Экология потребления.Наука и техника: Отработанное ядерное топливо - это и весьма опасный отход с крайне недешевой утилизацией, и одновременно источник многих уникальных элементов и изотопов, стоящих весьма немалые деньги.

Кажется довольно интересным разобраться с экономикой отработанного ядерного топлива (ОЯТ). На Земле мало вещей с такой сложной экономической двойственностью: ОЯТ это и весьма опасный отход с крайне недешевой утилизацией, и одновременно источник многих уникальных элементов и изотопов, стоящих весьма немалые деньги.

Эта двойственность порождает сложный выбор о дальнейшей судьбе ОЯТ - вот уже много десятилетий подавляющее большинство стран, обладающих атомной энергетикой не могут определится, необходимо ли захоранивать ОЯТ или перерабатывать.

В этом тексте я по возможности аккуратно попытаюсь посчитать расходную и доходную часть экономики ОЯТ.

Использованные термины и сокращения:

Делящиеся материалы (ДМ) - собственно ядерное топливо, поддерживающее цепную реакцию деления (Pu239, U235, Pu241, U233). То, что называется топливом, на самом деле, кроме ДМ обычно содержит и другие материалы - кислород, уран 238 и продукты деления

Продукты деления - осколочные элементы, образующиеся из ДМ в результате реакции деления. Обычно радиоактивные изотопы от 70 до 140 номера таблицы Менделеева.

PWR/ВВЭР - самый распространенный в мире тип ядерных реакторов, с водой под давлением (не кипящей) в первом контуре, с тепловым нейтронным спектром.

БН - другой тип реакторов, с быстрым нейтронным спектром и натрием в качестве теплоносителя.

ЗЯТЦ - замыкание ядерного топливного цикла, перспективный метод расширения топливной базы ядерной энергетики. Подразумевает использование реакторов БН или БРЕСТ.

БРЕСТ - еще один тип реакторов, с быстрым нейтронным спектром и свинцовым теплоносителем, теоретически являющийся более безопасным, чем БН. Ни один подобный реактор пока не построен.

Дебит

Расходы на ОЯТ начинаются у оператора АЭС, когда оно покидает приреакторный бассейн выдержки и отправляется либо в сухое, либо в мокрое хранилище. Удобно здесь и далее все расходы пересчитывать в удельные затраты на килограмм тяжелых металлов ОЯТ, так вот в случае отправки в сухое хранилище такие расходы составляют от 130 до 300 долларов на кг ОЯТ и определяются в основном стоимостью контейнеров хранения либо здания, в котором размещается ОЯТ. Из этой суммы от 5 до 30 долларов приходится на транспортные операции.

Эти суммы, на самом деле, ничтожны. Килограмм ОЯТ, когда еще был топливом, выработал (если взять PWR/ВВЭР) от 400 до 500 МВт*ч электроэнергии, стоимостью где-то 16...50 тысяч долларов, т.е. перемещение в промежуточное хранение не стоит и 1% доходов от производства атомной электроэнергии.

Впрочем, промежуточное хранение на то и промежуточное, что у него должно быть какое-то продолжение. Это может быть либо прямое захоронение ОЯТ в неизменном виде, либо переработка.

Ниже табличка, которая показывает сокращение потребности в природном уране за счет использования делящихся материалов из переработанного топлива.

А теперь посмотрим, нет ли еще чего полезного в ОЯТ, что могло бы улучшить экономику переработки в целом. Тут необходимо вспомнить, что продукты деления урана и плутония - это примерно 70 изотопов 25 элементов. Некоторые нуклиды - стабильные и радиоактивные, в принципе, представляют коммерческий интерес.

Палладий . На каждую тонну продуктов деления приходится примерно 5% палладия сложного изотопного состава. Т.е. из каждой тонны ОЯТ БН, содержащей 100 килограмм продуктов деления, можно будет извлечь около 5 килограмм палладия, из тонны ОЯТ ВВЭР - 800 грамм. К сожалению, палладий будет радиоактивен из-за изотопа Pd-107 (его примерно 14% из всех изотопов палладия в ОЯТ), который имеет период полураспада 6,5 млн лет, т.е. дождаться его распада не получится. Удельная активность извлеченного из ОЯТ палладия будет около 1,2 МБк/г - это довольно много, НРБ-99 устанавливает предел безопасного годового поступления палладия такой активности в 1,45 грамма в год.

Теоретически, если этот радиоактивный палладий найдет применение (в каких-нибудь промышленных катализаторах, скажем) и цена его будет равна цене природного (~30000 долларов за кг!), то добытый из ОЯТ палладий будет восполнять 1-2% стоимости переработки ОЯТ.

Родий . Другой металл платиновой группы. Из тонны ОЯТ БН можно будет извлечь 1,2 кг родия, а из тонны ОЯТ ВВЭР - порядка 500 грамм. Самый долгоживущий радиоактивный изотоп Rh-102 с периодом полураспада 3,74 года, Где-то за 50 лет выдержки радиоактивность родия упадет до значений, после которых его можно считать не радиоактивным. Стоимость родия примерно такая же (сейчас даже больше), чем у палладия, соответственно добытый из ОЯТ родий будет восполнять 0,3-0,5% стоимости переработки.

Рутений . Кроме печально известного Ru-106 среди продуктов деления есть и стабильные изотопы этого элемента. Рутения по массе в ОЯТ примерно на 25% больше, чем палладия, а не радиоактивным (после распада основного количества Ru-106) он становится примерно за 40 лет выдержки. К сожалению, стоимость рутения в 6 раз ниже, чем палладия, поэтому он так же добавляет при продаже всего 0,2-0,4% от стоимости переработки ОЯТ.

