Версия для печати
Вернуться к списку

Защитная химия

Что можно сделать с радиоактивными отходами ядерной энергетики

Август объявлен месяцем экологии. Одной из наиболее сложных экологических проблем считается обращение с радиоактивными материалами. Институт химической физики и электрофизики РАН с самого начала существования атомной отрасли в СССР — в прошлом году ей исполнилось 75 лет — вел исследования, связанные с делящимися материалами.

«Маяк» и его изотопы

Первым промышленным объектом советского атомного проекта стал открывшийся в 1948 году радиохимический комбинат по производству оружейного плутония — НПО «Маяк». Позже на «Маяке» стали проводиться работы по выделению весовых количеств различных изотопов, регенерации отработавшего ядерного топлива, утилизации радиоактивных отходов.

В 1950-е годы, когда на «Маяке» только-только заработал первый ядерный реактор, никто не знал, как обращаться с теми радиоэлементами, которые обнаруживались в облученном ядерном топливе. Там был настоящий «зоопарк»: непрореагировавший уран, искомый плутоний и многочисленные осколки их деления.

Это были элементы, не похожие ни на какие другие. У них обнаруживалось изобилие изотопов, химически идентичных, но каждый со своим видом радиоактивного превращения. Распадаясь, эти вещества создавали спектр дочерних элементов; если же те тоже оказывались радиоактивными, то цепочка превращений продолжалась. Там были долгоживущие и короткоживущие радиоэлементы с периодами полураспада от нескольких часов до сотен тысяч лет. Попадались элементы, срок жизни которых составлял доли секунды, поэтому их практически невозможно было получить в весовых количествах. Приходилось работать с малыми концентрациями и разрабатывать новые методы изучения химических свойств, с упором на адсорбцию и экстракцию.

Оказалось, что ближе всего к задачам радиохимии подошли химики, изучавшие свойства редких элементов — ванадия, молибдена, тантала, вольфрама, бериллия и др.

Одним из основоположников советской радиохимии был академик Виктор Спицын (1902–1988), научная деятельность которого в 1920-е годы как раз и начиналась с бюро редких элементов и вольфрамовой лаборатории.

Будучи заместителем директора ИФХ АН СССР (ныне ИФХЭ РАН), академик Спицын начал проводить в Институте первые исследования. В 1954 году, уже будучи директором, Спицын создал в Институте отдел радиохимии, куда входили лаборатория радиохимических исследований, лаборатория прикладной радиохимии, лаборатория радиационной химии, радиационной техники и другие.

Лабораторию прикладной радиохимии (ее также называли лабораторией радиоактивных отходов) возглавила доктор химических наук Неонила Брежнева (1906–1986).

Разделить делящееся

Под руководством Брежневой прошли первые исследования облученного ядерного топлива. Были найдены закономерности, характеризующие процессы разделения близких по свойствам радиоактивных элементов; подробно изучены механизмы экстракции радиоактивных элементов в органических растворителях, а также условия комплексообразования радионуклидов с различными лигандами, включая фосфорорганические соединения. Работы по изучению экстракционного распределения радионуклидов (таких как цирконий, ниобий, стронций, барий, рутений) и редкоземельных элементов привели к созданию первой в СССР комплексной схемы разделения продуктов деления. Разработанная схема позволила впервые получить весовые количества стронция-90, цезия-137, прометия-147 и европия в радиохимически чистом виде.

Участники работ по выделению цезия были удостоены главной государственной награды СССР — Ленинской премии. Награжден был коллектив ученых, в том числе сотрудники НПО «Маяк». От ИФХ АН СССР награду получили Неонила Брежнева и Борис Зайцев.

Второе направление научной деятельности лаборатории Брежневой состояло в изучении путей использования радиохимически чистых изотопов в качестве источников ионизирующего излучения или источников тока. Такие источники устанавливаются в генераторах тока, которые применяются в автоматических метеостанциях.

Прославило лабораторию третье направление, которое было связано с решением задач по обращению с высокоактивными радиоактивными отходами. Десятки лет Неонила Брежнева на целые месяцы уезжала в командировку в город Озерск Челябинской области, где находится НПО «Маяк».

Кыштымская авария

В 1957 году из-за выхода из строя системы охлаждения на НПО «Маяк» произошел взрыв емкости 300 куб. м, где содержалось 70–80 тонн высокорадиоактивных отходов: изотопы стронций-90, цезий-137, церий-144, цирконий-95, ниобий-95, рутений-106. В атмосферу вырвалось около 20 млн кюри радиоактивных веществ в виде аэрозолей, газов и механических взвесей. Для сравнения: во время Чернобыльской аварии было выброшено до 380 млн кюри, то есть примерно в 19 раз больше, но в Чернобыле основную массу радионуклидов составил короткоживущий йод-131 с периодом полураспада восемь дней, а на Урале — долгоживущие стронций-90 (период полураспада — 28,8 года) и цезий-137 (период полураспада — 30,2 года), способные аккумулироваться в костях и влиять на костный мозг. Около 10% радиоактивных веществ было поднято взрывом на высоту до 2 км. Аэрозольное облако за 10–12 часов разнесло радиоактивные вещества, и они выпали на протяжении 300-350 км в северо-восточном направлении от места взрыва (по направлению ветра). Загрязненная территория получила впоследствии название Восточно-Уральский радиоактивный след: 300 км в длину и 5–10 км в ширину.

