Это страшное слово: ОЯТ (NUC31)

Остановившись в прошлой части рассказа на ТВЭЛе, извлечённом из легководного реактора, мы скромно назвали его аббревиатурой ОЯТ.
Различные экологические организации любят расшифровать это сокращение, как «отходы ядерного топлива», в то время, как правильная его расшифровка звучит совсем иначе: «отработанное (или облучённое) ядерное топливо».

Именно в различии этих двух расшифровок и заключена разность в подходах к ОЯТ: либо это отходы — и тогда им место на свалку, либо это — топливо, которое лишь потеряло часть своих свойств и может быть с затратой каких-либо усилий возвращено в ядерный цикл для того, чтобы продолжать служить людям.

Из чего же состоит ОЯТ? Скажу сразу, что он разный для разных видов реакторов, но, в целом, ОЯТ можно упрощённо представить в виде следующей простой составной схемы: в ОЯТ содержится 0,8–1,0% ²³⁵U, 0,95–1,20% плутония всех видов (в основном — изотопов ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu), 3–4% продуктов деления урана и плутония и 94–95% ²³⁸U. Только недобросовестные политики-популисты и больные на голову экологи могут называть этот продукт отходом.

То, что весьма условно можно назвать «отходом» ядерного цикла заключено в тех самых 3–4%, относящихся к продуктам деления урана и плутония. Именно эта доля ОЯТ и есть та «ядерная зола», которая уже непригодна для дальнейшей работы ядерного реактора.

Однако, именно эта зола и доставляет максимум неприятностей при работе ТВЭЛа — многие из образовавшихся в результате деления атомов урана и плутония элементов вредны для дальнейшего протекания цепной реакции, являясь активными поглотителями нейтронов, часть из них токсичны или же влияют на прочность урановой таблетки, часть являются газами или же альфа-источниками, а часть и лучат во все стороны целебным гамма-излучением.
В общем, от всего этого адского коктейля после кампании ТВЭЛа в реакторе желательно бы избавится.
Ну и, конечно же, обогатить отработанное ядерное топливо свежими делящимися изотопами, которые снова позволят запустить его в бой.



Вот об этом-то процессе, который и должен превратить «грязь» во что-то путное, я и расскажу сегодня.


Сегодня в мире приняты две системы обращения с ОЯТ — окончательное захоронение (открытый топливный цикл) и переработка (частично замкнутый топливный цикл). Из стран, обладающих промышленными ядерными реакторами, Швеция, Финляндия, Канада, Чехия, Германия сегодня ориентируются на окончательное захоронение ОЯТ, в то время, как Россия, Франция, Индия, Япония и Великобритания занимаются (либо совсем недавно занимались) переработкой ОЯТ.

Оставшиеся владельцы ОЯТ (например, большинство европейских стран-владельцев реакторов и страны бывшего соцлагеря, которые получили реакторные технологии из СССР или России) ориентируются на передачу ОЯТ на заводы, осуществляющие их переработку на коммерческой основе (в основном — во Франции и в России) или же выбирают половинчатое решение — хранить их на временных площадках, расположенных обычно возле тех же АЭС.
Кроме того, стоит сказать, что на сегодняшний день ни одного постоянного геологического могильника для ОЯТ в мире не создано.
Пионерами в деле захоронения ОЯТ сегодня выступают Финляндия и Швеция, которые на сегодняшний день уже построили опытные хранилища постоянного типа, в которые и поместили тестовые количества ОЯТ с целью выяснить, сколько дней десятков лет без инцидента сможет проработать Спрингфилдская АЭС такого рода могильник.

Финский могильник Онкало для хранения контейнеров с ОЯТ после его выдержки в течение 30 лет в пристанционных хранилищах АЭС будет располагаться в скальной породе на глубине более 500 метров под дном Балтийского моря. В настоящее время проработана система захоронения с обеспечением  несколько степеней защиты: топливные сборки будут помещаться в герметичный чугунный кожух для предотвращения смещения сборок, чугунный кожух будет помещен в медную капсулу для защиты от коррозии, а между медными капсулами будет залита бентонитовая глина для обеспечения стабильного положения капсул в породе.