Серебро . Среди осколков деления его доля приблизительно 0,8%. Т.е. из этой тонны осколков его будет около 8 кг. Имеет два относительно долгоживущих радиоактивных изотопа. Ag-110m с периодом полураспада 250 суток и Ag-108m c периодом полураспада 418 лет. Второй изотоп образуется со сравнительно малым выходом. Остаточная активность после 30 лет выдержки будет 2,9 мкКи/г, несколько повыше радиоактивности природного урана, но соизмеримо. Пригодно для технического применения, однако из-за относительно низкой стоимости вряд ли экономически оправдано.

Ксенон . Это самый распространенный из осколков урана или плутония - только стабильные изотопы составляют около 12% массы продуктов деления. Не смотря на его низкую, на фоне палладия или рутения, стоимость (~50 долларов за кг) тот факт, что ксенон - это благородный газ делает его интересным. При любой переработке ОЯТ ксенон выделяется в газообразном виде, поэтому никакой специальной радиохимии для его получения не нужно, что резко снижает себестоимость. Есть, правда, одна проблема - хотя среди изотопов ксенона нет долгоживущих (подарок природы!), его всегда сопровождает криптон, изотоп Kr-85 которого является долгоживущим радиоактивным элементом.
Тем не менее криогенная ректификация может помочь получить чистый ксенон, который находит сегодня все больше применения в ионных двигателях космических аппаратов, в наркозе и т.п. Не смотря на это, мне не удалось найти следов практики сохранения ксенона при переработке ОЯТ - обычно его просто сбрасывают в атмосферу.

Технически есть еще несколько элементов, которые в будущем могут представлять интерес для извлечения из ОЯТ - например теллур. Однако текущая стоимость этих материалов, как и в случае серебра не оправдывает их добычи из ОЯТ.

Получается следующая градация действий - дешевле всего “промежуточно” хранить, однако этот процесс рискует затянуться (как это происходит в США, где национальное захоронение ОЯТ обсуждается уже 40 лет) и стать существенным фактором в общей цене жизненного цикла ядерного топлива. Наилучшим мгновенным решением в плане стоимости является как можно более быстрое захоронение ОЯТ в глубокой геологии. Ну а если есть надежда на развитие атомной энергетики в сторону ЗЯТЦ - то необходимо развивать переработку ядерного топлива.

Кстати, посмотрите классный ролик про создание и испытания бетонной пробки для туннелей финского захоронения Онкало.

Атомная энергетика состоит из большого количества предприятий разного назначения. Сырье для этой индустрии добывается на урановых рудниках. После оно доставляется на предприятия по изготовлению топлива.

Далее топливо транспортируют на атомные станции, где оно попадает в активную зону реактора. Когда ядерное топливо отрабатывает свой срок, его подлежат захоронению. Стоит отметить, что опасные отходы появляются не только после переработки топлива, но и на любом этапе - от добычи урана до работы в реакторе.

Ядерное топливо

Топливо бывает двух видов. Первое - это уран, добытый в шахтах, соответственно, природного происхождения. Он содержит сырье, которое способно образовать плутоний. Второе - это топливо, которое создано искусственно (вторичное).

Также ядерное топливо делится по химическому составу: металлическое, оксидное, карбидное, нитридное и смешанное.

Добыча урана и производство топлива

Большая доля добычи урана приходится всего лишь на несколько стран: Россию, Францию, Австралию, США, Канаду и ЮАР.

Уран - это основной элемент для топлива на атомных электростанциях. Чтобы попасть в реактор, он проходит несколько стадий обработки. Чаще всего залежи урана находятся рядом с золотом и медью, поэтому его добычу осуществляют с добычей драгоценных металлов.

На разработках здоровье людей подвергается большой опасности, потому что уран - токсичный материал, и газы, которые появляются в процессе его добычи, вызывают разнообразные формы рака. Хотя в самой руде содержится очень малое количество урана - от 0,1 до 1 процента. Также большому риску подвергается население, которое проживает рядом с урановыми шахтами.

Обогащенный уран - главное топливо для атомных станций, но после его использования остается огромное количество радиоактивных отходов. Несмотря на всю его опасность, обогащение урана является неотъемлемым процессом создания ядерного топлива.

В природном виде уран практически нельзя нигде применить. Для того чтобы использовать, его нужно обогатить. Для обогащения используются газовые центрифуги.

Обогащенный уран используют не только в атомной энергетике, но и в производстве оружия.

Транспортировка

На любом этапе топливного цикла есть транспортировка. Она осуществляется всеми доступными способами: по земле, морем, воздухом. Это большой риск и большая опасность не только для экологии, но и для человека.

Во время перевозки ядерного топлива или его элементов происходит немало аварий, следствием которых является выброс радиоактивных элементов. Это одна из многих причин, по которой считают небезопасной.

Вывод из строя реакторов

Ни один из реакторов не демонтирован. Даже печально известная Чернобыльская Все дело в том, что по подсчетам экспертов цена демонтажа равняется, а то и превосходит цену постройки нового реактора. Но точно никто не может сказать, сколько понадобится средств: стоимость рассчитывалась на опыте демонтажа небольших станций для исследования. Специалисты предлагают два варианта:

1. Помещать реакторы и отработанное ядерное топливо в могильники.
2. Строить над вышедшими из эксплуатации реакторами саркофаги.

В ближайшие десять лет около 350 реакторов по всему миру выработают свой ресурс и должны быть выведены из строя. Но так как наиболее подходящего по безопасности и цене способа не придумали, это вопрос еще решается.

Сейчас по всему миру работают 436 реакторов. Безусловно, это большой вклад в энергосистему, но он очень небезопасен. Исследования показывают, что через 15-20 лет АЭС смогут заменить станциями, которые работают на энергии ветра и солнечных батареях.

