Развитие переработки отработавшего ядерного топлива

Введение

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду, они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.Центральной темой данной работы станет знакомство с радиоактивными отходами современного производства и АЭС в частности. Будут рассмотрены некоторые моменты, связанные с принципами работы с ядерными отходами. Будет дано краткое описание технологий захоронения ядерных отходов. 14 ноября 2018 года Управление по выводу из эксплуатации ядерных объектов Великобритании (NDA) объявило, что расположенная на площадке «Селлафилд» установка по регенерации отработавшего ядерного топлива с получением диоксида урана завершает свою 25-летнюю деятельность. (Эту почтенную установку, Thermal Oxide Reprocessing Plant, венец технологий 1980-х годов, называли уютным сокращением THORP, созвучным староанглийскому thorpe — "деревня, деревушка".)Обычно некрологи производственным объектам пишут в мажорных тонах, отдавая дань благодарности и восхищения тем, кто их основал, создал и эксплуатировал на благо общества. Пол Фостер, генеральный директор объекта «Селлафилд», утверждал, что THORP, один из самых крупных и сложных строительных проектов, когда-либо реализованных в Европе, был «историей успеха» и обеспечивал британской атомной отрасли рабочие места, навыки и престиж — не говоря уж о снижении количества хранящегося отработавшего топлива, судьбу которого когда-нибудь придется решать (как бы политики и Казначейство ни оттягивали этот момент).Реальная история THORP гораздо сложнее. В ней есть и не сбывшиеся прогнозы, и политические битвы, и международные проблемы.Цель работы изучить способы переработки отработавшего ядерного топлива в Великобритании.1 Развитие переработки отработавшего ядерного топливаНачало эта история берет в 1977 году, когда British Nuclear Fuels Ltd (BNFL), оператор атомного комплекса «Селлафилд», подал заявку на строительство установки по переработке отработавшего ядерного топлива легководных реакторов. Инвестиции в проект должны были составить £1,85 млрд, и еще £1 млрд потребовался на строительство инфраструктуры, в том числе завода по производству МОХ-топлива и витрификационной установки. В конечном счете установка обошлась в £2,85 млрд. ($ 4,02 млрд).Строительство THORP заняло 10 лет. Проект с самого начала вызвал немало споров. Одни называли его свалкой ядерного мусора всего мира, другие считали переработку ОЯТ прибыльным делом. Управление установкой отдали государственной компании BNFL.Установка была готова в 1993 году, но простаивала до 1997 года, пожирая £2 млн в неделю. Когда британский министр окружающей среды Джон Гаммер наконец дал добро на ее пуск, начались бурные протесты оппозиционных партий и экологов в Британии и за рубежом. Тем не менее Япония и Германия, два крупных иностранных инвестора проекта и его основные зарубежные клиенты, приветствовали запуск THORP.Противники проекта применили стандартный аргумент, который пускают в ход при запуске любого атомного объекта: дескать, есть риск распространения урана и плутония, извлеченных из ОЯТ, они непременно будут захвачены террористами. В то время контрабанда радиоактивных веществ была для Европы актуальной и болезненной проблемой, несмотря на то что все правительства отрицали существование черного рынка таких веществ. «Гринпис» грозил судом, а другая экологическая группа — "Друзья Земли" — назвала решение строить THORP «абсурдным, незаконным и неправильным» и грозила Европейским судом. Оппозиционные парламентарии утверждали, что THORP не нужен, потому что запасы плутония в стране достаточны, а решение правительства только усиливает угрозу загрязненияКогда все желающие получили наконец свои «15 минут славы», Д. Гаммер объяснил парламенту, что вероятность загрязнения сведена к минимуму, а выбросы, если и случатся, «не приведут к неприемлемым рискам для здоровья человека или окружающей среды». Аргумент BNFL состоял в том, что на следующие 10 лет уже имеются заказы на переработку ОЯТ, и доход от этих заказов составит £9 млрд. ($ 12,7 млрд), а прибыль — £500 млн ($ 705 млн). Около трети этих заказов приходилось на переработку топлива британских газоохлаждаемых реакторов (AGR), а остальные поступали от зарубежных клиентов, наиболее значимыми из которых были Япония и Германия.