Практически аналогичную технологию выбрали для захоронения ОЯТ в Швеции. Здесь также намерены складировать ОЯТ в скальных породах, возраст которых составляет около 1,8 млрд. лет на которые расположены на глубине около 500 метров.  В настоящее время около города Остхоммар, в гранитных породах на уровне 450 метров под землей создана исследовательская лаборатория, где контейнера для ОЯТ проходят натурные испытания. Причем рачительные шведы, в отличии от финнов, допускают, что, возможно в будущем, замурованное глубоко под землей ОЯТ будет извлечено и переработано. Шведская технология предусматривает техническое решение для его извлечения.
Промышленный пуск обеих площадок по захоронению ОЯТ намечн на 2020-е годы, сейчас на них идут масштабные испытания и пробные закладки партий ОЯТ.


В зайце — курица, в курице — яйцо, в яйце — игла, а на кончике иглы — кощеева смерть злая радиация.
Шведская капсула для захоронения ОЯТ.

Однако такое, казалось бы «окончательное» решение вопроса ОЯТ является на деле и самым дорогостоящим. Во-первых, как я уже написал, условно-вредным в составе ОЯТ можно считать лишь 3–4% продуктов деления урана и плутония. Более того, при пристальном рассмотрении даже данного процента «ядерной золы» видно, что в её составе полным-полно полезных радиоактивных изотопов, которые легко использовать в медицине, для запитки радиоизотопных источников энергии. Особенно экзотические изотопы, например, несуществующий в природе элемент технеций, может быть использован даже для улучшения сплавов железа, благо период полураспада для ⁹⁹Tc составляет 212 000 лет, а распадается он по весьма приятному бета-распаду.

Кроме того, надо учесть и объёмы уже накопленного ОЯТ. На сегодня в мире накоплено 345 тысяч тонн отработанного ядерного топлива и ежегодно из реакторов выгружается около 10,5 тысяч тонн ОЯТ. В одной только России сегодня есть около 20 тысяч тонн ОЯТ и каждый год добавляет к этой цифре ещё  670 тонн.
Учитывая сложность и высокую стоимость создания могильников, ограниченность территорий большинства стран, имеющих ядерные реакторы и планирующих их постройку, можно утверждать, что концепция окончательного захоронения ОЯТ является тупиковой веткой — в существующие, запланированные или же перспективные хранилища просто невозможно запихнуть ни сегодняшнее, ни тем более — будущее ОЯТ.

Наглядным примером такого тупика являются США, около 20 лет назад отказавшиеся от переработки ОЯТ и растерявшие (да, снова, я не шучу) к сегодняшнему дню технологии и специалистов по переработке отработанного топлива. К настоящему времени в США накоплено почти треть мирового количества ОЯТ — около 110 тысяч тонн. Это громадное количество отработанного топлива сегодня размещено в 77 приреакторных хранилищах, заполненных до отказа, или же близких к заполнению. Эти хранилища размещены в 33 штатах, и только в Калифорнии (в самом густонаселенном штате США) на площадках АЭС находится около 3 000 тонн ОЯТ.  Такое же количество ОЯТ хранится и в одной из самых густонаселенных стран мира — в европейской Швейцарии.

В настоящий момент времени у тех же США есть только одна реальная точка для захоронения таких громадных количеств ОЯТ — это «Пилотный завод по изоляции отходов» (Waste Isolation Pilot Plant) в штате Нью-Мексико, который был запроектирован ещё в 1973 году, завершён к постройке в 1991 и принял первые грузы радиоактивных отходов в 1999 году.
Однако данный могильник никогда не планировался под переработку гражданского ОЯТ — большая часть его содержимого на 2010 год (около 73 000 кубометров отходов) представляет собой отходы от производства ядерного оружия. Цифра в 73 000 м³ является отчасти лукавой — большую часть этого объёма занимает тара, а вес военных отходов в открытой прессе не разглашается.