Ядерные отходы

Огромное количество ядерных отходов образуется в результате деятельности АЭС. Переработка ядерного топлива также оставляет после себя опасные отходы. При этом ни одна из стран не нашла решения проблемы.

Сегодня ядерные отходы содержатся во временных хранилищах, в бассейнах с водой или захороняются неглубоко под землей.

Наиболее безопасный способ - это хранение в специальных хранилищах, но тут тоже возможна утечка радиации, как и при других способах.

На самом деле ядерные отходы имеют некоторую ценность, но требуют строго соблюдения правил их хранения. И это наиболее острая проблема.

Важным фактором является время, в течение которого отходы опасны. У каждого свой срок распада, в течение которого оно токсично.

Виды ядерных отходов

При эксплуатации любой атомной электростанции ее отходы попадают в окружающую среду. Это вода для охлаждения турбин и газообразные отходы.

Ядерные отходы делят на три категории:

1. Низкого уровня - одежда сотрудников АЭС, лабораторное оборудование. Такие отходы могут поступать и из медицинских учреждений, научных лабораторий. Они не представляют большой опасности, но требуют соблюдения мер безопасности.
2. Промежуточного уровня - металлические емкости, в которых перевозят топливо. Уровень радиации их достаточно высок, и те, кто находится от них недалеко, должны быть защищены.
3. Высокого уровня - это отработанное ядерное топливо и продукты его переработки. Уровень радиоактивности быстро уменьшается. Отходов высокого уровня очень мало, около 3 процентов, но они содержат 95 процентов всей радиоактивности.

МОСКВА, 21 июн — РИА Новости. Предприятие госкорпорации "Росатом" "Производственное объединение "Маяк" (Озерск, Челябинская область) планирует к 2020 году стать первым в мире предприятием, овладевшим технологиями переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) любого типа, сообщил РИА Новости на форуме "Атомэкспо-2017" заместитель генерального директора "Маяка" по стратегическому развитию Дмитрий Колупаев.

Организатор "Атомэкспо-2017" — госкорпорация "Росатом". Генеральный информационный партнер форума — агентство РИА Новости (флагманский ресурс МИА "Россия сегодня").

Переработка отработавшего ядерного топлива — высокотехнологичный процесс, направленный на минимизирование радиационной опасности ОЯТ, безопасную утилизацию неиспользуемых компонентов, выделение полезных веществ и обеспечение их дальнейшего использования. Промышленная переработка ОЯТ ведется в трех странах — в России, Франции, Великобритании.

"Маяк" выполняет проект по расширению номенклатуры перерабатываемого у себя ОЯТ. В частности, освоена технология переработки ОЯТ российских реакторов ВВЭР-1000. Этот проект даст возможность предприятию в ближайшие полтора-два года стать единственным в мире предприятием, которое может перерабатывать любые виды отработавшего ядерного топлива, в том числе ОЯТ зарубежного дизайна, а также дефектных топливных сборок. Это даст Росатому дополнительные конкурентные преимущества на мировых рынках.

"Маяк" — первый промышленный объект отечественной атомной отрасли. Он был создан для наработки оружейного плутония, необходимого для создания советского атомного оружия. Приоритетные направления работы "Маяка" в настоящее время — переработка отработавшего ядерного топлива, производство изотопов и средств радиационного контроля, выполнение государственного оборонного заказа.

"Всеядный" комплекс

"За последние годы "Маяк" значительно продвинулся вперед в плане переработки отработавшего ядерного топлива исследовательских реакторов. Освоена переработка нескольких топливных композиций, но ключевым, пожалуй, станет проект по переработке уран-циркониевого топлива. Производственные мощности для этого должны быть готовы в нынешнем году", — сказал Колупаев.

Он пояснил, что это будет опытная установка, которая позволит сначала отработать необходимые технологии, а затем и фактически станет производственной установкой.

"Такого топлива относительно немного, и это, прежде всего, отработавшее топливо наших атомных ледоколов. Оно находится в сухом контейнерном хранилище на Севере, но сколь угодно долго оно эксплуатироваться не может. Поэтому задача переработки этого вида ОЯТ должна быть решена, и для этого не требуются большие производственные мощности", — отметил собеседник агентства.

Опытная переработка уран-циркониевого ОЯТ должна быть реализована к 2018 году, добавил Колупаев. "Это фактически сделает "Маяк" абсолютным технологическим лидером с точки зрения номенклатуры топливных композиций, которое наше предприятие сможет перерабатывать, потому что после освоения данной технологии у нас сможет быть переработана любая топливная композиция", — сказал он.

"И финальной точкой станет, пожалуй, освоение переработки отработавшего топлива реакторов АМБ первой очереди Белоярской АЭС. Там проблема уже не столько в самих топливных композициях (на первом и втором блоках станции использовались несколько десятков видов топлива), а в геометрических размерах отработавших тепловыделяющих сборок", — сообщил Колупаев.

Эти сборки достигают в длину 14 метров, и для того чтобы их разделывать, необходима специальная установка, пояснил он.

"Ее планируется создать к 2020 году. И вот тогда на "Маяке" будет полностью создан "всеядный" перерабатывающий комплекс - как по разным типам ОЯТ, так и по размерам отработавших тепловыделяющих сборок", — отметил заместитель гендиректора "Маяка".

Переработка радиоактивных отходов

Помимо переработки ОЯТ, "Маяк" активно занимается развитием технологии переработки радиоактивных отходов, напомнил Колупаев.

