Почему радиоактивные отходы не могут быть использованы повторно?
В зависимости от того, о каком типе радиоактивных "отходов" идет речь, их можно либо повторно использовать/перерабатывать, либо безопасно утилизировать. Существует много распространенных неправильных представлений о ядерных отходах, однако они могут иметь ключевое значение для экологически чистого и устойчивого будущего.
В какой-то момент за последние несколько десятилетий вы почти наверняка видели боевик с сюжетом, который опирается на террористический заговор с целью взорвать грязную бомбу или какое-либо другое ядерное устройство, но город, как правило, в последний момент спасает герой фильма. В некоторых из этих фильмов радиоактивные материалы, использованные в бомбе, были украдены с правительственного объекта и даже могут быть одной из форм ядерных отходов!
Голливуд далек от реальной жизни, но на самом деле существует огромное количество ядерных отходов, хранящихся в различных местах по всему миру, и правительства тратят много времени и энергии, сохраняя эти места защищенными и содержащимися. Вместо того чтобы хранить тысячи тонн ядерных отходов, очевидным решением было бы как-то утилизировать их, но возможно ли это вообще? Могут ли ядерные отходы быть переработаны или нейтрализованы, и если да, то почему это не является операционной процедурой для каждой ядерной страны на Земле?
Что такое ядерные отходы?
Ядерные отходы - это широкий термин, который может использоваться для описания ряда вещей, включая материалы, загрязненные радиацией, такие как конструкционный материал зданий, окружающих Чернобыль, или побочные продукты определенных медицинских и исследовательских задач. В медицинских кабинетах и больницах вы часто увидите предупреждающие знаки на некоторых мусорных баках с символом радиоактивных отходов. Отходы этого типа обычно могут быть сожжены или сжаты, а затем захоронены.
Однако для целей этой статьи мы обсудим наиболее распространенную и противоречивую форму ядерных отходов - отработавшее ядерное топливо, которое образуется после того, как ядерное топливо используется в реакторе для производства энергии или с помощью других ядерных технологий.
Когда большинство людей думают о ядерных отходах, они воображают лужу светящейся зеленой слизи, вытекающей из трещины в поврежденной бочке, но помните, что реальная жизнь не такая захватывающая, как Голливуд. Ядерное топливо обычно принимает стандартную форму тепловыделяющих сборок; они представляют собой герметичные металлические трубки, заполненные урановыми (топливными) таблетками. Когда это топливо “израсходовано", оно выходит во многом в том же виде, что и твердое вещество в герметичных металлических трубках, которые содержат радиоактивный материал.
Это называется "высокоуровневыми" отходами, так как они все еще содержат очень высокие концентрации радиации, несмотря на то, что часто тратят 3-5 лет на выработку энергии в реакторе. Эти необработанные высокоуровневые отходы должны храниться в безопасном и постоянном хранилище, поскольку они могут оставаться радиоактивными в течение сотен тысяч, если не миллионов лет.
В дополнение к этим высокоуровневым ядерным отходам, существуют также низкоуровневые побочные продукты ядерных отходов, которые генерируются такими электростанциями, и это также должно быть безопасно обработано, транспортировано и сохранено. Период полураспада этих низкоуровневых отходов значительно ниже и может быть полностью нейтрализован в течение нескольких десятилетий.
Достаточно шокирующе то, что большинство реакторов извлекают лишь небольшой процент потенциальной энергии из ядерного топлива, прежде чем оно будет считаться “ядерными отходами” и заменено свежим, максимально эффективным топливом. Учитывая, что Уран и другие радиоактивные элементы являются конечными ресурсами на нашей планете, а также принимая во внимание долгосрочные опасности, которые представляют собой нераскрытые ядерные отходы для будущих поколений (например, аварии на объектах захоронения или во время транспортировки, утечки, сейсмическая активность, кражи и терроризм и т.д.), было бы очень полезно, если бы мы могли каким-то образом перерабатывать или повторно использовать отходы.
Можно ли перерабатывать ядерные отходы?
Прежде чем мы углубимся в детали утилизации ядерных отходов, давайте кратко рассмотрим, как расходуется ядерное топливо; более конкретно, давайте посмотрим на преобразование, которое происходит в ядерном материале.
Примерно 11% мировой энергии поступает от атомных электростанций, и с каждым годом их число увеличивается. Все ядерные реакторы используют ядерное деление для производства энергии, и Уран является наиболее распространенным радиоактивным элементом, используемым для этого процесса. Природный уран, который находится в земной коре, представляет собой смесь слегка различных форм, известных как изотопы, включая U—238, U-235 и U-234. Эти изотопы различаются по количеству нейтронов, обнаруженных в ядре. U-235 - это особенно особый изотоп, поскольку он является единственным естественным материалом на Земле, который расщепляется, что означает, что он может быть легко разделен на части, чтобы высвободить большое количество энергии.
