MIT Technology Review объясняет: Наши авторы помогут вам разобраться в сложном и запутанном мире технологий и понять, что нас ждет в будущем. Больше статей из этой серии вы можете прочитать здесь.
Современные методы обращения с ядерными отходами в мире столь же изобретательны, сколь и разнообразны: их топят в бассейнах, заключают в стальные оболочки, закапывают на сотни метров под землю.
Эти методы используются атомной промышленностью для безопасного обращения с 10 000 метрическими тоннами отработанного ядерного топлива, образующегося в результате работы реакторов, которые ежегодно вырабатывают 10% мировой электроэнергии. Однако с появлением новых конструкций атомных электростанций могут возникнуть новые сложности в вопросах обращения с ядерными отходами.
Большинство действующих сегодня реакторов на атомных электростанциях имеют схожую базовую конструкцию: они работают на низкообогащенном уране, охлаждаются водой и, как правило, являются гигантскими, размещаясь на центральных электростанциях. Однако для большого количества новых конструкций реакторов, которые могут появиться в ближайшие несколько лет, вероятно, потребуется внести изменения, чтобы обеспечить возможность утилизации отходов существующими системами.
«Нет однозначного ответа на вопрос, упростит ли это множество новых реакторов и типов топлива утилизацию отходов», — говорит Эдвин Лайман, директор по ядерной безопасности в Союзе обеспокоенных ученых.
План действий по утилизации ядерных отходов
Ядерные отходы можно условно разделить на две категории: низкоактивные отходы, такие как загрязненное защитное оборудование из больниц и исследовательских центров, и высокоактивные отходы, требующие более бережного обращения.
По объему подавляющее большинство составляют низкоактивные отходы. Этот материал может храниться на территории предприятия и часто, после достаточного снижения его радиоактивности, обрабатывается как обычный мусор (с некоторыми дополнительными мерами предосторожности). Высокоактивные отходы, напротив, гораздо более радиоактивны и часто имеют высокую температуру. Эта вторая категория в основном состоит из отработанного топлива, представляющего собой комбинацию материалов, включая уран-235, который является делящейся частью ядерного топлива — той частью, которая поддерживает цепную реакцию, необходимую для работы атомных электростанций. Этот материал также содержит продукты деления — иногда радиоактивные побочные продукты расщепления атомов, высвобождающие энергию.
Многие эксперты сходятся во мнении, что наилучшим долгосрочным решением для отработанного ядерного топлива и других высокоактивных ядерных отходов является геологическое хранилище — по сути, очень глубокая, тщательно контролируемая яма в земле. Финляндия продвинулась дальше всех в планах по его строительству, и ее площадка на юго-западном побережье страны должна быть введена в эксплуатацию в этом году.
В 1980-х годах США выделили место для геологического хранилища, но политические конфликты затормозили прогресс. Поэтому сегодня отработанное топливо в США хранится на территории действующих и закрытых атомных электростанций. После извлечения из реактора его обычно помещают во влажное хранилище, то есть погружают в бассейны с водой для охлаждения. Затем материал помещают в защитные цементные и стальные контейнеры, называемые сухими контейнерами, — этот этап известен как сухое хранение.
Эксперты утверждают, что отрасли не потребуется полностью переписывать этот свод правил для новых конструкций реакторов.
«Способ обращения с отработанным топливом останется практически тем же», — говорит Эрик Котрон, руководитель отдела исследований и стратегии в Nuclear Innovation Alliance, некоммерческом аналитическом центре, занимающемся вопросами ядерной промышленности. «Я не сплю допоздна, переживая о том, как мы будем обращаться с отработанным топливом».
Однако новые конструкции и материалы могут потребовать инженерных решений. Кроме того, существует огромное разнообразие конструкций реакторов, а значит, и широкий спектр потенциальных типов отходов, с которыми необходимо работать.
Необычные отходы
Некоторые новые ядерные реакторы будут внешне очень похожи на действующие модели, поэтому обращение с отработанным топливом будет осуществляться практически так же, как и сегодня. Но в других будут использоваться новые материалы в качестве теплоносителей и топлива.
«Необычные материалы приводят к образованию необычных отходов», — говорит Сайед Бахауддин Алам, доцент кафедры ядерной, плазменной и радиологической инженерии в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Некоторые передовые конструкции могут увеличить объем материала, который необходимо перерабатывать в качестве высокоактивных отходов. Возьмем, к примеру, реакторы, использующие топливо TRISO (триструктурное изотропное топливо). TRISO содержит ядро урана, окруженное несколькими слоями защитного материала, а затем заключенное в графитовые оболочки. Графит, окружающий TRISO, скорее всего, будет спрессован вместе с остальным отработанным топливом, что сделает отходы гораздо более объемными, чем топливо, используемое в настоящее время.