"В ближайшее время на предприятии планируется начать эксплуатацию установки по отверждению долгоживущих среднеактивных отходов, главным образом плутонийсодержащих, для которых цементирование, как, допустим, это делают наши коллеги в Великобритании, не является оптимальным. Наш подход базируется на применении керамоподобной матрицы, которая обладает большой долговечностью и хорошей емкостью по отходам", — сказал он.

Прошлый год был для "Маяка" своего рода "пусковым" с точки зрения реализации проекта по переработке источников ионизирующего излучения, отметил Колупаев.

"Мы полностью выполнили свои обязательства по объему возврата источников. В этом году объемы возвращаемых на утилизацию источников будут существенно больше. Мы оптимизируем технологию утилизации источников, чтобы удешевить ее и сделать более привлекательной для клиентов. Это очень важное направление, которое позволит нашим партнерам получить законченный цикл услуг - с момента поставки источников до их полной утилизации", — добавил он.

Химическая переработка облученного ядерного топлива осуществляется с целью извлечения плутония, урана и других ценных компонентов и очистки их от продуктов деления. В лабораториях ядерных центров многих стран исследовались различные методы переработки облученного топлива, которые можно классифицировать как водные и неводные . В опытном масштабе исследовались такие методы как: висмут-фосфатный, тригли, бутекс, торекс, экстракция аминами, аква-фтор-процесс - водные методы ; возгонка фторидов, плавка-рафинирование с селективным окислением, электролиз солей - неводные методы .

В ряде стран ведутся исследования и разработки так называемых сухих (безводных ) методов химической регенерации: фторидных (основанных на превращении U и Pu в газообразную фазу гексафторидов), пирометаллургических, экстракционных, в расплавах солей и др. Их цель – обеспечить наиболее эффективную в техническом и экономическом отношении промышленную технологию регенерации с одновременным решением проблемы переработки, консервации и удаление радиоактивных отходов в наиболее компактном и безопасном для хранения виде. Предполагается, что сухие методы позволят осуществить регенерацию топлива активных зон реакторов-размножителей на быстрых нейтронах с короткой выдержкой этого топлива и с меньшими потерями его по сравнению с жидкостной экстракцией. Эти методы привлекательны также тем, что удельные объемы получаемых радиоактивных отходов малы (преимущественно твердая компактная форма, пригодная для консервации в процессе регенерации). Большая часть установок, на которых проводили исследования и отработку перечисленных выше методов в настоящее время не функционируют.

Интенсивно разрабатывались водные методы переработки, основанные на использовании жидкостной противоточной экстракции. Среди них водно-экстракционная технология выделения и очистки урана и плутония от продуктов деления трибутилфосфатом (пьюрекс-процесс ) признана наиболее эффективной и используется на всех существующих промышленных предприятиях по переработке ОЯТ. Этот метод является единственным промышленно освоенным методом химической переработки отработавшего в реакторах АЭС оксидного уранового топлива.

Экстракция урана и плутония трибутилфосфатом по технологической схеме, названной пьюрекс-процессом, впервые примененной в США в 1945г. для выделения плутония из облученного металлического природного урана. Этот метод имеет различные усовершенствования и технологические варианты, направленные на снижение радиационного воздействия на экстрагент и достижение более глубокой очистки урана и плутония от продуктов деления. Эти усовершенствования позволили применить пьюрекс-процесс для переработки окисного топлива.

Как при жидкостных, так и при сухих методах химической переработки отработавшего топлива процессы (и связанные с ними трудности) очистки, консервации и удаления газообразных и летучих продуктов деления весьма схожи, хотя при сухих процессах улавливание и удаление йода и трития упрощаются. На рис.19 приведена схема основных этапов подготовки и радиохимической переработки отработавшего топлива методом жидкой экстракции.

Для отработавшего топлива реакторов на тепловых нейтронах типа LWR (США), ВВЭР и РБМК (Россия) установлено оптимальное время выдержки в бассейнах с водой на АЭС 3-5 лет, минимальное – 1 год. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах нормативное время пребывания ТВС в бассейнах выдержки пока не установлено. В интересах получения малого времени удвоения топлива это время должно быть минимальным (не более года).

Поступившее от АЭС на радиохимический завод топливо перегружают под водой из контейнеров в бассейн складов хранилищ, где ТВС устанавливают в специальных стойках или стеллажах, размещая так, чтобы в любых случаях не достигалась критическая масса и обеспечивалось необходимое охлаждение. Глубина бассейнов и толщина слоя воды над ТВС рассчитаны так, чтобы создать необходимую радиационную защиту. Бассейны имеют замкнутую циркуляционную систему для охлаждения и очистки воды и снабжены отсосами воздуха в систему специальной очистки вентиляции.

Из бассейнов ТВС поступают в отделение разделки, представляющее собой наиболее сложный комплекс радиохимического завода, оснащенный дистанционно-управляемой техникой. Разделка ТВС перед растворением топлива на заводах США и Западной Европы (кроме завода «Еврокемик» в Моле, Бельгия) осуществляется механическими средствами: рубка с помощью специальных прессов, разрезка фрезами ТВС целиком без разборки на отдельные твэлы, при этом предварительно отрезаются концевые детали («холостые концы»), не содержащие топлива. На заводе «Еврокемик» в Бельгии применялось химическое удаление циркониевых оболочек твэлов. Недостаток этого способа – большое количество (8-10 м 3 /т урана) промежуточных радиоактивных отходов. Разрабатываются установки для резки лучом лазера (Великобритания, Франция), а также для разборки ТВС на отдельные твэлы и их разделка. Для обеспечения лучшей растворимости стержни твэлов режут на куски длиной 15-50 мм. Отрезанные куски падают в желоба и попадают в баки-растворители периодического действия из нержавеющей борсодержащей стали. В этих баках осуществляется выщелачивание (извлечение) урана и плутония с помощью нагретой крепкой азотной кислоты. Полное растворение окисного топлива происходит за 2-4 часа, металлического - за 24 часа.

