Трансмутация высокоактивных радиоактивных отходов

Разделение и трансмутация (P&T) обещает предоставить технологию обработки высокорадиоактивных отходов таким образом, чтобы сократить период времени, в течение которого они проявляют значительные уровни радиоактивности. Однако до сих пор технологии P&T демонстрировались только в лабораторных масштабах. Даже при интенсивных исследованиях, вероятно, потребуется несколько десятилетий, чтобы технология была готова к использованию. Окончательное хранилище для высокоактивных радиоактивных отходов по-прежнему необходимо, поскольку только часть высокоактивных ядерных отходов может быть преобразована. В обозримом будущем лучшей альтернативой будет глубокое геологическое захоронение: таков вывод недавнего экспертного отчета по заказу BASE.

Ученые всего мира десятилетиями изучают различные способы безопасного захоронения высокорадиоактивных отходов. Один из вариантов, который пока существует только в теории, — это промышленное применение трансмутации для уменьшения количества радиоактивных отходов. Этот процесс предназначен для целенаправленного преобразования долгоживущих компонентов отходов в короткоживущие или стабильные вещества.

Как работает эта технология? И является ли это альтернативой окончательному захоронению в глубоких геологических слоях горных пород?

Что такое трансмутация?

Долгоживущие компоненты, такие как уран и плутоний, отделяются и превращаются в короткоживущие компоненты, при этом вырабатывается энергия. Источник: БАЗА

Трансмутация – это физический процесс, при котором один элемент превращается в другой. Это уже происходит с некоторыми материалами (особенно с ураном и плутонием) как побочный эффект производства электроэнергии на атомных электростанциях. В контексте обращения с отходами трансмутация означает преобразование долгоживущих радиоактивных ядер (радионуклидов) в короткоживущие или стабильные ядра. Процесса трансмутации для целенаправленной обработки промышленных отходов пока не существует. Есть надежда, что, если однажды это станет технически осуществимым, высокорадиоактивные ядерные отходы больше не будут представлять опасность для людей и окружающей среды в течение сотен тысяч лет, а только в течение гораздо более короткого периода. Однако взамен объем низко- и среднеактивных отходов, вероятно, значительно возрастет. Окончательное хранилище для высокорадиоактивных отходов по-прежнему будет необходимо, потому что только часть высокоактивных радиоактивных отходов вообще может быть трансмутирована.

Из чего на самом деле состоят ядерные отходы?

Высокоактивные отходы атомных электростанций представляют собой смесь различных веществ или групп веществ, каждое из которых обладает различными свойствами. Поскольку высокорадиоактивные отходы обладают высоким потенциалом опасности в течение очень длительного периода времени, они должны быть защищены от окружающей среды в могильнике в течение миллиона лет. Основными компонентами отходов являются:

Уран показать/спрятать

Уран добывают из земли и перерабатывают в топливо. Однако большая часть урана, добрых 94%, при использовании на АЭС не делится, а утилизируется в составе высокоактивных отходов. Уран, используемый на электростанциях, имеет очень низкий уровень радиации и не очень подвижен в земле. Поэтому некоторые концепции P&T не предусматривают его преобразование. Вместо этого его будут отделять от остальных отходов и отправлять прямо в хранилище.

Трансурановые элементы показать/скрыть

Трансурановые элементы — это вещества, которые образуются, когда уран захватывает нейтроны, а не расщепляется ими. Это приводит к образованию элементов с более высоким атомным номером, то есть с большим количеством протонов, чем у урана. Особое значение имеют элементы нептуний, плутоний, америций и кюрий. На трансурановые элементы приходится около 1,5% немецких высокоактивных отходов (в виде топливных элементов). Они способствуют высокому радиационному и большому тепловыделению облучаемых твэлов.

Продукты деления показать/скрыть

Продукты деления образуются при расщеплении урана или трансурановых элементов. На продукты деления приходится около 4% высокоактивных отходов (в виде тепловыделяющих сборок). Они вносят наибольший вклад в излучение в первые десятилетия, а также в тепловыделение отработавшего топлива. Продукты деления часто хорошо растворимы в воде и поэтому очень подвижны в почве.

Как работает трансмутация в контексте обращения с отходами?