Переработка отработавшего топлива в конце 1960-х и в начале 1970-х рассматривалась как next big thing — новое многообещающее направление атомного бизнеса. Все страны с развитой атомной отраслью ринулись в переработку. Не отставала и Великобритания. Изначальным обоснованием строительства завода THORP было то, что отделяемый плутоний пригодится в качестве топлива для нового поколения реакторов на быстрых нейтронах — основы атомной энергетики XXI века. Технико-экономический анализ проекта был также основан на прогнозируемой нехватке энергетических ископаемых, в том числе урана. Ни один из этих прогнозов не сбылся.Все внимание было обращено на переработку ОЯТ, а альтернативные реакторные технологии ушли на второй план. В 1970-х годах со строительством реакторов-размножителей в Великобритании, США и Франции было покончено. Плутоний перестали рассматривать в качестве топливного ресурса. Что же до дефицита урана, то, во‑первых, геологи, вооруженные новыми технологиями, к концу 1990-х годов обнаружили много солидных урановых месторождений; во‑вторых, были разработаны более эффективные методы его добычи. К тому же окончание холодной войны привело к значительному избытку оружейного урана и плутония.После неудачи с программой реакторов-размножителей остался единственный метод борьбы с мировым запасом плутония — производство топлива из смеси оксидов урана и плутония, то есть МОХ-топлива, которое можно сжигать в обычных реакторах. Этот метод стал играть центральную роль в стратегии Великобритании, Франции, Германии и Японии по сокращению мировых запасов плутония. У THORP были все основания для коммерческого успеха.2 Работа THORPTHORP принадлежит NDA и управляется компанией Sellafield Ltd. Предприятие эксплуатируется с 1997 года и переработало 9,3 тыс. тонн отработавшего ядерного топлива по договорам с 30 клиентами из девяти стран мира, с немаленьким доходом в £9 млрд ($ 11,5 млрд). Последняя партия топлива поступила в переработку 9 ноября 2018 года.THORP начинается с огромного бассейна хранения размером в два футбольных поля. В нем поддерживается постоянная температура — 20 °C. Каждый день в бассейн для поддержания чистоты закачивают 100 тыс. литров деминерализованной воды. В таком бассейне можно хранить до 7,5 тонн топлива для реакторов AGR.Дальнейших стадий процесса, происходящего в агрессивных и радиоактивных средах, человек не видит, поскольку они автоматизированы и роботизированы.Когда топливо достаточно охладится, его по каналу перемещают в участок подготовки. На этом участке отходы излучают 280 зиверт — это 60 смертельных доз. Здесь топливные сборки освобождают от конструкционных деталей и оболочек.Затем топливо растворяют в азотной кислоте. При этом уран переходит в шестивалентное состояние и образует ион уранила, UO₂2+, а плутоний — частично в шести- и четырехвалентное состояние, PuO₂2+ и Pu4+, соответственно. В растворе содержится 96 % урана, 1 % плутония и 3 % прочих высокоактивных отходов.Эти 3 % попадают в радиоактивный шлам, который не поддается переработке. Его смешивают со стеклом и нагревают до 1200 °C. После охлаждения образуется «кирпич» из стекла, который помещают в герметичный контейнер и увозят на склад, оборудованный воздушным охлаждением. Склад «Селлафилда» вмещает 8 тыс. таких контейнеров. По заключенным с 1976 года иностранным контрактам на переработку ОЯТ контейнеры с отходами переработки зарубежного топлива возвращают в страну происхождения, а в «Селлафилде» хранятся только «свои», британские. Со временем стекло деградирует, и о том, что делать с отходами дальше, идут споры. Скорее всего, эти контейнеры разместят в глубоком геологическом хранилище, которое когда-нибудь все же будет построено.Однако вернемся к описанию переработки; перейдем собственно к пьюрекс-процессу (от англ. Pu U Recovery EXtraction). Это восстановительная реэкстракция плутония из совместного экстракта с ураном и продуктами деления. Выделенный плутоний можно использовать для производства топлива из смешанных оксидов.