Продукты ядерных реакций

Сегодня в реакторах деления используются примерно одинаковые тепловыделяющие сборки реакторов (ТВС, часто ошибочно называемые ТВЭЛами, твэл - это только часть ТВС). Это изделие весом ~700 килограмм, в котором находится ~500 кг урана, обогащенного по 235U изотопу до ~4,5%, т.е. в каждой ТВС содержится 22-23 кг урана 235 и ~480 кг урана 238.

Пример ТВС реакторов ВВЭР (в центре ТВС-2М, выше ТВСА). В разрезах твэлов видны таблетки оксида урана.

ТВС работает в реакторе 3-4 года и каждый год реактор покидает 30 тонн отработанного ядерного топлива (ОЯТ) или около 40 ТВСок. В отработанном топливе содержится почти процент U235 и почти процент плутония. Самое интересное, что это половина плутония, который образовался в ходе кампании - остальное вполне себе сгорело, вырабатывая электроэнергию. Кроме того в ТВС находится 20-25 килограмм продуктов деления (ПД) - примерно 60 разных, часто очень радиоактивных изотопов. Свежая облученная ТВС имеет радиоактивность на уровне миллиона рентген/час,

Фактически получается, что за один год в виде ОЯТ реактор выплевывает больше радиационного потенциала, чем накапливается в активированных конструкциях за 50 лет работы. Вторая проблема - это сроки распада радиоактивных продуктов в ОЯТ до безопасного уровня. Если ПД чаще всего имеют не очень большие периоды полураспада (хотя знаменитые стронций 90 и цезий 137 - порядка 30 лет. Например вылетевшие при чернобыльской аварии стронций и цезий на сегодня распались примерно на половину, что бы представлять себе масштабы), через 100 лет начинают доминировать трансурановые продукты - плутоний, нептуний, америций, кюрий (последнии три относят к так называемым минорным актинидам, одной из самых проблемных тем РАО). Страшно радиотоксичные, они имеют периоды полураспада порядка сотен и тысяч лет, а значит ОЯТ будет представлять опасность не меньше нескольких сотен тысяч лет!

Радиационный потенциал ОЯТ от времени. FP - продукты деления. Сравните с активированными конструкциями выше!

Даже через миллион лет ОЯТ не возвращается к изначальным уровням радиации, определяемым медленным распадом урана.

На фоне запредельного радиационного потенциала ОЯТ (которого на сегодня в мире накоплено порядка 200000 тонн) проблемы активированных конструкций слегка меркнут. Правда?

Один из самых больших в мире "мокрых" хранилищ ОЯТ.

Для ОЯТ есть опция переработки, когда ТВС разделяется на слабоактивированные конструкции, на уран и плутоний, которые можно снова пустить в работу и продукты деления. Таким образом, объем отходов снижается примерно в 5 раз, и в реактор идет примерно половина долговременного радиационного потенциала, но это не является окончательным решением. Серьезно рассматривается так же “пережигание” минорных актинидов и плутония в быстрых реакторах, что позволило бы сократить время хранения остатков с сотен тысяч до пары тысячи лет. Однако все это сложные и затратные мероприятия, в итоге даже переработка ОЯТ, и то не полная, существует только в Европе.

Кстати, заметную часть отходов переработки составляют ~50...80 килограмм стальных деталей ТВС, которые заметно активированны. С ними поступают вот так.

А что же термоядерные реакторы? “Отходом производства” у них является стабильный гелий-4, которым можно сразу на площадке надувать детские шарики. Правда в работе используется радиоактивный тритий, который сравним по опасности с плутонием (а то, что он легко превращается в воду и встраивается в биологический цикл только добавляет паранойи). В промышленной ТЯЭС будет циркулировать количество трития, сравнимое по общей активности с выбросами в результате Фукусимской или Чернобыльской аварии (десятки мегакюри, что соответствует единицам килограмм трития). Несколько сотен грамм (несколько миллионов кюри) трития, кстати, останется на внутренних поверхностях термоядерного реактора, создавая дополнительные проблемы с их утилизацией. С другой стороны, в промышленных АЭС количество радиоактивных материалов измеряется в гигакюри, правда они в массе своей не такие летучие, как тритий.

Специальное стекло, в котором захоранивают радиоактивные отходы, способно противостоять эрозионному воздействию до миллиона лет.

Кроме того, в пользу ТЯЭС играет период полураспада трития - 12 лет (т.е. через 120 лет его количество уменьшится в ~1000 раз) и его очень слабое излучение - бета-лучи 12,3 кЭв, которые хорошо экранируются даже 10 см воздуха или толстой перчаткой. Тритий опасен только при попадании внутрь организма. Тем не менее, наличие этого изотопа на ТЯЭС потребует массы телодвижений по предотвращению попадания его наружу - специальные изолированные боксы с пониженным давлением, расположенные внутри герметичных помещений, система спецвентиляции, расчет всех путей распространения трития при любых авариях и создание барьеров безопасности на всех этих путях и т.п. и т.д.

Прототип системы хранения и раздачи трития ИТЭР - обратите внимания, что она полностью расположена в герметичных перчаточных боксах.

Подводя итог можно сказать - если бы не ОЯТ, которые с лихвой перекрывают любые другие источники радиационной опасности, то ТЯЭС были бы не “чище”, чем АЭС. Более того, в силу наличия трития и бОльшего веса активированных конструкций, они были бы опаснее. Однако ОЯТ никуда не денется и безопаснее не станет, определяя 99% радиационного потенциала ядерной энергетики, и замена всех реакторов деления на гипотетические термоядерные реакторы уже приведет к заметному снижению потенциала. Второе, гораздо более важное, но сложно осознаваемое преимущество в том, что радиационные проблемы ядерной энергетики будут только нарастать, и через 1000 лет проблема ОЯТ может обрести совершенно другой масштаб, в то время как для ТЯЭС никогда не будет таких нарастающих столетиями проблем с радиоактивными отходами.