Иммобилизация радиоактивных отходов – проблема, которую мы способны решить

Порталу «Научная Россия» рассказывает российский минералог, специалист в области технической минералогии, заведующий лабораторией радиогеологии и радиогеоэкологии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, член-корреспондент РАН Сергей Владимирович Юдинцев.

— Сергей Владимирович, расскажите, чем занимаемся ваш институт. 

— Наше научное учреждение — Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии. В названии института соединились все области большой сферы наук о Земле, которыми мы занимаемся. Причем, они идут от более общего к частному. Геология — это самое крупное понятие. Дальше идет петрография — наука о горных породах. Минералогия — это наука о минералах, о компонентах горной породы. И, наконец, геохимия — наука о поведении химических элементов, из которых состоят минералы. А из минералов состоят горные породы, из пород — рудные месторождения. Правда, в названии института нет слова «геоэкология», а это тоже важное направление нашей работы.

— Как я понимаю, вы как раз этим направлением и занимаетесь.

— Да, это правда. Тема радиогеологии в какой-то степени в нашем институте была всегда, потому что урановые месторождения — это и есть радиогеология. Cамо понятие «геология рудных месторождений» включает изучение месторождений различных элементов, которыми в нашем институте занимаются разные специалисты. Скажем, сегодня, на заседании Ученого совета, мы заслушали очень интересный доклад по серебряному месторождению в арктической зоне Российской Федерации. Но, кроме того, у нас специалисты в институте занимаются и золотом, и вольфрамом, и молибденом, и редкими землями, и ниобием, и многими другими полезными рудными ископаемыми.. Лаборатория, которой я руковожу, также имеет свою интересную историю. Когда-то она называлась «Экспедиция № 1» и имела двойное подчинение Академии наук и Минсредмашу.

— Лаборатория так и называлась — «Экспедиция № 1»?

— Да. Она была создана в 1946 году по распоряжению Правительства СССР. Её задача состояла в том, чтобы обеспечить будущую ядерную оборонную промышленность сырьем — ураном, и этому вопросу были посвящены огромные усилия наших специалистов, были открыты многие месторождения. В бывшем Советском Союзе и за рубежом специалисты нашей организации принимали участие в таких работах. Само название «Экспедиция №1» было придумано для секретности. Так в те годы именовались стратегические металлы: «металл № 1» — это уран, а «металл № 2» — торий.

— А сейчас ваша лаборатория как называется?

— «Лаборатория радиогеологии и радиогеоэкологии» — это дань истории и продолжение тех работ, которые наша «Экспедиция № 1» начинала. И сейчас, более 70 лет спустя, лаборатория занимается этим направлением. А радиогеология — это изучение урановых месторождений. Владислав Александрович Петров — директор института — один из крупнейших специалистов в нашей стране в этой области, очень много времени потративший на изучение ураново-рудных месторождений России, в частности, крупнейших месторождений Стрельцовского рудного поля в Забайкалье. Из трех тысяч тонн урана, которые в России на данный момент добываются, две тысячи тонн — именно на этом месторождении.

— Оно ещё не иссякло?

— Нет, оно будет еще долгое время разрабатываться, и Владислав Александрович с группой исследователей принимают большое, активное участие в исследовании этого месторождения. Вторая часть названия лаборатории — «радиогеоэкология» — это заслуга академика Николая Павловича Лаверова, который много лет был директором, а потом научным руководителем нашего института. В начале 90-х годов прошлого века он сказал, что специалистам-геологам нужно вовлекаться в проблему обращения с радиоактивными отходами. Будучи вице-президентом Академии и председателем комиссий и рабочих групп, в которых рассматривались вопросы по обеспечению радиационной безопасности нашей страны, — он видел, насколько важна роль геолога в этой проблеме, и приложил все усилия для того, чтобы привлечь нас к такой работе. Благодаря Николаю Павловичу и его настойчивости, это направление исследований прочно вошло в наш институт. Он инициировал написание несколько ключевых, основополагающих статей, в том числе в профильном для отрасли журнале «Атомная энергия», и мы сразу, тем самым, вышли из области геологических наук в более широкую сферу, связанную с ядерной и радиационной безопасностью нашей страны. Без ложной скромности могу сказать, что за эти годы мы достигли большого прогресса в этой области, стали признанными специалистами как в нашей стране, так и за рубежом во многих вопросах, касающихся обращения с радиоактивными отходами. И роль Николая Павловича во всем этом трудно переоценить.