Основной реагент выделения урана и плутония, их разделения и очистки от продуктов деления — трибутилфосфат в инертном разбавителе (например, в керосине). Экстракция ведется в несколько этапов.На этапе первой экстракции (30 % раствор ТБФ в керосине) в органическую фазу извлекаются U, Pu, Np, актиниды Am, Cm и ряд осколочных элементов (редкоземельные, Ru, Zr, Nb и другие). Затем начинается второй этап, на котором экстракт U и Рu промывают и разделяют селективной реэкстракцией. Оставшийся в органической фазе уран выделяют разбавленным раствором азотной кислоты.Дальнейшую очистку в THORP проводили раздельно в урановой (в два цикла) и плутониевой (в один цикл) ветвях с помощью повторных циклов экстракции или с привлечением сорбционных процессов. Эта же технология применялась на заводе Вест-Вэлли (США) до его реконструкции.На выходе пьюрекс-процесса получают уранилнитрат и нитрат плутония. Их затем переводят в порошкообразные UO₃ и PuO₂ и отправляют на хранение до поступления на заводы ядерного топлива или используют для производства новых атомных зарядов — питов.У THORP были все шансы достичь коммерческого успеха. К сожалению, его стратегию подкосила небрежность BNFL с документацией, сказавшаяся и на коммерческих результатах THORP, и на политической ситуации в Германии и Японии, и на атомной отрасли в целом.В Германии к власти пришла коалиция социал-демократов и «зеленых», проводившая антиядерную политику. В начале 1999 года немецкие политики попытались разорвать контракты с BNFL. Однако разрыв контрактов, по которым за переработку топлива германских АЭС в течение 10 лет BNFL причиталась кругленькая сумма — более £1,2 млрд, обошелся бы слишком дорого, и правительство временно отступило. Однако в течение нескольких последующих лет вопрос о разрыве контрактов дебатировался вновь и вновь.Ситуация усугубилась, когда компания PreussenElectra была вынуждена закрыть АЭС «Унтервезер» из-за того, что МОХ-топливо, поставленное BNFL в 1997 году, поступило в Германию с фальсифицированными документами. Несмотря на то что топливо почти три года находилось внутри реактора без каких-либо проблем с безопасностью, PreussenElectra под давлением надзорных органов пришлось закрыть реактор.В Японии же в 1999 году случилась беда: в результате аварии на радиохимическом заводе Токаймура, где гексафторид урана перерабатывали в диоксид урана, погибли два человека. Из-за неосторожности рабочих критическая масса урана в отстойнике была существенно превышена и началась цепная реакция. Аварию удалось быстро локализовать, но общественное мнение, традиционно выступавшее за ядерную энергетику, развернулось на 1800 и стало критиковать ядерную политику правительства.Японскую программу МОХ приостановили, а затем из Германии пришли вести о фальсифицированных документах на топливо. Проверка показала, что топливные стержни MOX, поставленные для реактора АЭС «Такахама» компании Kansai Electric, тоже поступили с ложными данными! Японское правительство запретило дальнейший импорт МОХ-топлива от BNFL, но было неясно, что делать со стержнями, которые нельзя загружать в реактор. Возвращение топлива в Британию оказалось непростой задачей, так как международное законодательство по нераспространению требовало принятия акта в Конгрессе США, а также одобрения всех наций, чьи воды должно было пересечь судно с топливом — каковое судно, опять же в соответствии с законодательством, требовало вооруженного конвоя…Как раз в это время на производстве THORP пошли утечки радиоактивных материалов (о них мы расскажем ниже). Из-за них завод не работал первую половину 1998 года, а в декабре снова был остановлен по той же причине. Контракты на переработку 900 тонн топлива, в основном с германских и японских атомных станций, не были выполнены. THORP еще не вышла на уровень безубыточности, а уже столкнулось с угрозой крупных финансовых потерь. Завод по производству МОХ-топлива мощностью 120 тонн в год в первые пять лет своей работы — с 1997 по начало 2003 года — произвел всего 5 тонн.Ситуация ухудшалась еще и потому, что запасы восстановленного урана в «Селлафилде» росли, а мировые цены на него падали. Поэтому решили ждать восстановления рынка.