Решение проблемы хранения отработанного ядерного топлива.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОТХОДОВ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Атомная электростанция (АЭС), как устройство для получения энергии (тепловой, а через неё и электрической), подобна домашней печи с аналогичным предназначением. Если последняя топится дровами, то АЭС – тепловыделяющими сборками (ТВС). Это такие красивые шестигранные «поленья» (около 5м длиной и охватывающим диаметром 25см). Продолжая эту аналогию, можно отметить, что, если взять поленья для печи из хвойных дров, то они включают около 5% смолы – материала с высокой теплотворной способностью, а остальное – древесина, которая в этом отношении существенно хуже (особенно в сыром виде). В АЭС и в этом аналогичная картина. В ТВС присутствует около 5% U-235 – изотопа урана с огромной теплотворной способностью, а остальное – U-238, который тепла даёт мало, но и без него нельзя. Дальше вся аналогия печи с АЭС катастрофически разрушается: в печи дрова сгорают целиком до горстки пепла, в АЭС U-235 сгорает лишь наполовину от исходного, а U-238 так вообще всего на 5%! Приведённое выше сопоставление печи с АЭС было сделано для того, чтобы подчеркнуть немереную расточительность в использовании атомных «дров», которая плохо уживается с широко рекламируемым совершенством атомной энергетики. Однако более глубокое «дожигание» атомных «дров» (ТВС) недопустимо (по ядерно-физическим причинам), и они должны быть выведены из реактора, иначе их дальнейшее присутствие резко «тушит» его. До вышеуказанного выгорания ТВС служат 3 - 4 года, после чего они переходят в разряд отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Аббревиатура ОТВС хорошо известна в атомной энергетике, потому что является головной болью всех атомных электростанций (АЭС), ведь каждый год из-за этого до 1/3 ОТВС реактора (до 50 штук) должны быть выведены из него и заменены новыми ТВС. Если учесть, что каждая ТВС содержит около полтонны урана, то понятно как дорого обходится топливо АЭС. Но главной проблемой здесь является то, что от ОТВС, извлечённой из атомного реактора, исходит такой поток тепла и опасного радиоизлучения, что она должна дистанционно и немедленно перенесена и погружена в специальный, помещённый рядом с реактором, бассейн выдержки. Без водяного охлаждения свежие ОТВС могут разогреться до расплавления. (Что и имело место при разрушении из-за цунами бассейнов выдержки японского реактора Фокусима-1.) В бассейне выдержки ОТВС, постепенно теряя тепло и интенсивность радиоизлучения, хранятся десятки лет, но и после этого они сохраняют высокий уровень радиоактивной опасности. Поэтому для всех вытащенных из реактора ОТВС в бассейне выдержки, должны быть свободные места. Но эти бассейны не резиновые, а ОТВС извлекаются из некоторых АЭС уже более полвека, и нарастание «свежих» ОТВС в бассейны идёт ускоренными темпами. В интернете часто мелькают панические сообщения, что хранилища ОТВС близки к заполнению. Часть старых ОТВС достигают за время отстоя такого состояния, что могут храниться без охлаждения водой в более простых, так называемых, сухих хранилищах. Часть ОТВС отбирается на переработку водными химическими методами. При этом теоретически можно очистить от примесей и извлечь все, содержащиеся в ОТВС компоненты, но практически это делается лишь для извлечения урана и, главным образом, плутония, который образуется по ядерной реакции из U-238. Переработка ОТВС пока является производством исключительно экологически вредным, весьма дорогим и сопровождающимся большим количеством радиоактивных отходов. Иллюстрацией этого служит всем известная история уральского химкомбината «Маяк». Сейчас достаточно оснований утверждать, что переработка ОТВС в настоящее время убыточна и не может удовлетворять масштабам развития ядерной энергетики. США, обладающая в мире основным количеством АЭС, совсем не перерабатывает ОТВС. После длительного пребывания в бассейнах выдержки и частичной разборки ОТВС в крупногабаритных контейнерах отправляют на захоронение в подземных хранилищах, которые сооружаются с огромными затратами. Радиоактивная опасность ОТВС сохраняется на 250 тыс. лет (!), поэтому подземные хранилища после заполнения замуровываются так, что доступ к ним исключён навсегда. Всё это настолько расточительно, что безвыходность