Источники и классификация радиоактивных отходов.

Виды радиоактивных отходов. Образование радиоактивных отходов. Радиационные характеристики радиоактивных отходов. Классификация радиоактивных отходов.

Радиоактивные отходы (РАО) определяются как вещество в твердой, жидкой или газообразной форме, содержащее или загрязненное радионуклидами в концентрациях или с уровнем радиоактивности, превышающим допустимое значение, установленное уполномоченными органами, и не подлежащее дальнейшему использованию. В любом виде деятельности, в котором используются радиоактивные изотопы или обрабатываются природные радиоактивные материалы, будь то промышленность, научные исследования или медицина, образуются радиоактивные отходы.

Наибольшее количество РАО образуется на предприятиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Выражение «ядерный топливный цикл» используется для обозначения всех видов деятельности, связанных с производством атомной энергии. Первый этап ЯТЦ состоит в добыче руды, которая содержит делящийся материал. После добычи руда транспортируется на предприятия, где производится ее химическая переработка и извлечение урана, содержащегося в руде. Извлеченный из руды и очищенный уран непосредственно может быть использован в некоторых типах атомных реакторов (например, в тяжеловодных реакторах типа CANDU). Однако для наиболее распространенных в мире реакторов типа LWR (Light Water Reactor)[1] необходимо ядерное топливо, обогащенное делящимся изотопом ²³⁵U до 2,5-3,5% (напомним, что в природном уране содержание этого изотопа составляет примерно 0,7%). В схематичном виде структура ЯТЦ приведена на рис.1.

Изготовленное ядерное топливо загружается в ядерные реакторы на атомных электростанциях и атомных судах (атомные подводные лодки и ледоколы) и в исследовательские реакторы. Подавляющая часть радиоактивных веществ, образующихся в результате работы ядерных реакторов, остается в топливе. Извлеченное из активной зоны реакторов облученное топливо (отработавшее ядерное топливо) в течение определенного времени хранится в специальных хранилищах для снижения активности и тепловыделения топлива вследствие радиоактивного распада короткоживущих радионуклидов, содержащихся в облученном топливе. После выдержки ОЯТ направляется на радиохимический завод для переработки, после которой содержащиеся в топливе радиоактивные вещества образуют отходы конечной стадии ЯТЦ.

При работе ядерного реактора образуются радиоактивные отходы, источниками которых являются продукты нейтронной активации и продукты (осколки) деления, частично выделяющиеся из топлива в теплоноситель – среду, охлаждающую активную зону реактора (в большинстве типов реакторов в качестве теплоносителя используется вода).

Продукты нейтронной активации образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома нейтрона, в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Так как в активной зоне реактора каждую секунду образуется колоссальное количество нейтронов, то все химические элементы, которые находятся в активной зоне, постепенно становятся радиоактивными. Таким образом, все конструкции, размещенные в активной зоне реактора или вблизи нее, подвергаются нейтронной активации. При работе реактора такому же воздействию нейтронов подвергаются и химические элементы, содержащиеся в самом топливе и в воде (теплоносителе), охлаждающей реактор. В процессе эксплуатации в результате коррозии конструкционных материалов часть продуктов активации попадают в теплоноситель. Большинство продуктов нейтронной активации конструкционных материалов имеют короткий период полураспада (обычно менее 5 лет). Однако в их составе имеются такие долгоживущие радионуклиды как ⁵⁹Ni и ⁶³Ni. В схематичном виде процесс образования продуктов нейтронной активации представлен на рис. 2.

Продукты (осколки) деления образуются вследствие природы деления тяжелых ядер ²³⁵U. Из каждого килограмма прореагировавшего делящегося материала определенный процент преобразуется в одну пару продуктов (осколков) деления, другой определенный процент – в другую пару и т.д. Обычно возможно образование около 40 пар осколков и в результате – появление приблизительно 80 различных видов продуктов деления. Большая часть продуктов деления, так же как и их дочерних продуктов (т.е. продуктов их радиоактивного распада) является бета- и гамма-излучателями. Периоды полураспада этих радионуклидов находятся в очень широком диапазоне – от долей секунды до нескольких миллионов лет.

Все продукты деления образуются внутри таблеток ядерного топлива и в основном остаются там. Небольшая часть продуктов деления вследствие диффузии попадает в пространство между таблетками топлива и оболочкой тепловыделяющих элементов (твэл), в которых содержатся топливные таблетки. Выход через герметичную оболочку твэла в теплоноситель возможен также только за счет процесса диффузии.