Идеальное сырьё для «грязной бомбы».

Поэтому общий размер данного хранилища совершенно недостаточен для того, чтобы упрятать под землю даже малую часть того ОЯТ от ядерных реакторов, которое накоплено в США на «временных» хранилищах возле атомных станций.
Да и общие расходы налогоплательщиков на создание и поддержание в работоспособном состоянии данного хранилища, рассчитанного на хранение отходов на протяжении 10 000 лет, которые составили в долларах 1999 года проектную цифру более 19 млрд. долларов США, в общем-то, символизируют всю тупиковость такого пути.


Во глубине сибирских нью-мексиканских руд..
Бюджет там пилят, это — good!

Как я уже сказал, сторонниками переработки ОЯТ в мире являются Россия, Великобритания, Франция, Япония и Индия. Несмотря на потенциальную опасность, ОЯТ является ценным продуктом, содержащим различные элементы, которые можно использовать повторно, в том числе и для производства энергии.
Ведь даже исключив «ядерную золу», которую всё же нельзя заново засунуть в обычный ядерный реактор, м всё равно получаем на выходе из переработки ОЯТ более 96% от его веса в виде полноценного полуфабриката ядерного топлива.

Радиохимическая переработка ОЯТ обеспечивает полное использование энергетического потенциала урана, плутониевые загрузки будущих реакторов на быстрых нейтронах или же изготовление МОХ-топлива для обычных реакторов, а также минимизирует количество и объем образующихся отходов. Ресурсы вторичного сырья в ядерной энергетике, по сути дела, даже в случае частично замкнутого цикла безумно велики.
Так, реактор с графитовым замедлителем, по сути дела выгружает из себя по завершению кампании около 70-80% от загруженного в него урана в виде смеси урана и плутония, а легководный, обычный и массовый ВВЭР обеспечивает воспроизведение, как минимум от 50 до 60% от начального топлива.
Кроме того, надо учитывать, что накопление ОЯТ, как я сказал, пошло отнюдь не вчера. Так, например, запасов ОЯТ, уже накопленных в Канаде, достаточно для обеспечения работы всех канадских АЭС в течение 1000 лет.
Более того, самое скромное содержание изотопа ²³⁵U, характерное для ОЯТ лёгководных реакторов (около 1%) превышает его содержание в природном уране (0,72%). Поэтому, даже если не вовлекать в ЗЯТЦ наработанный плутоний, переработанный ОЯТ гораздо лучшее сырьё для центрифуг, нежели природный уран.

На сегодняшний день в мире фактически используют всего две технологии переработки ОЯТ и всего три страны из пяти упомянутых (Россия, Великобритания, Франция, Япония и Индия) фактически занимаются сегодня переработкой ОЯТ.
Вот тут можно найти полный перечень закрытых заводов по переработке ОЯТ и список стран, которые, к сожалению, «сошли с дистанции» в погоне за ядерным фениксом, который снова и снова буквально «восстаёт из пепла» отработанного ядерного топлива.
Как всегда, знания западных экспертов «об этих странных русских» весьма оригинальны.
Например, мощность действующего завода «Маяк» (Озерск), указанная в таблице, почему-то заявлена, как 400 тонн ОЯТ в год, в то время, как по данным многих отечественных экспертов она составляет, как минимум 600 тонн ОЯТ в год.
То же самое можно сказать и о строящемся российском заводе по переработке ОЯТ в Железногорске — в отечественных источниках его мощность заявлена, как 1500 тонн перерабатываемого ОЯТ в год, в то время, как в таблице ему скромно нарисовали всего 800 тонн годовой производительности.