этого пути тоже очевидна. Таким образом представленные решения проблемы с ОТВС вызывают глубокое уныние. Они плохо разрешают сиюминутную ситуацию и не имеют никаких приемлемых рецептов на будущее. Для того, чтобы заглянуть в будущее, не плохо вспомнить прошлое. Всё время до нас люди жили на Земле, пользуясь её природными ресурсами, что-то сооружая, переделывая и не редко затем разрушая. Но при этом никогда не нарушался круговорот материалов в обращении – мечи перековывали на орала, а колокола на пушки. Однажды добытый из Земли материал переходил из одного предмета в другой, но никому не приходило в голову что-либо из этих ценных предметов уничтожить до такой степени, чтобы исчез сам материал, из которого они делались. И вот сейчас мы стали настолько расточительны, что позволяем себе, попользовавшись ценным материалом добытым из Земли, сделать его недоступным в будущем - фактически истребить его. На каком основании? На том, что мы не умеем его перерабатывать так, чтобы это было легко и просто. Ведь других оправданий нет! Но разве это не безнравственно?! Люди будут жить на Земле ещё сотни, тысячи, а может и миллионы лет. Где они найдут то, что мы истребили? Может уже через пятьдесят – сто лет люди поумнеют и освоят способы возвращать этим материалам их исходное состояние и свойства и смогут снова ими пользоваться? Легко убедиться, посмотрев по интернету, что в ОТВС находится почти вся Таблица Менделеева – уйма редких, драгоценных и ценных нерадиоактивных элементов, да и радиоактивные элементы тоже можно вернуть в дело в том безопасном виде, как мы их используем сейчас. Может быть, стоит пока повременить и поискать укромное место на Земле, где, никого не тревожа, аккуратно заложить эти ОТВС до лучших времён? Для этого надо решить три основных вопроса: 1. Как упаковать ОТВС перед заложением? 2. Где найти подходящее место для заложения? 3. Как доставить упакованные ОТВС к месту заложения? Первый вопрос предлагается решать с помощью горячего изостатического прессования (ГИП). Суть технологии ГИП состоит в том, что герметизируемый материал помещают в некую замкнутую металлическую капсулу с отверстием сверху, через которое в капсулу засыпают специальный порошок – металлические гранулы идеально круглой формы и размером до 0,1мм. Такие шарики (при вибрации и в вакууме) обладают способностью как вода заполнять все свободные пространства внутри капсулы. Затем входное отверстие заваривают, и капсулу помещают в газостат – автоклав, в котором можно обеспечить нагрев до 1500оС и давление аргона до 1500атм. При этом всё содержимое капсулы всесторонне (изостатически) сжимается до превращения в 100%-ный монолит. Конструкция ТВС представляет собой набор из ~150 четырёхметровых тепловыделяющих элементов (твэлов) – тонких тонкостенных герметично заваренных трубочек из циркония, внутри которых находятся спечённые таблетки из двуокиси урана. Твэлы закреплены в решётки так, чтобы обеспечивалось равномерное их обмывание охлаждающей пароводяной смесью реактора. Если ОТВС свободно поместить в пенал из нержавеющей стали, а через отверстие в верхней крышке пенала произвести засыпку гранул, герметизацию капсулы и ГИП, то получится идеальная монолитная герметичная конструкция. Она будет обеспечивать высоконадёжную герметизацию радиоактивности внутри пенала за счёт наличия на её пути до 5 герметичных барьеров. Второй вопрос о выборе места для заложения пеналов с ОТВС должен решаться в соответствии с перечнем требований, предъявляемых к месту заложения: 1) Это должна быть достаточно обширная территория, которой хватило бы на длительное использование. 2) Территория заложения должна быть мало обжита людьми. Желательно, что бы они совсем на ней не жили. 3) На данной территории не должны располагаться ни залежи полезных ископаемых, ни какие-либо виды животных или растений, встречающиеся только в данном месте. 4) По территории не должны протекать реки. 5) Это должен быть абсолютно сейсмически пассивный регион. 6) Поверхностные и подземные воды в регионе должны быть пресными. 7) Среднегодовая температура в регионе должна быть низкой. 8) Территория заложения должна быть легко охраняемой – ровной, плоской, без леса. 9) Место расположения хранилища должно находиться в стороне от массовых авиационных трасс для исключения аварийного падения на него самолётов. 