Во Франции и США ведется разработка аппаратов растворения непрерывного действия барабанного типа. Ядерная безопасность достигается добавлением в раствор нейтронных поглотителей (например, гадолиния) или комбинацией безопасной геометрии и поглотительными вставками. Растворы тщательно фильтруются с использованием фильтров из мелкопористой нержавеющей стали (диаметр пор порядка 3 мкм) или центрифуг. Растворение двуокиси урана в азотной кислоте происходит по реакции:

UO 2 + 4HNO 3 → UO 2 (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Для более полного растворения плутония вводятся дополнительные операции. Металлический уран растворяют в кипящей крепкой азотной кислоте. Для рекомбинации окислов азота в систему добавляют кислород и в результате получают азотную кислоту, снова возвращаемую в цикл.

Тщательно отфильтрованный водный раствор уранилнитрата UO 2 (NO 3) 2 с сопутствующими ему растворимыми продуктами деления поступает на экстракцию растворителями.

Основной процесс экстракции растворителями является распределение растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкостями (водная и органическая фазы). Между этими фазами по известному закону в каждой ступени распределяются растворенные вещества в определенном постоянном соотношении. Отношение концентрации вещества в органической фазе к его концентрации в водной фазе в условиях равновесия между фазами называется коэффициентом распределения .

При нескольких последовательных процессах экстракции можно сконцентрировать в органической фазе почти 100% нитратов урана и плутония, обеспечив необходимый коэффициент очистки их от радиоактивных продуктов деления: 5·10 7 -10 8 для плутония, 10 6 -10 7 для урана.

Таким образом, многоступенчатая экстракция органическим растворителем позволяет иметь одновременно высокое извлечение ядерного топлива из растворов и его глубокую очистку от радиоактивных продуктов деления. Степень этой очистки должна допускать работу с регенерированным ураном без биологической защиты, т.е. его радиоактивность должна быть близка к естественной радиоактивности (~ 0,3 мкКи/кг или 1,1·10 4 расп./(с кг)). Это и определяет тот предел очистки, к которому следует стремиться при химической переработке отработавшего топлива.

В качестве органического экстрактора-растворителя успешно применяется трибутилфосфат (ТБФ), разбавленный до 30% очищенным керосином (Н-додеканом). Главным преимуществом ТБФ как экстрагента является его способность селективно извлекать из азотнокислого раствора уран и плутоний. При этом азотная кислота служит в качестве высаливающего агента. Азотная кислота легко очищается дистилляцией, что позволяет возвращать ее в процесс и не увеличивать за счет нее радиоактивные сбросы. Органическая фаза избирательно экстрагирует только уран и плутоний, оставляя почти все продукты деления в водо-кислой фазе, в которой таким образом концентрируются высокоактивые отходы процесса. Органическая фаза, содержащая уран и плутоний, промывается азотной кислотой в целях удаления различных загрязняющих веществ и затем направляется во второй аппарат, где контактирует с водой, которая смывает с ТБФ уран и плутоний, переводя их снова в водную фазу (реэкстракция). Этим завершается первый цикл экстракции.

Во втором экстракционном цикле, или цикле разделения U-Pu, жидкая водяная фаза из первого цикла (после концентрирования в испарителе) опять направляется в экстракционно-промывной контактор (колонну). Загружаемая фаза (органический экстракт) подается в другую колонну, где уран отделяется от плутония путем контактирования органической фазы с водным раствором, содержащим агент-восстановитель (обычно применяется четырехвалентный уран). Четырехвалентный плутоний восстанавливается до трехвалентного состояния, в котором он менее подвержен экстракции ТБФ и, следовательно, может быть удален из колонны в водной фазе. Раствор плутония в азотной кислоте концентрируется, затем подвергается денитрации и превращается в сухой порошок двуокиси плутония PuO 2 . уран же удаляется из органической фазы в третьей колонне. Для полного извлечения уранового продукта используется два-три дополнительных цикла экстракции органическим растворителем.

Для очистки от продуктов деления (особенно от рутения) и концентрирования плутония требуется один дополнительный цикл экстракции с последующей обработкой на анионообменном реагенте.

Отходы, оставшиеся в азотной кислоте, выпаривают для концентрирования и хранения, очистки и возврата азотной кислоты в процесс.

Органический растворитель (ТБФ) на выходе из экстракционного процесса очищают от оставшегося урана. Плутония и продуктов деления, а также растворенных веществ, оказавшихся в ТБФ из-за химического и радиохимического повреждения органической фазы. Процесс очистки растворителя включает обычно щелочную и кислотную промывку. После очистки органический растворитель (сольвент) возвращается в процесс.

Циклы экстракции на перерабатывающих заводах позволяют выделить 98,5-99,5% урана и плутония, содержащихся в перерабатываемых твэлах, и достичь высоких коэффициентов очистки от продуктов деления. Существуют трудности в очистке рабочих растворов от циркония, ниобия и рутения. Радиоактивный изотоп 95 Zr (Т 1/2 = 65 сут.) образуется при делении урана тепловыми нейтронами с выходом 6,2%. Распадаясь, он превращается в 95 Nb (Т 1/2 =35 сут.), который, в свою очередь, превращается в стабильный 95 Mo. Эти элементы, как и уран, и плутоний, также экстрагируются ТБФ, образуя комплексные соединения, коллоиды, и сорбируются на твердых материалах. 103 Ru (Т 1/2 = 39,35 сут.) и 106 Ru (Е 1/2 = 1год) также имеют значительные выходы при делении урана тепловыми нейтронами (3 и 0,38% соответственно) и еще больший выход при делении быстрыми. Чтобы избавиться от этих «назойливых и вредоносных спутников», применяется ряд усложняющих и удорожающих технологию процессов, в том числе операции по предварительной очистке растворов, обязательное введение двух циклов экстракции как урана, так и плутония, дополнительная очистка на абсорбентах, а также посредством ионного обмена и др.