Когда добывают природный уран, он обычно обогащается, что повышает концентрацию U-235 с примерно 0,7% состава урана до 3-5%. Низкообогащенный уран составляет от 1-5% U-235, высокообогащенный уран - до 20%, а оружейный уран - до 90% U-235!
Когда обогащенный уран вводится в ядерный реактор, запускается управляемая цепная реакция. Представьте себе, что нейтрон врезается в ядро урана, заставляя его расщепиться, что выбрасывает еще больше нейтронов. Эти рассеянные нейтроны продолжают расщеплять другие атомные ядра, вызывая тем самым цепную реакцию. Каждый раз, когда атом расщепляется, он выделяет огромное количество энергии и тепла, которые используются для создания пара, который движет турбинами, таким образом, производя энергию!
Теперь, когда U-235 израсходован, в ядерном топливе все еще остается большое количество U-238, но он слабо радиоактивен по сравнению с другими его изотопами. В прошлом это топливо теперь рассматривалось как «ядерные отходы» и с ним нужно было бороться, но U-238 является очень «плодородным» изотопом, что означает, что он принимает нейтроны в свое ядро, и в этот момент он становится U-239. (92 протона, 147 нейтронов). Однако, благодаря бета-распаду в радиоактивных изотопах, этот дополнительный нейтрон расколется на протон и электрон, превратившись в Нептуний-239 (93 протона, 146 нейтронов). В течение двух дней произойдет еще один бета-распад, в результате чего появится Pu-239, изотоп плутония (94 протона и 145 нейтронов).
Хотите, верьте, хотите нет, но Pu-239 - это другой расщепляющийся изотоп, хотя и не естественный. Этот плутоний-239 ведет себя так же, как и U-235, и может циклически возвращаться в процесс выработки энергии на электростанции, а не выбрасываться вместе с другими отходами, т.е. продуктами деления.
Топливный цикл - это путь, по которому ядерное топливо движется через ядерный реактор. Однократный топливный цикл состоит из ядерного топлива (урана), которое используется один раз, а затем весь отработавший уран, включая большое количество U-238, плутония и продуктов деления, хранится как отходы. В замкнутом топливном цикле завод по переработке отходов отделяет продукты деления от пригодного к использованию урана и продуктов деления плутония. Пригодное для использования топливо в различных его формах повторно обогащается (в случае урана) и помещается обратно в ядерный реактор для дальнейшей выработки энергии. В качестве отходов на среднесрочное хранение направляются только продукты деления.
Наконец, в топливном цикле реакторов-размножителей эти «быстрые» реакторы имеют дополнительные нейтроны, летающие внутри, и способны получать наибольшую энергию из ресурсов уранового топлива. Реактор-размножитель может генерировать больше делящихся продуктов, чем он может фактически использовать, которые затем могут быть отправлены на переработку, а затем использованы в обычных реакторах для максимальной эффективности использования ресурсов.
Стоимость и инфраструктура реакторов-размножителей высока, а знания и опыт в этой области низки, но они создают наименьшее количество ядерных отходов и могут по праву считаться устойчивой формой ядерной энергии.
Препятствия на пути переработки ядерных отходов
Очевидно, что существуют варианты утилизации ядерных отходов и сокращения потребности в рискованных методах хранения, так что же мешает странам в полной мере инвестировать в этот тип устойчивой технологии?
Как и при любом способе производства энергии, затраты, связанные с рециркуляцией ядерного топлива, высоки, и в прошлом количество энергии, необходимое для рециркуляции топлива, было больше, чем произведенная энергия. Однако рециркуляция ядерных отходов стала намного более эффективной, и новые методы делают ее все более жизнеспособной. Соединенные Штаты по-прежнему отказываются перерабатывать свои ядерные отходы высокого уровня и имеют более 70 000 тонн ядерных отходов, хранящихся на различных ядерных установках по всей стране.
Другие страны, такие как Россия, Япония, Швейцария, Германия, Бельгия и Франция, заняли более прогрессивную позицию и регулярно перерабатывают свои ядерные отходы (в рамках альтернативных топливных циклов, описанных выше). В то время как затраты и создание инфраструктуры для переработки ядерных отходов высоки, смягчение необходимости в долгосрочных хранилищах и предотвращение истощения урановых ресурсов стоит компромисса. Поскольку расходы на хранение ядерных отходов продолжают расти, утилизация отработавшего топлива станет необходимостью для ядерных стран мира.
Ядерная энергия теоретически является одним из наиболее устойчивых и малоотходных вариантов производства энергии. Ядерные отходы, образующиеся в этом процессе, были проблемой в прошлом, но в настоящее время существует множество вариантов переработки и повторного использования. Требуются передовые установки и высококвалифицированные рабочие, но самое главное - это готовность ядерных стран в полной мере инвестировать в инфраструктуру рециркуляции и сократить потребность в долгосрочных, высокоуровневых хранилищах отходов, которые будут оставаться потенциальной угрозой на протяжении сотен тысяч лет.