10)Хранилище должно располагаться в глубине территории страны, так что бы времени подлёта к нему террористических самолётов или ракет было достаточным для их надёжного перехвата. 11)Заложенные на хранение пеналы с ОТВС должны быть легкодоступны при решении их выемки для отправки на переработку. 12)Место расположения хранилища должно располагаться недалеко от порта, способного принимать тяжёлые сухогрузы. В соответствии с приведенными требованиями, предлагается выбрать в качестве места для расположения хранилища пеналов с ОТВС северную Якутию внутри обширного тундрового района вечной мерзлоты, вблизи порта Тикси. Здесь, помимо порта, имеется воинская часть, аэродром и почти заброшенный посёлок, ранее имевший всю необходимую инфраструктуру. Это место было рекомендовано крупнейшим специалистом по вечной мерзлоте д.т.н. проф. МГУ Романовским Н.Н. Данный выбор практически полностью удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям, что само по себе уникально. Технология заложения пеналов с ОТВС на хранения здесь будет сводиться к сверлению в грунте скважин до нужной глубины и закладки в них пеналов с ОТВС. После лета с приходом зимы пеналы будут полностью укрыты вечной мерзлотой. Глубина установки конкретного пенала может выбираться в зависимости от интенсивности радиоактивного излучения, исходящего от него, так, что бы после замораживания на поверхности земли сохранялся уровень радиоактивности близкий к фоновому. Легко подсчитать, что при расположении скважин для пеналов на расстоянии в 2 м друг от друга, на площадке хранилища в 1 кв.км можно поместить 250 тыс.пеналов с ОТВС. Существующее сейчас самое крупное в России хранилище ОТВС (п. Железногорск Красноярского края) может поместить только ~13 тыс. ОТВС. В конце 2006г. в нём уже находилось ~10 тыс. ОТВС. Вблизи Тикси можно найти участки для хранилища размером до 100 кв.км! Представленное хранилище не нуждается в каком-либо укрытии, а охранять и обслуживать его можно будет автоматическими средствами. В последнее время много дискуссий идёт об опасностях таяния вечной мерзлоты в связи с глобальным потеплением. Но эти опасности грозят постройкам, стоящим на сваях, вбитых в вечную мерзлоту. Отличие их в том, что заглубление у них не глубокое, и они находятся в постоянном контакте с достаточно теплопроводным материалом свай, находящихся при плюсовой температуре на воздухе. Пеналы с ОТВС в загруженном состоянии могут быть удалены от поверхности на большую глубину, до которой таяние не дойдёт, а максимальные глубины вечной мерзлоты достигают 1,5 км. Третий вопрос – как доставлять пеналы с ОТВС на место их заложения. Организация такой доставки может быть представлена следующей схемой. Заготовки для пеналов изготавливаются в одном месте централизовано и отправляются по АЭС, где вблизи бассейнов выдержки устраиваются небольшие технологические участки снаряжения пеналов. В них пеналы устанавливаются на вибростол, в них дистанционно вводятся ОТВС и производится засыпка гранулами, вакуумирование и герметизация снаряжённых пеналов. В таком состоянии пеналы транспортируются облегчёнными транспортными контейнерами в пункты проведения ГИП. Такие пункты следует организовать на концах западного и восточного «плеча» равноудалённых от Тикси и в портах, имеющих железнодорожное сообщение и достаточно развитую инфраструктуру, например, в Архангельске и Ванино. Здесь должны быть построены газостаты, в которых будет осуществляться ГИП. После монолитизации пеналов они должны переноситься на сухогрузы, которые в навигацию будут доставлять пеналы с ОТВС в Тикси. В соответствии с этой схемой формируются требования, предъявляемые к оптимальной схеме транспортировки пеналов с ОТВС:- Очевидно, что основные перевозки здесь могут осуществляться в навигацию водным транспортом (сухогрузами).- В порту Тикси должна быть устроена база приёма пеналов с ОТВС и дальнейшая их отправка в зону хранилища.