Это и другие решения привели к политическому скандалу: государственное предприятие оказалось провальным проектом, а государственные инвестиции — неудачными. Ситуацию могла бы спасти приватизация BNFL, которая принесла бы по меньшей мере £1,5 млрд, но в сложившихся условиях она была невозможна!Новый исполнительный директор BNFL Норман Эскью поставил себе задачу — достичь такого положения, чтобы правительство смогло продать частным инвесторам 49% BNFL. Переработка — это 25% бизнеса «Селлафилда», убеждал он прессу. Портфель заказов THORP составляет £12 млрд на следующие 16 лет, и он обеспечивает выход на безубыточный уровень. Нельзя ринуться в приватизацию, забыв об уже сделанных инвестициях и потенциальных прибылях. И приватизацию решили отложить до достижения стабильности бизнеса.Над будущим THORP повис знак вопроса. Вновь зазвучали призывы отказаться от переработки ОЯТ в пользу их хранения, причем только своих отходов, а не прибывших из-за рубежа. Но клиенты уже частично оплатили контракты с THORP на первые 10 лет, и предприятие, хоть и с простоями, продолжило работу.Управление THORP несколько раз переходило от одной организации к другой.В 2005 году государственная BNFL, изначально управлявшая установкой, была реструктуризирована. Все ее активы, в том числе и THORP, были переданы только что образованному Nuclear Decommissioning Authority (NDA).В 2008 году заказы на МОХ-топливо передали той части французской Areva, которая прежде называлась COGEMA. Группа Areva тогда же предложила создать общеевропейскую платформу переработки ОЯТ, объединив французские и британские мощности, но британское правительство не согласилось.В результате в 2008 году управление атомным центром «Селлафилд» — а следовательно, и THORP — передали частному международному консорциуму, состоявшему из американской URS Corp., французской Areva и британской Amec.В 2015 году британское правительство распустило консорциум. С тех пор за атомный центр «Селлафилд» вновь отвечает государство, а точнее, NDA.В августе 2004 года сотрудники THORP (не эксплуатационники, а те, кто сверял количественные данные) обнаружили несоответствие между количеством материалов, поступающих на переработку и выходящих из системы. Стали разбираться, и 19 апреля 2005 года обнаружилась утечка из трещины в трубопроводе ввиду износа металла. За 8 месяцев около 83 000 литров растворенного ядерного топлива — 19 тонн урана и 160 кг плутония, растворенного в азотной кислоте, — ушло через эту трещину из цистерны с раствором ОЯТ в резервуар хранения. Утечки в окружающую среду не было, и никто не пострадал, но факты оставались фактами: трещина была результатом проектной ошибки, и высокоактивная жидкость ушла во вторичную защитную оболочку, где ее не должно было быть.Инциденту присвоили третью категорию по Международной шкале ядерных событий, Sellafield Limited оштрафовали на £500 тыс. за нарушение закона о безопасности и гигиене труда и приступили к ремонту трубопровода. Возобновление работы THORP несколько раз переносили из-за непредвиденно большого объема работ по очистке и восстановлению ячеек для хранения топлива. Каждый этап работ требовал получения разрешений, и ничего удивительного, что ремонт занял около двух лет.Наконец в январе 2007 года было получено разрешение на перезапуск THORP. Однако BNFL сообщила о необходимости завершить проверки испарителя, «поэтому пуска не стоит ждать до середины года». Тем временем был опубликован отчет государственной комиссии о проверках на атомном комплексе «Селлафилд». В отчете сообщалось, что сотрудники пренебрегают инструкциями по технике безопасности, игнорируют сигналы систем безопасности, а часть оборудования этих систем повреждена… Оживились защитники окружающей среды, требующие закрытия THORP.Поэтапный запуск THORP начался лишь в июле 2007 года и продолжался до марта 2008 года. В январе 2008 года началась новая кампания, в ходе которой планировалось переработать 100 тонн ОЯТ. Обрыв кабелей прервал работу на несколько недель. В NDA нервничали: для этой переживающей финансовый кризис структуры THORP стал чем-то вроде спасательного круга, поскольку обеспечивал немалые доходы. Простой перерабатывающего завода означал нехватку в бюджете £560 млн, которые требовались NDA для выполнения программы закрытия реакторов Magnox на юге страны. Теперь же эти работы пришлось отложить. Правительство неустанно критиковали и оппозиция, и защитники окружающей среды, настаивающие на закрытии THORP.