— Итак, мы переходим к экологической тематике, которая составляет большую и важную часть работы института.

— Постараюсь обрисовать объем и масштаб этой проблемы. Радиоактивные отходы — это оборотная, негативная сторона ядерной энергетики, с одной стороны. А с другой стороны, не надо забывать про гонку ядерных вооружений. Мирная гражданская ядерная энергетика, атомные электростанции выросли из оборонной промышленности, из гонки ядерных вооружений, когда нужно было в кратчайшие сроки обеспечить паритет страны. К сожалению, длительное время проблемам радиоактивных отходов не уделялось должного внимания. Связано это с тем, что нужно было в первую очередь создать необходимый арсенал ядерного оружия, чтобы было равновесие между крупнейшими мировыми державами. Поэтому главной задачей стала наработка оружейных делящихся материалов — урана 235-го и плутония 239-го, необходимых для создания ядерного оружия. Известны наши три крупных радиохимических производства, на которых существовало больше десятка специальных реакторов для наработки оружейного плутония. Они облучали урановое ядерное топливо. По сравнению с атомными электростанциями, это принципиально другой механизм, и задача стояла другая. В результате ядерных реакций происходит захват нейтронов плутонием 239, и чем дольше ядерное топливо находится в реакторе, тем интенсивнее образуются изотопы с бОльшими массами — 240-й, 241-й, 242-й плутоний и другие трансплутониевые актиниды. А для ядерных боеприпасов требуется плутоний 239-й, поэтому топливо облучалось короткое время, дальше оно направлялось на переработку, растворялось в высококонцентрированных растворах азотной кислоты. Выделялся плутоний и уран. Эта технология используется до сих пор. Мало того: многое из того, что мы сейчас используем в мирной ядерной энергетике, проистекает оттуда — из той технологии первоначально военного предназначения. Этот процесс извлечения плутония и урана называется PUREX — Plutonium-Uranium Extraction.

В результате этого процесса образовывались в огромном количестве радиоактивные отходы. Они классифицируются по разным принципам. По агрегатному состоянию — газообразные, твердые и жидкие. Но самая главная характеристика отходов — это их радиоактивность и радионуклидный состав. Есть короткоживущие радиоизотопы — условно говоря, это радиоизотопы с периодом полураспада меньше 30 лет. И есть долгоживущие радиоизотопы — многие изотопы актинидов и, в том числе, плутония, например, для плутония-239 это порядка 24 тысяч лет. Считается, что за десять периодов полураспада радиоизотоп исчезает вообще. Значит, период времени, за который данный радионуклид перестает существовать и представлять экологическую опасность — это десять его периодов полураспада. Соответственно, для плутония 239-го это около 240 тысяч лет. Для изотопов короткоживущих этот срок гораздо меньше — за 300 лет хранения они полностью распадутся и не будут представлять никакой угрозы для биосферы, перейдут в стабильные химические элементы и данное вещество перестанет быть радиоактивным.

— Но это же огромный период времени.

— Когда говорят об опасности радиоактивных отходов, конечно, не надо ее преуменьшать, надо об этом говорить, но с фактами в руках и аргументировано сравнивать опасность различных видов отходов. Если мы будем говорить про химические токсические вещества — ртуть, свинец, то это элементы стабильные, и они всегда будут представлять опасность. А вот, например, кобальт 60-й — достаточно опасный, но короткоживущий радионуклид — у него период полураспада около пяти лет. Значит, за 50 лет этот радионуклид перейдет в стабильный изотоп, не представляющий опасности.

Не случайно сейчас Госкорпорация «Росатом» показала свои компетенции и возможности в области обращения с радиоактивными отходами. Это ее задача, сфера ее деятельности и область ответственности. Успешное решение этих задач определило то, что именно «Росатому» сейчас переданы дополнительные полномочия, и он будет национальным оператором по обращению и с нерадиоактивными химическими и токсичными отходами, в том числе с наиболее опасными отходами первого и второго класса.

— Вы сказали о классификации отходов. Какие их классы имеются в нашей стране?

— Сейчас по нашей классификации у нас в стране шесть классов радиоактивных отходов — от наиболее опасного первого класса до шестого. Первый класс — это неперерабатываемое облученное ядерное топливо, высокоактивные отходы от переработки отработавшего ядерного топлива, и те твердые формы, в которых эти отходы включаются. В нашей стране это алюмофосфатная стекломатрица. Отходы первого класса — это тепловыделяющие высокорадиоактивные отходы, содержащие долгоживущие радионуклиды преимущественно актинидов.