На практике некоторые твэлы могут иметь те или иные дефекты оболочки, возникающие в процессе работы реактора, - микротрещины, через которые диффундируют газообразные продукты деления, или большие трещины, через которые возможен прямой контакт теплоносителя с топливом, в результате чего в теплоноситель может попасть некоторое количество нелетучих продуктов деления или даже топлива. Вследствие указанных процессов в теплоноситель могут попадать и продукты активации топлива, к которым относятся трансурановые элементы (актиноиды): Np (нептуний), Pu (плутоний), Am (америций) и Cm (кюрий). Попавшие в теплоноситель радионуклиды переносятся последним по тракту первого контура ядерной энергетической установки и частично осаждается на поверхностях оборудования этого контура (корпус реактора, насосы, трубопроводы и т.д.). В схематичном виде процесс выхода осколков деления и продуктов активации показан на рис. 3.

Часть радиоактивных веществ, образующихся при работе реактора, непрерывно или периодически выводится из реактора в систему обработки и хранения радиоактивных отходов. Жидкие отходы образуются в результате специальной очистки загрязненного теплоносителя. После специальной переработки, отвержденные концентрированные жидкие отходы переводятся в категорию твердых отходов. При работе реактора радиоактивные вещества, содержащиеся в теплоносителе, загрязняют поверхности различного оборудования первого контура реакторной установки. Поэтому основное количество твердых отходов, которые периодически выводятся в систему хранения РАО, образуется при ремонтных работах и перегрузках (замене топлива) активных зон реактора. К таким твердым отходам относятся: части и детали оборудования и приборов, вышедших из строя; использованный инструмент; различные израсходованные материалы (тряпки, ветошь и т.п.).

Другая часть радиоактивных веществ, образующихся в несменяемых частях оборудования реакторной установки, становится радиоактивными отходами только после остановки станции (или атомных судов) на демонтаж и консервацию после истечения срока ее эксплуатации. К этим отходами относятся, в основном, элементы активированных конструкций, находящиеся внутри реактора или в непосредственной близости от него (например, корпус реактора и элементы биологической защиты).

Кроме жидких и твердых радиоактивных отходов, при эксплуатации реакторных установок образуются и газообразные отходы. Эти отходы проходят довольно сложную систему обработки, после чего выбрасываются в газоотводную (вентиляционную) трубу. В общем виде схема удаления РАО, образующихся при работе реактора, представлена на рис. 4.

Радиоактивные отходы могут быть классифицированы различным образом. В обобщенном виде классификация РАО может быть представлена в виде схемы, приведенной на рис. 5.

В большинстве стран используются комбинированные системы классификации РАО, которые зависят от частных требований на различных этапах обращения с РАО (об этих этапах мы будем говорить на следующей лекции). Классификации РАО в последние годы было посвящено много дискуссий. Два фактора имеют первостепенное значение: время жизни (период полураспада) и концентрация радиоизотопов, содержащихся в отходах, которая определяет удельную или объемную активность отходов.

Классификация, основанная на первом факторе, приводила бы к двум основным категориям РАО: «короткоживущие» и «долгоживущие» отходы. Такая классификация больше подходит для выбора способа окончательного захоронения РАО: долгоживущие отходы требуют очень длительного времени их изоляции от биосферы в системе захоронения, называемой «геологическим захоронением». Для короткоживущих отходов может не потребоваться гарантий такой же долговременной изоляции и может быть принято решение о способе захоронения с менее строгими требованиями. Достаточно наглядно качественное и количественное сравнение указанных категорий иллюстрирует рис. 6. На этом рисунке приведена зависимость от времени удельной активности радионуклидов - продуктов активации нержавеющей стали, из которой изготовлены отдельные элементы конструкций, расположенных внутри реактора Кольской АЭС – ⁶⁰Co, ⁵⁹Ni и ⁶³Ni. Первый из этих радионуклидов с периодом полураспада примерно 5 лет является бета- и гамма-излучателем, два изотопа никеля – бета-излучателями. Период полураспада этих изотопов составляет 75000 и 100 лет для ⁵⁹Ni и ⁶³Ni, соответственно. Для того, чтобы оценить продолжительность радиологической опасности активированной конструкции, сравним удельную активность рассматриваемых радионуклидов с допустимыми значениями, которые в соответствии с российским нормативным документом НРБ-99 составляют: 10⁴ Бк/кг для ⁶⁰Co; 10⁷ Бк/кг для ⁵⁹Ni и 10⁸ Бк/кг для ⁶³Ni.

