Анализ текущей ситуации в энергетике Российской Федерации Наука в атомной сфере

Атомная промышленность и наука в атомной сфере

Следует сказать, что за 50 лет исследований в нашей стране на уровне опытно-промышленного обоснования достигнуто подтверждение возможности не только обеспечения безопасности, но и промышленной переработки, обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов с учётом требований экологии. Таким образом, замкнутый топливный цикл с расширенным воспроизводством топлива является основой долгосрочного развития ядерной энергетики.

Альтернативные технологии

Одна из основных проблем, связанных с захоронением радиоактивных отходов в породах земной коры, заключается в поиске новых, более пригодных модификаций кристаллических матричных материалов.

Традиционно в странах с развитой ядерной энергетикой (США, Франция, Германия) для иммобилизации радионуклидов применяли стекольные матрицы(боросиликатные и алюмофосфатные по составу). Эти стекла по своим свойствам близки к алюмосиликатным, только в первом случае алюминий заменен бором, а во втором – кремний фосфором. Эти замены вызваны необходимостью снижения температуры плавления расплавов и уменьшения энергоемкости технологии. В стекольных матрицах достаточно надежно удерживается 10-13 мас.% элементов радиоактивных отходов. В связи со спецификой стекла как метастабильной фазы, эти способы остекловывания радиоактивных отходов не отвечают требованиям их длительного безопасного хранения. Как показали исследования, даже наиболее устойчивые к процессам физико-химического выветривания алюмофосфатные стекла, оказываются малостабильными при условиях захоронения в земной коре. Что же касается боросиликатных стекол, то согласно экспериментальным исследованиям, в гидротермальных условиях при 350оС и 1 кбар они полностью кристаллизуются с выносом элементов радиоактивных отходов в раствор. Поэтому для захоронения в условиях земной коры требуется создание дополнительных защитных барьеров.

В конце 70-х годов прошлого века были разработаны первые кристаллические матричные материалы - синтетические горные породы (синрок). Эти материалы состоят из смеси минералов – твердых растворов на основе титанатов и цирконатов и гораздо более устойчивы к процессам выщелачивания, чем стекольные матрицы.

Тем не менее, стеклование радиоактивных отходов с последующим хранением стекольных матриц в специальных хранилищах является пока единственным методом промышленного обезвреживания радионуклидов. Матричных материалов, удовлетворяющих всем требованиям, нет. Стекла и кристаллические матрицы (синрок и, возможно, насикон) являются наиболее приемлемыми по комплексу физико-химических и механических свойств, однако, высокая стоимость как производства, так и исходных материалов, относительная сложность технологической схемы ограничивают возможности широкого применения синрока для фиксации радионуклидов.

В качестве потенциальных матриц - фиксаторов радиоактивных отходов предложены твердые растворы минералов. Идея о целесообразности применения твердых растворов минералов в качестве матриц для фиксации элементов радиоактивных отходов была подтверждена результатами широкого петролого - геохимического анализа геологических объектов. Использование фазовых трансформаций имеет много преимуществ перед другими методами отверждения радиоактивных отходов.

Исследуются также способы:

захоронение РАО подводными лавинами,

дезинтеграция РАО подземным ядерным взрывом,

самозахоронение высокоактивных долгоживущих РАО в глубинные слои земной коры.

Другое направление – перемещение РАО в естественную подвижную среду: гидросферу, атмосферу, космос и т.п. – с расчётом на рассеяние, разбавление до концентраций, оценивающихся как допустимые. Таковы, например, практика «разбавления низкоактивных жидких отходов в морской среде», предложения по «удалению РАО в космическое пространство», на астероид, необитаемый остров и т.п. Ненадёжность этого направления достаточно убедительно выявляется экосистемным анализом.

Время естественного «затухания» радиоактивности у некоторых РАО весьма велико; период полураспада составляет от тысячи до нескольких миллионов лет. Это значительно превышает время физического износа любых известных искусственных сооружений: Следовательно, отсутствуют гарантии от проникновения РАО в биосферу и среду обитания человека.