Особый класс отходов — это класс № 5 — жидкие отходы. Мы — единственная страна в мире, где жидкие радиоактивные отходы закачиваются в недра Земли. У нас три таких полигона: в Ульяновской области, на «СХК» — это Томская область, и в Красноярском крае.

— Почему это беспрецедентная история?

— Этой практике уже 50 лет, и она доказала право на существование. Но, тем не менее, эта технология не нашла распространения в мире и не поддерживается МАГАТЭ — Международной организацией в области ядерной энергии. Это связано с тем, что ключевой принцип для изоляции радиоактивных отходов — это наличие нескольких барьеров, которые сдерживают распространение радионуклидов в геологической среде — здесь он не соблюдается в полной мере.

Вот для твердых отходов таких барьеров существует несколько. Это сами отходы: их стараются превратить в такую форму, которая обладает очень низкой растворимостью в подземных водах. Привлекательной средой для захоронения радиоактивных отходов являются соли: в них нет воды по определению. Поэтому в Соединенных Штатах Америки действует единственное в мире хранилище по захоронению актинидсодержащих (плутонийсодержащих) отходов, расположенное в солях на глубине примерно 500 метров.

— Вы сказали, что твердые отходы иммобилизуются согласно многобарьерным принципам. Как они выглядят?

— Первый барьер — это твердая матрица. Дальше — металлический контейнер, срок службы которого от трехсот до тысячи лет и даже более. В этом подземном хранилище существует еще один инженерный барьер — это засыпка из щебня горных пород, которая, как и глина, обладает сорбирующей способностью для радионуклидов, и это их тоже задержит. Имеется такой барьер, как мощный бентонитовый буфер — это от 30-ти сантиметров до метра толщиной слой уплотненных глин, который не пропускает воду и радионуклиды из хранилища. И, наконец, бетонные стенки хранилища толщиной от 70-ти сантиметров до метра служат еще одним барьером, препятствующим выносу радионуклидов из подземного хранилища.

— Серьёзная система.

— Да. Это служит гарантией того, что радионуклиды не выйдут из подземного глубокого хранилища. Именно этим обоснованием надежности хранилища мы и занимаемся. И, поскольку существует шесть классов радиоактивных отходов, то чем выше класс, тем строже должны быть требования к сооружению хранилища и барьерам. Самые высокие требования — к отходам, содержащим долгоживущие радионуклиды. При этом не стоит забывать, что радиоактивность — это вообще-то естественный фон.

— Говорят, мы не смогли бы жить без него.

— Да, есть точка зрения, что одним из условий возникновения жизни стал небольшой радиационный фон. Не говоря уже о медицинских процедурах, без которых сейчас немыслима серьезная диагностика — флюорография, рентген, компьютерная томография. А знаете ли вы, что когда мы летим на самолете через океан, то получаем годовую дозу облучения из-за того, что облучение действует в большей степени в разряженном воздухе?

— Выходит, нельзя часто летать через океан?

— Ни в коем случае. Частые полеты наносят вред здоровью, как и слишком частые медицинские рентгеновские процедуры. Существуют санитарно-эпидемические нормы, и этот вопрос тоже в нашей стране хорошо изучен и исследован — какие дозы не несут в себе риска ущерба для здоровья, связанного с радиационным излучением. Но если что-то может проконтролировать врач, то полёты на самолете должны контролировать вы сами.

А в целом можно сказать, что процессы радиации в природе существуют, они обусловлены наличием радиоактивных элементов, и среди таких радиоактивных элементов — в основном, радиоизотопы урана и единственный изотоп тория. В момент возникновения Земли, конечно, количество радиоактивных изотопов было намного больше. Просто в связи с тем, что Земля у нас уже старушка, ей несколько миллиардов лет, все те изотопы, которые сформировались на заре её формирования, просто распались. До нынешнего времени сохранились только наиболее долгоживущие радиоизотопы.

— Но их все меньше и меньше.

— Да. В следующие пять миллиардов лет останется половина урана-235 и так далее. И через десять периодов полураспада его не останется совсем. Поэтому можно сказать, что через пятьдесят миллиардов лет урана на Земле не будет, потому что они распадутся, хотя немного тория все же останется, поскольку его период полураспада больше, около 14 миллиардов лет.

— К счастью, это не так скоро.