В первом цикле экстракции удается почти целиком избавиться от долгоживущих изотопов цезия, стронция, иттрия, а также редкоземельных элементов. Все они образуют в растворах азотной кислоты простые гидротированные ионы. Не вызывает особых затруднений очистка от стабильных нуклидов – продуктов коррозии стенок аппарата, компонентов оболочечных сплавов.

Отмывка уранилнитрата и нитрата плутония от ТБФ и вывод остаточных продуктов деления и продуктов разложения ТБФ производится с помощью водных растворов гидроокиси натрия, соды, азотной кислоты и других реагентов или методом водопаровой дистилляции. С помощью центробежных экстракторов достигается очень малое время контакта и разделения фаз, что способствует радиолизной устойчивости ТБФ при воздействии интенсивного облучения.

Завершающая стадия топливного цикла атомной энергетики – химическая переработка отработавшего ядерного топлива – на фоне бурного роста темпов строительства АЭС оказалась наиболее отставшей от уровня промышленного и технологического развития других стадий ядерного топливного цикла. Это связано с тем, что стоимость извлеченного из облученного топлива урана пока намного превышает его стоимость, при добыче, извлечении и обогащении. Плутоний нашел пока применение только в форме МОХ - топлива, производство которого существует во Франции.

Технические данные об основных радиохимических заводах зарубежных стран приведены в табл.19. В России переработка ОТВС ведется на производственном объединении (ПО) «Маяк».

Таблица 19

Технические данные заводов по переработке ОЯТ

*) - в конце 1976 г фирма NFS заявила об окончательном отказе от дальнейшей эксплуатации и реконструкции своего завода ввиду сейсмичности района Уэст-Валли и предстоящих больших затратах (~600 млн. долл.). В США работы по химической переработке топлива АЭС с 1977 г. были прекращены, и радиохимические заводы законсервированы на неопределенный срок. Однако продолжались научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Ведется сооружение федеральных долговременных хранилищ ОТВС. В настоящее время государственная программа развития ядерной энергетики США предусматривает возврат к промышленной переработке отработанного топлива.

**) - завод «Еврокемик» в Моле в 1979 г демонтирован.

***) - в ФРГ ряд лет ведутся острые дискуссии о допустимости, по соображениям безопасности и охраны окружающей среды, сооружения в стране радиохимических заводов и долговременных хранилищ радиоактивных отходов. До 2007 г Правительством ФРГ решение не принято.

Как и всякое другое производство, переработка топлива представляет определенную экологическую опасность. Особенности технологического процесса, с точки зрения образования экологически опасных отходов производства, могут быть рассмотрены на примере крупного завода спроектированного фирмой KEWA для переработки оксидного топлива реакторов PWR и BWR в Западной Германии. Его производительность 1400 т урана в год (около 5 тонн в сутки). Стандартное содержание плутония в ОТВС реакторов PWR и BWR не превышает 0,8%, а продуктов деления – 3% массы твэл (2,3·10 6 Ки/т). Большую часть топлива предполагается поставлять на завод в 120 тонных контейнерах. Время выдержки в бассейнах реакторов – 3 года. Предполагается использовать сухую выгрузку. Сборки размещаются в бассейнах на специальных стеллажах. Два бассейна на 700 т урана каждый рассчитаны на максимальный объем поставок топлива. Выделяемое тепло будет отводиться с помощью охлаждающих установок.

На первой стадии переработки ТВС будут разрезаться пресс-ножницами на куски длиной 20-50 мм, а затем топливо растворяться в кипящей азотной кислоте. Выделяющиеся при этом газообразные продукты деления будут отводиться на установку по очистке отходящих газов. Йод предполагается улавливать фильтром из неорганического материала, содержащего серебро. Для улавливания криптона запроектирован метод низкотемпературной ректификации. Оставшиеся после растворения топлива куски оболочек будут направляться прямо в хранилище твердых отходов, а мелкодисперсные (~ 1 мкм) нерастворимые частицы отфильтровывать и осветленный раствор подавать на экстракцию.

Запроектированная схема экстракции предусматривает следующие основные технологические пьюрекс-процессы. В трех циклах экстракции из раствора выделяют уран, плутоний и продукты деления. В первом цикле с применением нескольких ступеней пульсационных колонн отделяют продукты деления, а также разделяют уран и плутоний. Во втором и третьем циклах экстракции производят экстракционную очистку растворов нитратов уранила и плутония, которые затем поступают в промежуточное хранилище. Технологическая схема включает в себя вспомогательные процессы регенерации кислоты, очистки экстрагента, приготовления растворов химических реагентов и очистки газообразных отходов. Окончательная очистка урана происходит в селикагелевых колоннах. Затем раствор с высоким содержанием 235 U превращается прямо на заводе в UF 4 , пригодный для промежуточного хранения, который по мере необходимости используют для получения UF 6 . Сильнообедненный раствор урана выпаривают с последующим получением UO 3 , который хранится на территории завода до отправки на постоянное хранение.

Нитрат плутония сразу же после экстракции превращают в двуокись. Затем этот продукт можно направлять на установку по изготовлению топлива или в центральное хранилище плутония.