Как видно из рис. 6, по активности ⁶⁰Co этот радиоактивный материал примерно через 150 лет мог бы быть переведен в категорию промышленных (нерадиоактивных) отходов. Примерно через 1500-2000 лет к этой категории отходов относилась бы конструкционная сталь, если бы ее активность характеризовалась только ⁶³Ni. Однако значительное содержание в стали долгоживущего ⁵⁹Ni определяет высокую радиотоксичность[2] этого материала и необходимость его изоляции от биосферы в течение нескольких сотен тысяч лет.

Классификация, основанная на втором факторе (концентрация радионуклидов) приводит к определению высокоактивных, среднеактивных и низкоактивных отходов (ВАО, САО и НАО, соответственно). Кроме того, определяется отличие на основе требований защиты при обращении с отходами, по уровню токсичности радионуклидов и величины тепловыделений отходов вследствие радиоактивного распада содержащихся в них радионуклидов.

Классификация, основанная на концентрации радионуклидов, используется в российской практике обращения с РАО. Согласно российскому нормативному документу «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99) к жидким радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему использованию органические и неорганические жидкости, пульпы и шламы, в которых удельная активность радионуклидов более чем в 10 раз превышает значения уровней вмешательства[3] при поступлении с водой, установленные нормами радиационной безопасности (НРБ-99). К твердым радиоактивным отходам относятся отработавшие свой ресурс радионуклидные источники, не предназначенные для дальнейшего использования материалы, изделия, оборудование, биологические объекты, грунт, а также отвержденные жидкие радиоактивные отходы, в которых удельная активность радионуклидов больше значений, установленных НРБ-99.

В соответствии с ОСПОРБ-99 радиоактивные отходы подразделяются по удельной активности на три категории - низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные. Количественные характеристики этих категорий приведены в табл. 1.

Таблица 1

Российская классификация радиоактивных отходов

В случае, когда по приведенным в табл.1 характеристикам радионуклидов отходы относятся к разным категориям, для них устанавливается более высокое значение категории отходов.

Низкоактивные отходы радиационно-опасны только при попадании внутрь человека и поэтому должны быть локализованы таким образом, чтобы в результате миграции по биологическим цепочкам они не могли попасть в организм человека в опасных количествах. Отходы среднего уровня активности опасны и как источники внешнего облучения, поэтому для них необходима также защита от проникающего излучения содержащихся в них радионуклидов. Наконец, высокоактивные отходы имеют настолько высокую удельную активность, что кроме мощной радиационной защиты требуют охлаждения в течение длительного времени.

Бóльшая часть твердых отходов относится к категории отходов низкой удельной активности. Среднеактивные и высокоактивные отходы по объему составляют от одного до нескольких процентов, однако, по активности на них приходится основная часть потока отходов.

С точки зрения высокой токсичности и времени жизни, как в отечественной, так и в международной практике выделяется группа альфа-излучающих радионуклидов. В некоторых странах среднеактивные отходы со значительным содержанием таких радионуклидов называются «альфа отходами» или «трансурановыми отходами»[4] (последнее название используется для таких альфа-излучающих радионуклидов как плутоний, америций, кюрий, нептуний). Наличие таких радионуклидов резко осложняет проблему обращения с РАО и, в частности, проблему их радиационно-безопасного захоронения. Как мы отмечали на одной из предыдущих лекций, являясь долгоживущим альфа-излучателем, плутоний, подобно другим трансурановым нуклидам, практически безопасен как источник внешнего облучения. В случае вдыхания, в частности, соединений плутоний отлагается в костных тканях и других органах и тканях человека. Длительное альфа-облучение клеток может вызвать их злокачественное перерождение и возникновение опухолей со скрытым периодом их развития 15-45 лет. Для сведения к минимому такие отдаленные последствия в международных и отечественных нормативных документах ограничивается предельно допустимое содержание альфа-излучающих радионуклидов в радиоактивных веществах, а также в различных органах и тканях человека. Несмотря на высокую токсичность трансурановых элементов, можно обеспечить радиационную безопасность даже при обращении со значительным их количеством. Опыт многочисленных работ свидетельствует также, что современная технология позволяет достаточно надежно изолировать альфа-содержащие отходы от окружающей среды. Одним из наиболее пригодных способов захоронения таких отходов считается их размещение в стабильных геологических формациях на глубине в несколько сотен метров.

Окончательному захоронению подлежат все радиоактивные отходы, и в проблеме подземной изоляции РАО их классификация, основанная на требованиях к системе захоронения, по-видимому, должна иметь наибольшее значение. В табл. 2 приведена система классификации РАО, используемая Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ).

Таблица 2