая смесь самых разных элементов, то и химическая обработка соответственно сложна. Некоторые продукты деления, такие как радиоактивные инертные газы, также не задерживаются фильтрами, а попадают в окружающую среду через высокие дымоходы, где сильно разбавляются воздухом.
Другие радиоактивные отходы сбрасываются в море через сточные воды, например, на перерабатывающих заводах в Ла-Гаге и Селлафилде. Пока не превышены предельные значения, эти отходы не представляют особого риска для здоровья.
Однако процесс восстановления является дорогостоящим и технологически очень сложным. Неоднократно происходили аварии на перерабатывающих предприятиях, на которых работники подвергались воздействию высоких уровней радиации или выбросы радиоактивности превышали предельные значения.
Помимо радиационной опасности, существует серьезная обеспокоенность тем, что при переработке образуется большое количество плутония. Правда, этот материал, если он поступает с гражданских электростанций, не особенно подходит для изготовления атомных бомб. Однако этого вполне может быть достаточно для сравнительно слабой и трудноуправляемой, хотя и разрушительной бомбы. В некоторых случаях плутоний, полученный при переработке, «разбавляли» продуктами деления, чтобы сделать его непригодным для этой цели.
Какую роль он играет в мировой атомной экономике и энергетической политике?
По указанным причинам атомная промышленность во всем мире все чаще упаковывает отработавшие топливные стержни непосредственно в контейнеры CASTOR после определенного периода охлаждения и хранит их временно и, возможно, один день в окончательном хранилище. Экономика на данный момент также не говорит в пользу переработки.
Потому что переработка в гражданских целях в данный момент невыгодна. Уран и его обогащение настолько дешевы на мировом рынке, что сложнейший процесс переработки просто невыгоден. Изготовление твэлов с нуля экономически выгоднее.
По крайней мере, пока. По мере того, как такие страны, как Китай и Индия, строят новые атомные электростанции и растет спрос на уран, а основные урановые рудники все больше истощаются, переработка также может стать более привлекательной с экономической точки зрения. В настоящее время это не столько экономический фактор, сколько геостратегический инструмент, с помощью которого можно, с одной стороны, осуществлять военные программы, а с другой - увеличивать запасы гражданского ядерного топлива..