Для промежуточного хранения высокоактивных твердых отходов (куски оболочек, осадки) предназначены специальные хранилища. В дальнейшем эти отходы будут цементироваться и отправляться на постоянное хранение. Подобным образом будут обрабатываться прочие негорючие отходы после их предварительной очистки и измельчения. Горючие твердые отходы будут сжигаться, а остатки цементироваться и храниться в металлических емкостях. Для временного хранения жидких высокоактивных отходов будут использоваться резервуары из нержавеющей стали. После значительного снижения активности жидкие отходы будут отверждаться и подвергаться остекловыванию. Жидкие отходы средней активности (после извлечения органических компонентов и свободных кислот) будут концентрироваться и временно храниться в жидкой форме. Жидкие отходы низкой активности путем перегонки, концентрирования и химической обработки будут разделяться на фракцию, которую можно безопасно сбрасывать в окружающую среду, и кубовой остаток средней активности. 85 Kr, сжижаемый в процессе очистки газообразных отходов, будут хранить в герметичных баллонах. После значительного снижения активности в период временного хранения все отходы будут направляться в постоянное хранилище, размещенное в выработках соляного рудника. Численность персонала завода – 1000 человек. Некоторые значимые технические показатели завода приведены в табл.20.

Таблица 20

Технические характеристики проектного завода по переработке ОЯТ

Строительство такого завода обходится в несколько миллиардов долларов, цена переработки составляет несколько сот долларов за килограмм урана. Понятно, что средства от продажи урана и плутония, извлеченных при переработке топлива, при таких условиях покроют лишь часть расходов на саму переработку, обезвреживание и захоронение отходов. Поэтому переработку топлива реакторов на тепловых нейтронах следует рассматривать не как возможный источник дохода и прибыли, а скорее, как необходимый производственный процесс, обеспечивающий обезвреживание и удаление радиоактивных отходов, а также сохранение и увеличение сырьевых ресурсов за счет использования невыгоревшего урана и образующегося при облучении топлива плутония.

Наиболее активно занимается переработкой топлива среди западных стран Франция на радиохимическом заводе в м.Аг. Причем на этом заводе перерабатывается не только Французское топливо, но и с других стран (Япония, Германия).

Перспективы переработки в будущем связаны также с переработкой уран-плутониевого топлива быстрых реакторов.

Наряду с отработкой промышленных технологий переработки облученного топлива на опытных и опытно-промышленных установках и заводах в различных странах проводятся лабораторные исследования, направленные на улучшение отдельных стадий в технологии пьюрекс-процесса, поиск и испытание новых экстрагентов и разработку новых процессов переработки топлива. В перспективе ставится задача разработать технологию переработки облученного топлива, обеспечивающую:

· удаление актинидов из высокоактивных отходов, что позволит уменьшить время, в течение которого отходы остаются опасными с 25·10 4 до 10 3 лет;

· уменьшение объема отходов от переработки топлива в 20 раз по сравнению с современной технологией на основе пьюрекс-процесса;

· выделение благородных металлов, таких как палладий, родий и рутений.

Во всех странах, за исключением США, научные исследования проводятся в центрах, принадлежащих государственным органам управления и контроля над использованием атомной энергии. В США часть исследований передается частным фирмам по контрактам государства (под потранажем Департамента энергетики США).

Вывоз, переработка и утилизация отходов с 1 по 5 класс опасности

Работаем со всеми регионами России. Действующая лицензия. Полный комплект закрывающих документов. Индивидуальный подход к клиенту и гибкая ценовая политика.

С помощью данной формы вы можете оставить заявку на оказание услуг, запросить коммерческое предложение или получить бесплатную консультацию наших специалистов.

Отправить

В 20 веке безостановочный поиск идеального источника энергии, казалось бы завершился. Этим источником стали ядра атомов и реакции, происходящие в них - во всем мире началась активная разработка ядерного оружия и строительство атомных электростанций.

Но планета быстро столкнулась с проблемой – переработки и уничтожения ядерных отходов. Энергия атомных реакторов несет в себе массу опасностей, так же как и отходы данной отрасли. До сих пор тщательно проработанной технологии переработки не существует, в то время как сама сфера активно развивается. Поэтому безопасность зависит в первую очередь от правильной утилизации.

Определение

Ядерные отходы содержат в себе радиоактивные изотопы определенных химических элементов. В России, согласно определению, данному в ФЗ №170 «Об использовании атомной энергии» (от 21 ноября 1995 года), дальнейшее использование таких отходов не предусматривается.

Главная опасность материалов заключается в излучении гигантских доз радиации, губительно действующей на живой организм. Последствиями радиоактивного воздействия становятся генетические нарушения, лучевая болезнь и смерть.

Карта классификаций

Основным источником ядерных материалов в России являются сфера атомной энергетики и военные разработки. Все отходы ядерного производства имеют три степени радиации, знакомые многим еще из курса физики:

• Альфа - излучающие.
• Бета - излучающие.
• Гамма - излучающие.

Первые считаются самыми безобидными, так как дают неопасный уровень радиации, в отличие от двух других. Правда, это не мешает им входить в класс наиболее опасных отходов.


В целом, карта классификаций ядерных отходов в России делит их на три вида:

1. Твердый ядерный мусор. К нему относится огромное количество материалов технического обслуживания в сферах энергетики, одежда персонала, мусор, скапливающийся в ходе работы. Такие отходы сжигают в печах, после чего пепел смешивается со специальной цементной смесью. Ее заливают в бочки, запаивают и отправляют в хранилище. Захоронение подробно описано ниже.
2. Жидкие. Процесс работы атомных реакторов невозможен без использования технологических растворов. Кроме того, сюда относится вода, которую применяют для обработки спец костюмов и мытья работников. Жидкости тщательно выпаривают, а дальше происходит захоронение. Жидкие отходы нередко перерабатываются и используются в качестве топлива для атомных реакторов.
3. Элементы конструкции реакторов, транспорта и средств технического контроля на предприятии составляют отдельную группу. Их утилизация - самая дорогостоящая. На сегодняшний день существует два выхода: установка саркофага или демонтаж с его частичной дезактивацией и дальнейшее отправление в хранилище на захоронение.