— Да, уран и торий существуют в природе, и есть зоны, участки, где эти элементы локализуются и образуют урановые и ториевые руды. Мы в нашей лаборатории, как я говорил, занимаемся и этой проблемой тоже, — это проблема радиогеологии, проблема объяснения, понимания формирования урановых руд: как переносится элемент, где он концентрируется, где нужно искать руды этого элемента. Если на начальной стадии это было связано с оборонной промышленностью, с созданием ядерного оружия, то последние десятки лет это, в первую очередь, обеспечение топливом атомных электростанций, в том числе 36 блоков — реакторов в нашей стране. Потребность страны в уране примерно пять тысяч тонн в год. Кроме того, наша страна обязана поставлять ядерное топливо в те страны, где строятся реакторы российского образца. Как вы знаете, это и Турция, и Египет в перспективе, Белоруссия, строящая вместе с Россией в Островце атомную электростанцию. Существуют большие планы в течение ближайших десяти-двадцати лет до тридцати блоков ядерных реакторов построить в мире, потому что это очень выгодно. Наша страна продает, как известно, сырье, но лучше продавать высокие технологии. Атомные электростанции — это очень высокотехнологичный продукт. И «Росатом», куда мы — ученые Академии наук, входим в качестве экспертов, планирует и реализует долгосрочные программы по завоеванию рынков, по закреплению там нашей высокотехнологичной продукции, каковой являются атомные электростанции. Надо сказать, большое внимание в мире посвящено глобальному потеплению, сокращению выбросов углекислоты. Так вот ядерная энергетика — это ключевой элемент так называемой мало-углеродной энергетики. Вытеснение стандартной тепловой энергетики, основанной на углеводородах, и замещение ее ядерной энергетикой, — это очень важный момент как с точки зрения климатических последствий, так и для того, чтобы ценное углеводородное сырье не сжигалось в котлах тепловых станций, а использовалось для получения важной и нужной продукции.

— Сергей Владимирович, понятно, что без атомной энергии никак не прожить. Понятно также, как надо захоранивать эти отходы. Но как с этим обстоят дела в нашей стране в реальности?

— В последние пятнадцать-двадцать лет дела обстоят хорошо. Не боюсь показаться излишним оптимизмом или лоббистом «Росатома», но это факт. А до двухтысячных годов ситуация была достаточно плачевная. Отходов было очень много, внимания им не уделялось, в советские годы особенно. И только с начала двухтысячных годов ситуация стала постепенно меняться. Была принята сначала первая федеральная целевая программа по радиационной безопасности, она функционировала с 2008-го по 2015-й год. За это время было сделано очень много. Состоялись крупные бюджетные вливания в проблему обращения с радиоактивными отходами. Ей на смену года пришла следующая программа, которая реализуется сейчас и будет действовать до двадцать пятого года. В 2011-м году был принят, наконец, долгожданный закон 190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами», где сформулированы методы, цели, задачи и заложены юридические основы обращения с радиоактивными отходами. В соответствии с этим законом была начата работа по формированию Единой государственной системы, реестра радиоактивных отходов, поскольку нужно было определить, где они, сколько, в каком виде, в каком состоянии. Это очень важная работа, которая и сейчас ведётся.

— Правильно ли я понимаю, что в нашей стране до сих пор немало радиоактивных отходов, которые хранятся прямо на поверхности земли?

— Конечно, не на поверхности, а в специальном хранилище, но вы правы: именно так они всегда и хранились. Никаких мультибарьерных захоронений, о которых мы с вами говорили, в нашей стране никогда не было. Скажем, за все время существования на Урале на Урале комбината «Маяк» по переработке облученного ядерного топлива и иммобилизации жидких отходов в стекломатрицу (а этот процесс идет с 1987 года) накоплено шесть тысяч триста тонн или около двух с половиной тысяч кубических метров остеклованных высокорадиоактивных отходов. И только сейчас зашла речь о строительстве подземного хранилища под Красноярском на глубине пятьсот метров, где эти отходы будут размещаться по всем международным правилам, в цементной матрице или стеклообразной матрице в зависимости от класса отходов. Там в полной мере будет реализована мультибарьерная система с обеспечением безопасности. Вокруг будет бентонитовый буфер, цементная облицовка, засыпка щебнем горных пород. И только потом уже геологическая среда, чего мы не имеем в случае жидких отходов, где у нас нет ни одного искусственного инженерного барьера. От этой технологии мы постепенно откажемся. Кроме того, сейчас внедряют малоотходные технологии, то есть, количество жидких отходов год от года уменьшается. Это задача будущего, и она успешно решается, — целый ряд технологических процессов разрабатывается для того, чтобы жидкие высокоактивные отходы переводить в твердую форму, и с этой твердой формой работать согласно международным стандартам и правилам.