Однако, несмотря на разночтения в оценке мощности российских заводов (которые, в общем-то, сугубо избыточны для целей переработки и российского, и даже — будущего возвращаемого из-за рубежа ОЯТ, самым крупным заводом по переработке ОЯТ в мире сегодня продолжает оставаться французский завод на мысе Ла-Аг во Франции, который сегодня принадлежит французскому атомному гиганту Areva.



Это целый индустриальный остров на севере Нормандии, основной задачей которого и является превращение ОЯТ в разделённые количества урана, плутония и остальных, так называемых «минорных» изотопов.
Ла-Аг начали строить ещё в 1969 году, когда Франция взяла курс на отделение от кильватерного строя всех западных держав, которые тогда выступали против СССР единым строем.
Сначала Де-Голль, а потом и Валери Жискар Д'Эстен за 1960-е годы целым рядом продуманных шагов добились от США уважения к «особой» позиции Франции по многим внешнеполитическим и внутренним вопросам. У всех, конечно же, на слуху и в памяти «корабль с долларами», который был послан Де-Голлем к берегам Америки, однако, на деле, независимость Франции ковалась в других местах. И одним из таких французских «линкоров из бетона и стали», которые своими залпами возвестили о независимости Франции, и стал завод Ла-Аг.

Именно Ла-Аг, который столь вовремя подоспел к нефтяному кризису 1973 года, позволил Франции практически полностью обеспечить переработку своего ОЯТ. В отсутствие дешёвых центрифуг французский завод «Евродиф» в Пьерлате смог получать достаточно качественный, переработанный уран, а французские заводы по производству МОХ-топлива, главный из которых располагается во французском Маркуле, смогли обеспечить и вовлечение в топливный цикл наработанного во Франции реакторного плутония.

Сегодня, после ряда модернизаций по мощности и по технологии, производительность завода Ла-Аг составляет около 2000 тонн перерабатываемого ОЯТ в год.
Сегодня завод в Ла-Аге перерабатывает топливо не только с АЭС Франции, но и замкнул на себя поставки ОЯТ с с АЭС Бельгии, Германии, Швейцарии, Японии и других стран. Практически все эти страны (включая, как я уже говорил, даже Бельгию!) в своё время имели на своей территории заводы по переработке ОЯТ. Однако не многие смогли обеспечить их выживание в конкурентном мире и в противостоянии с экологическими организациями и противниками атомной энергии.

Почему же все так боятся ОЯТ? Всё дело в том, что за заводами-переработчиками ОЯТ тянется длинный шлейф различных аварий, которые были страшны сами по себе, но были неизбежной платой за совершенствование технологии разделения плутония и урана и других, минорных актинидов.

На заре ядерной эры, и в СССР и в США были внедрены весьма опасные, примитивные и малопроизводительные процессы разделения урана и плутония на основе неорганических соединений.
В США первый такой процесс, основанный на применении фосфата висмута, был разработан в Оак-Ридской лаборатории ещё в 1943 году. Именно с помощью висмут-фосфатного процесса и был получен первый плутоний, использовавшийся США для изготовления бомбы, сброшенной на Нагасаки.


Хэнфорд. Тут ковали американский ядерный меч.

Свою версию висмут-фосфатного процесса применил для извлечения плутония и СССР.  Как и американцы, СССР производил растворение облученных в «Аннушке» урановых блоков в азотной кислоте.
Работы по разделению плутония и урана производились на «Заводе Б», расположенном на площадке сегодняшнего «Маяка», в Озерске, тогда носившем название Челябинск-40.
Тогда, сразу после окончания Великой Отечественной войны, основную работу на заводе, полностью изолированном от остальной части Челябинской области, выполняли девушки. Мужчин тогда катастрофически не хватало даже на тяжёлых работах, а ту их не было и вовсе. Условия были нелегкими: технология была очень несовершенная, техника безопасности слабая, а контроль за сроками и качеством работы – постоянный и жесткий. Радиоактивные растворы содержали плохо фильтрующиеся осадки, нередко растворы выливались из аппаратов, приходилось вручную ликвидировать протечки, да и пробы для анализа отбирали вручную. Случались «хлопки» – взрывы водорода, выделявшегося при начальном растворении алюминия; при переливе концентрированного раствора плутония однажды произошла самопроизвольная цепная ядерная реакция.
Кроме того, неорганические компоненты вынуждали несколько раз зацикливать процесс — и внутренняя поверхность некоторых аппаратов на радиохимическом заводе впитывала столько радиоактивных веществ и наведенного нейтронного излучения, что и сама уже испускала слабое, но заметное в темноте свечение.