Карта ядерных отходов в России также определяет низкоактивные и высокоактивные:

• Низкоактивные отходы — возникают в процессе деятельности лечебных учреждений, институтов и исследовательских центров. Здесь радиоактивные вещества применяются для проведения химических тестов. Уровень радиации, излучаемой этими материалами, очень низок. Правильная утилизация позволяет превратить опасный мусор в обычный приблизительно за несколько недель, после чего его можно уничтожить как обычные отходы.
• Высокоактивные отходы - это отработанное топливо реакторов и материалы, применяемые в военной промышленности для разработки ядерного оружия. Топливо на станциях представляет собой специальные стержни с радиоактивным веществом. Реактор функционирует примерно 12 — 18 месяцев, после чего топливо необходимо менять. Объем отходов при этом просто колоссальный. И эта цифра растет во всех странах, развивающих сферу атомной энергетики. Утилизация высокоактивных отходов должна учитывать все нюансы, чтобы избежать катастрофы для окружающей среды и человека.

Переработка и утилизация

На данный момент существует несколько методов утилизации ядерных отходов. Все они имеют свои преимущества и недочеты, но как ни крути, не позволяют полностью избавиться от опасности радиоактивного воздействия.

Захоронение

Захоронение отходов - наиболее перспективный метод утилизации, который особенно активно применяется в России. Сначала происходит процесс витрификации или «остекловывания» отходов. Отработавшее вещество кальцинируют, после чего в смесь добавляется кварц, и такое «жидкое стекло» вливается в специальные цилиндрические формы из стали. Полученный стеклянный материал устойчив к воздействию воды, что уменьшает возможность попадания радиоактивных элементов в среду.

Готовые цилиндры заваривают и тщательно моют, избавляясь от малейшего загрязнения. Далее они отправляются в хранилище на очень длительное время. Хранилище устраивают на геологических устойчивых территориях, чтобы хранилище не было повреждено.

Геологическое захоронение осуществляют на глубине более 300 метров таким образом, чтобы в течение долгого времени отходы не нуждались в дальнейшем обслуживании.

Сжигание

Часть ядерных материалов, как уже говорилось выше, представляет собой непосредственные результаты производства, а своего рода побочный мусор в сфере энергетики. Это материалы, в ходе производства подвергшиеся облучению: макулатура, дерево, одежда, бытовой мусор.

Все это сжигается в специально спроектированных печах, позволяющих минимизировать уровень токсичных веществ в атмосферу. Пепел, среди прочих отходов, подвергается цементированию.

Цементирование

Захоронение (один из способов) ядерных отходов в России путем цементирования – одна из самых распространенных практик. Суть заключается в помещении облученных материалов и радиоактивных элементов в специальные контейнеры, которые затем заливают специальным раствором. В состав такого раствора входит целый коктейль из химических элементов.

В результате он практически не подвергается воздействию внешней среды, что позволяет достичь практически неограниченного срока. Но стоит сделать оговорку, что подобное захоронение возможно только для утилизации отходов среднего уровня опасности.

Уплотнение

Давняя и достаточно надежная практика, нацеленная на захоронение и уменьшение объема отходов. Она не применяется для переработки основных топливных материалов, но позволяет обработать другие отходы низкого уровня опасности. В данной технологии применяются гидравлические и пневматические прессы с низкой силой давления.

Повторное применение

Использование радиоактивного материала в области энергетики происходит не в полной мере – в силу специфики активности данных веществ. Отработавшие свое, отходы все еще остаются потенциальным источником энергии для реакторов.

В современном мире и тем более в России ситуация с энергетическими ресурсами довольно серьезная, и потому вторичное использование ядерных материалов в качестве топлива для реакторов уже не кажется невероятным.

Сегодня существуют методы, позволяющие применять отработавшее сырье для применения в сферах энергетики. Радиоизотопы, содержащиеся в отходах, используют для обработки пищевых продуктов и в качестве «батарейки» для работы термоэлектрических реакторов.

Но пока технология еще находится в развитии, и идеального метода переработки не найдено. Тем не менее, переработка и уничтожение ядерных отходов позволяет частично разрешить вопрос с подобным мусором, используя его в качестве топлива для реакторов.

К сожалению в России подобный метод избавления от ядерного мусора практически не развивается.

Объемы

В России во всем мире объемы ядерных отходов, отправляющихся на захоронение, составляют десятки тысяч кубометров ежегодно. Каждый год европейские хранилища принимают около 45 тысяч кубометров отходов, а в США такой объем поглощает лишь один полигон в штате Невада.

Ядерные отходы и работы связанные с ними за рубежом и в России – это деятельность специализированных предприятий, снабженных качественной техникой и оборудованием. На предприятиях отходы подвергаются различным способам обработки, описанным выше. В результате удается уменьшить объем, снизить уровень опасности и даже использовать некоторый мусор в сфере энергетики как топливо для атомных реакторов.

Мирный атом давно доказал, что все не так просто. Область энергетики развивается, и будет развиваться. То же можно сказать и о военной сфере. Но если на выброс других отходов мы иногда закрываем глаза, неправильно утилизированные ядерный мусор может стать причиной тотальной катастрофы для всего человечества. Поэтому этот вопрос требует скорейшего решения, пока не поздно.