— Какое-то время назад звучала странная, на мой взгляд, идея вывозить радиоактивные отходы в космос и оставлять там. Как с этим всё решилось?

— Странных идей было довольно много. Еще была идея тепловыделяющие активные отходы помещать в тугоплавкий материал, контейнер из вольфрама, и он будет разогреваться. Посчитали, что температура будет две тысячи градусов. Затем бурить скважину и туда помещать. Этот контейнер якобы будет так разогревать породы, что всё будет расплавляться, опускаться вниз, в мантию, и таким образом удаляться. То есть, не в космос отправлять радиоактивный мусор, а в землю. Еще была одна идея — погружать контейнер в особые геологические структуры, активные вулканические зоны.

— В жерло вулкана?

— Почти. Но серьезные люди об этом не говорят.

— Это радует. А то Землю превратили в помойку, давайте теперь и космос…

— Даже не в этом дело. Мы знаем, сколько запусков, к сожалению, космических аппаратов, спутников заканчиваются неудачно. Это примерно 5 процентов. Сгорает спутник. А если сгорел корабль, набитый под завязку радиоактивными отходами где-то в атмосфере? Что потом? Получится самоотравление. Всё это, как бумеранг, вернется все на Землю. К тому же, всё это экономически нецелесообразно.

— Выходит, альтернативы геологическому захоронению нет?

— Нет. Геологи, минералоги это прекрасно знают. Урановые руды сохраняются миллиарды лет под землей. Это говорит о том, что существуют геологические обстановки, в которых радиоактивное вещество может находиться в стабильной, зафиксированной форме, и не будет разноситься, хотя вода присутствует на таких глубинах, но условия такие, что разноса радиоактивности вокруг месторождений нет. Иначе бы мы месторождения урановых руд никогда бы не находили.

В «Росатоме» прекрасно понимают сложность и грандиозность существующих проблем. В прошлом году «Росатом» инициировал компанию по отбору аванпроектов на эту тему. Я участвовал в экспертизе этих проектов. Почти все они касались обращения с радиоактивными отходами от деятельности атомных электростанций, переработки облученного ядерного топлива, загрязненных почв, масел и жидкостей. Было порядка пятисот проектов. В результате работы экспертов отобраны двести проектов. «Росатом» выделил на это большие деньги. Сейчас эти работы стартовали, они идут достаточно успешно. Всё это говорит о том, какое внимание уделяет этому вопросу «Росатом» и руководство страны. Есть мозги, есть специалисты, которые в эту проблему вовлечены и знают, как ее решать.

Например, на ГХК в Красноярском крае Петр Михайлович Гаврилов, доктор технических наук, внедряет самые передовые разработки в области замкнутого ядерного топливного цикла. В частности, это усовершенствованная технология переработки облученного ядерного топлива с минимальным количеством жидких отходов. Их будет становиться гораздо меньше, и это очень важно. Новый завод, который планируется построить на ГКХ, будет работать по самой современной технологии, которая позволит резко минимизировать количество радиоактивных отходов. В нашей стране реализуется замкнутый топливный цикл, когда облученное ядерное топливо извлекается из реактора, перерабатывается, а ценные, полезные компоненты из него извлекаются, чтобы использовать дальше.

В нашей стране сейчас поставлена задача разработать двухкомпонентную систему ядерной энергетики — это реакторы на тепловых медленных нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах, которые будут использовать весь энергетический ресурс, содержащийся в уране, и энергетический ресурс плутония, который нарабатывается в реакторах на тепловых нейтронах. Все это у нас уже делается, и я могу сказать, что можно смотреть вперед с умеренным оптимизмом.

— Почему с умеренным?

— Потому что не надо забывать о проблемах и опасностях. Оптимизм всегда должен быть умеренным. Но при этом он всегда должен быть. Иначе просто ничего не получится.

Беседовала Наталия ЛЕСКОВА.

Опубликовано на портале «Научная Россия» 26 февраля 2019 года.

Источник: https://scientificrussia.ru/intervi….-reshit

Новое на сайте экопросвещения ЭКО.ЗНАЙ