Процесс этот был неприятен ещё и тем, что протекал с выделением бурых паров ядовитых оксидов азота. Одновременно освобождались и переходили в газовую фазу радиоактивные изотопы галогенов и инертных газов — йода, криптона и ксенона.
Именно эта особенность процесса и сыграла злую шутку с СССР в 1957 году, когда не выдержала внутреннего давления одна из ёмкостей комбината.



Взрыв полностью разрушил емкость из нержавеющей стали, содержащую около 80 т отходов процесса разделения, сорвав и отбросил в сторону на 25 метров бетонную плиту перекрытия. Из хранилища в окружающую среду была выброшена смесь радионуклидов общей активностью 20 миллионов кюри. Большая часть радионуклидов осела вокруг хранилища, а жидкая пульпа (взвесь), активность которой составляла 2 миллионов кюри была поднята ветром на высоту 1-2 километра и образовала радиоактивное облако, состоящее из жидких и твердых аэрозолей. Радиоактивные вещества попутным ветром разнесло на сотни квадратных километров. Заражённая территория и сегодня называется «Восточно-уральским радиоактивным следом».
Волею судеб в него не попал ни один из крупных городов Урала — облако пронеслось и мимо близкого к Озерску Челябинска, и мимо лежащего совсем рядом с трассой облака Свердловска.

Однако, несмотря на это, площадь загрязнения составила 23 тысячи км², оказались загрязненными 217 населенных пунктов с общей численностью населения 272 тысячи человек. Облучение населения, проживающего на территории Восточноуральского следа, было как внешним, так и внутренним: сказался режим секретности объетка и нежелание властей информировать жителей об опасности радиоактивного заражения воды и пищи. В результате от радиационного облучения только в течение первых 10 дней погибли около 200 человек, общее же число пострадавших оценивается в 250 тысяч человек.

Вот такой была кровавая жатва процесса разделения изотопов урана и плутония, которую можно смело записать на счёт висмут-фосфатного процесса и советской секретности и спешки в создании атомного оружия — в ответ на бомбардировки США Хиросимы и Нагасаки и принятия замечательных планов вида «короткого теннисного  удара».

Эта примитивная, многостадийная и грязная по сегодняшним понятиям технология висмут-фосфатного процесса, сегодня уже давно заменена значительно более совершенным и безопасным процессом, основанным на органических веществах — ионнообменных смолах. Но тогда это был лучший возможный в СССР и в США вариант получения оружейного плутония.

Ну а «Восточно-уральскиий радиоактивный след» очень надолго (хочется верить) останется третьим по масштабу в истории аварийным событием, связанным с ядерной энергией.

Рождение же современного процесса, который сегодня применяется и на Ла-Аге, и на «Маяке», связано с именем американского химика Леарнеда Аспрея (Larned "Larry" Brown Asprey).
Именно он запантентовал в 1947 году принципы процесса, который сегодня применяется для разделения урана и плутония практически повсеместно. Этот процесс впоследствии был назван пьюрекс-процессом (PUREX). Этот процесс помог США наработать основные количества оружейного плутония, и именно он сейчас используется на производственной площадке французского завода Ла-Аг и на российском новом заводе на «Маяке», который заменил «Завод Б» в 1978 году.

И вот тут мы, наконец, подходим к вопросу того, что же плохо в пьюрекс-процессе сегодняшнего дня и что в нём можно улучшить в самом ближайшем будущем.