Согласно отчету Альянса ядерных инноваций от 2024 года, сегодня разделение этих слоев было бы сложным и дорогостоящим процессом. Это означает, что весь пакет был бы объединен в группу высокоактивных отходов.
Компания X-energy разрабатывает высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, использующие топливо TRISO. Она уже представила в Комиссию по ядерному регулированию, которая контролирует реакторы в США, планы по обращению с отработанным топливом. Форма топлива может фактически помочь в управлении отходами: защитные оболочки, используемые в TRISO, устраняют необходимость в мокром хранении, позволяя использовать сухое хранение с первого дня, как заявляет компания.
Связанная статья
Реакторы на расплавленной соли с жидким топливом, еще один новый тип реакторов, также могут увеличить объем отходов. В таких конструкциях топливо и теплоноситель не разделяются, как в большинстве реакторов; вместо этого топливо растворяется непосредственно в расплавленной соли, используемой в качестве теплоносителя. Это означает, что весь резервуар с расплавленной солью необходимо будет утилизировать как высокоактивные отходы.
С другой стороны, некоторые другие конструкции реакторов могут производить меньший объем отработанного топлива, но это не обязательно означает меньшую проблему. Например, быстрые реакторы достигают более высокой степени выгорания, потребляя больше делящегося материала и извлекая больше энергии из топлива. Это означает, что отработанное топливо из таких реакторов обычно имеет более высокую концентрацию продуктов деления и выделяет больше тепла. А это тепло может стать решающим фактором при разработке решений по утилизации отходов.
Отработанное топливо необходимо хранить при относительно низкой температуре, чтобы оно не расплавилось и не выделило опасные побочные продукты. Слишком высокая температура в хранилище также может повредить окружающие породы. «Температура — это то, что действительно определяет, сколько топлива можно поместить в хранилище», — говорит Пол Дикман, бывший сотрудник Министерства энергетики и Комиссии по ядерному регулированию.
По словам Эллисон Макфарлейн, директора Школы государственной политики и глобальных вопросов Университета Британской Колумбии и бывшего председателя Комиссии по ядерному регулированию, некоторые виды отработанного топлива могут потребовать химической обработки перед утилизацией. Это может усложнить процесс и увеличить затраты.
Например, в быстрых реакторах, охлаждаемых металлическим натрием, теплоноситель может попасть в топливо и сплавиться с его оболочкой. Разделение может быть сложным, а натрий очень реактивен с водой, поэтому отработанное топливо потребует специальной обработки.
Реактор TerraPower Natrium, натриевый реактор на быстрых нейтронах, получивший разрешение на строительство от Комиссии по ядерному регулированию (NRC) в начале марта, разработан для безопасного решения этой проблемы, говорит Джеффри Миллер, старший вице-президент по развитию бизнеса в TerraPower. Компания разработала план по продувке материала азотом перед его помещением в бассейны для хранения во влажном состоянии, что позволит удалить натрий.
Местоположение, местоположение, местоположение
Независимо от используемых материалов, даже простое изменение размера реакторов и места их размещения может создать сложности в сфере обращения с отходами.
Некоторые новые реакторы по сути представляют собой уменьшенные версии крупных реакторов, используемых сегодня. Эти небольшие модульные реакторы и микрореакторы могут производить отходы, которые можно обрабатывать так же, как и отходы от современных обычных реакторов. Но для таких мест, как США, где отходы хранятся на месте, было бы нецелесообразно иметь множество небольших площадок, каждая из которых хранила бы свои собственные отходы.
Некоторые компании рассматривают возможность отправки своих микрореакторов и образующихся в результате их работы отходов обратно в одно место, возможно, в то же самое место, где производятся сами реакторы.
По словам Макфарлейна из Университета Британской Колумбии, компании должны быть обязаны тщательно продумывать вопросы отходов и проектирования в рамках протоколов управления, и они должны нести ответственность за производимые ими отходы.
Она также отмечает, что до сих пор планирование утилизации отходов основывалось на исследованиях и моделировании, и реальность станет ясна только тогда, когда реакторы будут введены в эксплуатацию. Как она выразилась: «Эти реакторы еще не существуют, поэтому мы на самом деле мало что знаем в мельчайших подробностях об отходах, которые они будут производить».
Источник: www.technologyreview.com