Предусматриваемый технический процесс обращения с отходами называется «разделение и трансмутация» (P&T) и состоит из трех этапов: разделение (разделение), производство топлива и конверсия (трансмутация).

В процессе разделения трансурановые элементы отделяются от отработавшего топлива. Этот процесс уже существует для урана и плутония на заводах по переработке. Необходимы значительные технические разработки и для выделения других трансурановых элементов. Пока это возможно только в лаборатории.

Отделенные трансурановые элементы затем будут перерабатываться в новые топливные элементы и подвергаться бомбардировке нейтронами в специальных реакторах. Некоторые из трансурановых элементов будут расщеплены и преобразованы в короткоживущие или стабильные атомные ядра. Также будет произведено небольшое количество долгоживущих продуктов деления, таких как йод-129.

Тем не менее, процесс P&T пришлось бы повторять много раз, поскольку каждый раз может быть преобразована только часть трансурановых элементов.

Источник: БАЗА

Возможна ли трансмутация на практике?

Пока нет промышленного оборудования для трансмутации. Согласно экспертному заключению, проведенному по заказу BASE, может пройти много десятилетий, прежде чем это станет возможным. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы будут связаны с большими затратами.

Согласно модельным расчетам, от трех до 23 атомных электростанций, предназначенных для трансмутации, должны были бы работать от 55 до 300 лет, чтобы трансмутировать большую часть трансурановых элементов Германии. Таким образом, процесс P&T потребует создания обширной ядерной промышленности. На это не распространяется текущая правовая ситуация в Германии. Причина: после аварий на реакторах в Чернобыле и Фукусиме в этой стране сложился широкий общественный консенсус в отношении того, что атомные электростанции больше не должны эксплуатироваться в будущем. Последние три атомные электростанции в Германии будут остановлены не позднее конца 2022 года.

Может ли трансмутация заменить окончательное хранилище?

Даже при трансмутации потребуется хранилище для высокорадиоактивных отходов. На это есть три особые причины:

• Даже при повторной трансмутации останутся трансурановые остатки, которые нужно было бы перенести в окончательное хранилище.
• Долгоживущие продукты деления (как существующие, так и новые) должны быть помещены в хранилище.
• Лишь часть высокоактивных отходов находится в виде тепловыделяющих сборок. Около 40% отходов остекловывались при переработке. В таких случаях перераспределение будет гораздо более сложной задачей.

Кроме того, следует отметить, что количество радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, например, в результате демонтажа электростанций, значительно возрастет.

Вывод

Неясно, когда будет доступна трансмутационная технология для промышленной переработки радиоактивных отходов и насколько она будет эффективна.Таким образом, использование этой технологии в качестве замены окончательного хранилища высокорадиоактивных отходов несовместимо с принципом ответственности. Этот принцип закреплен в Законе о выборе площадки и предусматривает, что должна быть обеспечена наилучшая возможная защита человека и окружающей среды от воздействия ионизирующего излучения, а также необходимо избегать чрезмерного бремени для будущих поколений.

Будущее

Если разделение и трансмутация действительно будут доведены до промышленной зрелости в ближайшие десятилетия или столетия, и если станет возможным уменьшить количество высокорадиоактивных отходов, Закон о выборе площадки предусматривает корректирующие варианты. Согласно закону, должна существовать возможность извлечения высокоактивных отходов до тех пор, пока хранилище не будет опечатано.

Экспертное заключение о разделении и трансмутации

Концепции разделения и трансмутации обсуждаются и исследуются на международном уровне. С помощью трансмутации высокоактивные ядерные отходы должны перерабатываться таким образом, чтобы радиация снижалась быстрее. Но пока это только теория. BASE заказала экспертный отчет, чтобы проверить, могут ли эти концепции быть реализованы на практике.

Источник: БАЗА

ядерная безопасность Экспертное заключение по разделению и трансмутации

Концепции разделения и трансмутации обсуждаются и исследуются на международном уровне. С помощью трансмутации высокорадиоактивные ядерные отходы должны быть переработаны таким образом, чтобы радиация снижалась быстрее. Но пока это только теория. BASE заказала экспертный отчет, чтобы проверить, могут ли эти концепции быть реализованы на практике.