Ожидалось, что THORP выполнит все контракты по переработке к 2010 году. Однако этому помешали эксплуатационные затруднения как на THORP, так и на других, вспомогательных, участках производства.В мае 2010 года было заключено соглашение о поставках МОХ-топлива с японскими клиентами, и завод решили модернизировать. Для этого в июле 2010 года Areva заказали проект и изготовление новой производственной линии.Тем временем в связи с решением строить новый завод переработки ОЯТ началось подведение итогов работы THORP. Они были неутешительны: завод по проекту должен был перерабатывать 1200 тонн в год, но этот показатель снизился до 40 тонн в год. Особенно неудачным был 2009 год, когда переработали всего 8 тонн. Ошибки и неудачи с THORP решено было учесть в проекте нового завода с использованием новых технологий. Авария на японской АЭС «Фукусима‑1», казалось, вынудит NDA принять решение о закрытии завода, но вместо этого в августе 2011 года постановили закрыть его, «как только появится практическая возможность», что следовало читать: «когда-нибудь потом». Даже при малой производительности, простоях и неурядицах контракты на переработку ОЯТ оказались рентабельными, а сам завод — экономически жизнеспособным.Поэтому в 2012 году сроком закрытия THORP был назван 2018 год — год исполнения всех ранее заключенных контрактов. В решении отмечалось, что на рынке переработки ОЯТ произошел сдвиг и что большинство стран теперь предпочитают не возить опасные отходы, а хранить их у себя. 9 ноября 2018 года в переработку ушла последняя партия ОЯТ.По плану очистка предприятия должна начаться сразу после его закрытия. Вначале с объекта удалят все радиоактивные и даже неактивные материалы. Затем последует демонтаж оборудования и так далее, вплоть до рекультивации участка. Правда, бассейн хранения THORP будет получать и хранить топливо из действующих реакторов Великобритании до 2070-х г.
Заключение

Таким образом, фактом остается то, что далеко не все факторы воздействия радиации и всего цикла ядерного производства изучены и даны однозначные заключения специалистов. Фактом остается повышенная смертность от онкологических заболеваний жителей областей соседствующих с РХЗ.Отметим, что и зарождение жизни на Земле и ее последующая эволюция протекали в условиях постоянного воздействия радиации. Хорошее знание свойств радиации и ее воздействия позволяет свести к минимуму связанный с ее использованием риск и по достоинству оценить те огромные блага, которые приносит человеку применение достижений ядерной физики в различных сферах.

Список использованной литературы

1. OECD/NEA, Radioactive Waste Management Programmes in OECD/NEA Member Countries, UK Profile, Organization for Economic Cooperation and Development/Nuclear Energy Agency 2011. 2. OECD/NEA, Radioactive Waste Management Programmes in OECD/NEA Member Countries, UK Report , Organization for Economic Cooperation and Development/Nuclear Energy Agency 2011. 3. World Nuclear Association, Storage and Disposal Options, Radioactive Waste Management Appendix 2 (Updated August 2013). 4. World Nuclear Association, National Policies Radioactive Waste Management - Appendix 3 (updated April 2013). 5. Radioactive Wastes in the UK: a Summary of the 2013 Inventory, NDA, 2014. 6. The United Kingdom’s Fifth National Report on Compliance with the Obligations of the Joint Convention on the Safety of Spent Fuel Management and the Safety of Radioactive Waste Management, Department of Energy and Climate Change, October 2014. 7. Geological Disposal, An Overview of the Generic Disposal System Safety Case, NDA, December 2010. 8. New Approach for Selecting the UK repository site, World Nuclear News, 2014. 9. Implementing Geological Disposal, a Framework for the Long-term Management of Higher Activity Radioactive Waste, Department of Energy and Climate Change, July 2014.