- Поскольку зимой в данном регионе морозы достигают неприемлемо низких температур, то все работы по подготовке скважин для закладки в них пеналов и сама закладка должны производиться в тёплое время. - Поскольку тундра в тёплое время представляют собой сплошное болото, плохо приспособленное к перемещению по нему многотоннажных грузов, то возникает необходимость в каком-то новом способе транспортировки. Уникальность данных условий (плоское, безлюдное, безлесное место) позволяет предложить здесь новое транспортное средство – паромный дирижабль (ПД). Современные дирижабли могут обладать огромной грузоподъёмностью (до 1500 т) без существенных затрат на это энергии. Все известные недостатки дирижаблей, которые можно не перечислять, связанны с их огромными размерами и проистекают от того, что они вынуждены летать на довольно большой высоте, где им приходится бороться с ветром. В данных условиях этой необходимости нет. ПД не должен иметь форму обычных дирижаблей, он должен походить на огромный, но не толстый матрас с заострёнными краями. Тогда его ветровое сопротивление будет минимизировано. ПД должен двигаться у самой земли, её не касаясь. Для этого так же, как у речного парома, но на поверхности земли должны быть уложены тросы, закреплённые по углам начального и конечного торцов хранилища. В ПД эти тросы должны быть подсоединены по его углам к 4-м отдельным лебёдкам, управляемым по компьютерной программе. Таким образом, без особых усилий будет осуществляться контролируемое перемещение ПД к любой точке хранилища. Огромная подъёмная сила ПД позволит не только за одну «ходку» перевозить достаточно много груза, но и постоянно возить на себе 4 комплекта бурового оборудования, установленного в углах ПД для сверления и обслуживания скважин. Это же оборудование будет удобно использоватьв качестве якорей для удержания ПД при слишком ветреной погоде, что тоже недоступно обычным дирижаблям. Как бы противники атомной энергетики не ругали её, единственной серьёзной альтернативой ей пока является только органическое топливо, которое бесстыдно и невосполнимо тратится нами без заботы о будущих поколениях. В настоящее время атомная энергетика переживает очевидный кризис недоверия в обществе из-за слишком большого количества ошибок, которые ею совершены и продолжают совершаться. Вряд ли разумно пытаться переломить общественное недоверие простыми административными методами, планами дальнейшего резкого увеличения строительства новых АЭС и при этом не делать никаких попыток найти позитивные решения тем проблемам, которые уже накопились в этой отрасли. Одной из таких общемировых проблем является надвигающееся заполнение бассейнов выдержки ОТВС. Так в России пункты хранениятвёрдых и жидких радиоактивных отходов ещё 5 лет назад были заполнены соответственно на ~70 и ~90%. Лозунг – «Не дадим превратить Россию в свалку радиоактивных отходов!» – звучит весьма патриотично. Но радиоактивная свалка отличается от обычных тем, что, если она не герметична, то имеет способность распространяться далеко за пределы своего места нахождения. Вынужденное плохое решение проблемы захоронения радиоактивных отходов нашими соседями со временем неизбежно навредит и нам. Предлагаемому хранилищу совершенно не подходит название «свалка». Это будет высоко механизированное, чётко организованное, совершенно безопасное место – камера хранения ценных материалов предоставляемая для всех заинтересованных стран. Разумеется, здесь должна присутствовать и коммерческая основа (сейчас за хранение радиоактивных отходов в мире готовы платить до $2500 за кг). Со временем, когда будут разработаны процессы регенерации ценных материалов, содержащихся в отработавшем ядерном топливе, Россия может стать их мировым экспортёром. Участки земли, всегда считавшиеся непригодными для использования, а климат непомерно суровым испытанием, доставшимся России, могут оказаться источниками её процветания.Другие страны будут с завистью смотреть на нашу страну, получившую от природы такой подарок. Какую роль в этом процессе могут играть США. Самую непосредственную, ибо порядка 90% накопленных в мире ОТВС находятся под её юрисдикцией и являются её головной болью. США заинтересованы в том, что бы Россия стала богатым, предсказуемым, цивилизованным государством. Развив в России такой высоко прибыльный, технологически развитый и культурный бизнес, США даст серьёзный толчок не только всей экономике России, но позволит ей активнее вкладывать средства в разработку атомной энергетики и технологии, чтобы скорее найти решения проблем, стоящих перед мировой ядерной энергетикой. Выступив с инициативой создания глобальной системы атомной энергетической безопасности, США и Россия тем самым могли бы показать всем странам хороший пример мирового сотрудничества.