Еще один вариант полного решения состоит в переводе РАО, без изменения их свойств радиоактивности, в состояние, близкое или аналогичное тому, в котором радиоактивные вещества находились до извлечения их человеком, из природной среды.

Пример принципиального решения: включение РАО в химически и физически достаточно устойчивые соединения, с близким к природному уровнем радиоактивности, с расположением в пространственно локализованном виде в земной коре. Этот вариант состоит в использовании природных геологических, гидрохимических, геохимических, гидрогеологических процессов образования физико-химически устойчивых соединений и формирования минеральных (рудных) геологических тел (месторождений) гидротермального генезиса для связывания РАО в природных условиях в пространственно локализованные геологические комплексы, относительно безвредные (не опасные) для биосферы. В качестве примера района для оценки возможности реализации предложения в проекте рассмотрен один из Курильских островов.

Реализация предложенных в этом варианте сочетаний природных и техногенных механизмов может привести к одному из полных, окончательных решений проблемы РАО.

Концептуально иной подход к проблеме обращения с отработавшим ядерным топливом предлагается в концепции «Не РАО, а СМАК (сырьевой материал атомного комплекса)». При условии минимизации объёма все РАО могут рассматриваться как ценное сырье. В разных технологиях концентрируются разные химические элементы. Поэтому это «техногенные месторождения», а целесообразность их последующего извлечения определят потомки.

Основные принципы концепции «Не РАО, а СМАК»:

- РАО отличаются от других техногенных отходов способом и степенью воздействия на организмы, снижением его со временем; как и другие ксенобиотики, они должны подлежать изоляции от биосферы;

- объёмы РАО АЭС и в топливном цикле относительно малы, принципиально могут быть уменьшены ещё в несколько раз, а по составу – это разнообразные химические элементы

- СМАК должны сохраняться в компактной форме как техногенные месторождения;

- подготовка СМАК к безопасному хранению предполагает: минимизацию объёмов, разделение потоков разных по химическому составу продуктов (с учётом экономической целесообразности), их классификацию и паспортизацию в местах производства, раздельное хранение в отсеках хранилищ в соответствии с составом, классами ядерной, радиационной, токсической и пожарной опасности.

Решение экологических проблем как радиационных, так и нерадиационных факторов воздействия АЭС на окружающую среду является основой долгосрочного развития атомной энергетики.

Зависимость режимов работы, и достижимых показателей от метеорологических факторов. Метеорологические факторы влияют на уровни максимальной электрической и тепловой нагрузок, температуры охлаждающей воды, холодного воздуха, обратной сетевой воды. Низкие наружные температуры воздуха существенно затрудняют топливоснабжение, создают перегрузки систем теплоснабжения. Приоритет надежности оборудования перед другими показателями. Обеспечению надежности ТЭС (при высокой экономичности), т.е. безотказной работе оборудования, всегда придавалось первостепенное значение. Количественно надежность характеризуется рядом показателей, к которым относится поток отказов, время наработки до отказа, коэффициент готовности, коэффициент технического использования. На ТЭС и в энергосистемах ведется тщательный учет отказов оборудования и их причин, времени восстановления. Статистическая обработка накапливаемого материала по отказам позволяет получить статистические оценки показателей надежности, которые затем используются при планировании ремонтов, при планировании режимов работы ТЭС, при сопоставлении различных технических решений на стадии проектирования. Обеспечение высоких показателей надежности тесно связано с организацией и проведением всех видов ремонтов оборудования ТЭС.
Переработку ОЯТ в качестве официальной концепции выбрали Франция, Великобритания, Франция и Россия. Концепция прямого захоронения ОЯТ пока нигде не реализуется. Проблемы обеспечения безопасного хранения ОЯТ: поддержание подкритичности в местах его массового хранения обеспечение теплоотвода и водно-химического или газохимического режима с наружной стороны оболочек твэлов, поскольку оболочки представляют собой основной барьер на пути выхода радиоактивных продуктов в о.с.
Источником энергии реактора служит процесс деления тяжелых ядер