Радиоактивное озеро

В 1950-е годы считалось: чтобы уменьшить воздействие радиоактивных отходов на живые объекты, достаточно как можно сильнее рассеять отходы в окружающей среде. Проще говоря, слить жидкие отходы в реку, которая вынесет их в океан; там, в океане, концентрация радионуклидов будет не больше, чем капля в море.

С 1951 года «Маяк» сливал жидкие радиоактивные отходы в речку Теча, которая впадает в озеро Карачай. Очень быстро выяснилось, что такой подход — прямой путь к экологической катастрофе.

Шесть Чернобылей

За время эксплуатации в озере скопилось около 150 млн кюри (эквивалентно шести Чернобылям) долгоживущих радионуклидов (в частности, цезий-137 и стронций-90), площадь озера составляла 26 га. Потенциальная опасность водоема заключалась в возможности поступления радиоактивных аэрозолей в атмосферу при аномальных метеорологических условиях (смерч) и в загрязнении подземных вод. Анализ показал, что лучшее решение — гидроизоляция закрытой части водоема, сооружение водоотводного нагорного канала и водоотводной канавы.

Последний квадратный метр озера Карачай засыпан 26 ноября 2015 года.

Радиоактивные отходы было необходимо изолировать. Предварительно их надо было разделить по изотопам, потому что высокоактивные и низкоактивные отходы требовали разного хранения. Выяснилось, что радиоактивные отходы химически активны, токсичны и выделяют много тепла. Их недостаточно было экранировать — их надо было охлаждать.

Для надежного и безопасного хранения жидкие высокоактивные отходы требовалось перевести в твердые химически инертные вещества.

Неонила Брежнева и ее ученик Соломон Озиранер разработали технологию остекловывания радиоактивных отходов. По этой технологии производились и производятся фосфатные, фторфосфатные и борсиликатные стекла с радиоактивными включениями, которые помещаются в стальные контейнеры и хранятся глубоко под землей.

На НПО «Маяк» уже 50 лет работает цех остекловывания, который обслуживает несколько атомных станций, а также перерабатывает топливо с подводных лодок. Технология остекловывания используется и за рубежом, например в Великобритании, Бельгии и Франции.

ИФХЭ РАН совершенствует методы работы с высокоактивными отходами. Изготавливаются еще более прочные, чем стекло, керамические матрицы. В лаборатории физико-химических методов локализации радиоактивных элементов ИФХЭ РАН разрабатывают матрицы на основе каменного литья. Порошок из переплавленного базальта смешивается с силикагелем или оксидом алюминия, которые предварительно пропитаны радиоактивными веществами, и затем смесь переплавляется при высокой температуре до получения монолитной матрицы. Также из переплавленного базальта могут быть изготовлены контейнеры для хранения в них остеклованных высокоактивных отходов.

Природные хранилища отходов

За 75 лет существования атомной отрасли в России накоплено более 500 млн куб. м радиоактивных отходов. Большая их часть образуется при переработке облученного ядерного топлива, это низкоактивные жидкие отходы. Переводить их в твердую форму и закапывать в землю оказалось непрактичным.

Решение подсказала природа: нефтеносные слои способны миллионы лет сохранять внутри себя жидкую нефть. С жидкими отходами можно сделать то же самое.

Под руководством академика Виктора Спицына и заведующей лабораторией кандидата химических наук Валентины Дмитриевны Балуковой ученые ИФХ АН СССР (ныне ИФХЭ РАН) определили требования к естественным грунтам, которые позволили бы этим грунтам, как губке, впитывать радиоактивные отходы и сохранять их внутри.

Выяснилось, что для создания полигона (так называют места захоронения ядерных отходов) нужно найти место, где песчано-глинистые и глинистые слои чередуются определенным образом. Будущий слой — коллектор — должен находиться на глубине около 300 м, быть песчано-глинистым и с обеих сторон ограничиваться глинистыми водоупорами. Сверху и снизу от коллектора тоже должны чередоваться песчано-глинистые слои с глинистыми водоупорами.

Такие структуры были найдены возле двух радиохимических комбинатов, и в 1956 году впервые в мире был запущен новый полигон: жидкие отходы через скважину под давлением закачали в пласты коллектора.

Контроль полигонов

Нагнетание жидких отходов в слои коллектора продолжается по сей день. За 50 лет емкость лишь одного полигона исчерпалась наполовину.

Лаборатория радиационного контроля и экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами ИФХЭ РАН постоянно следит за состоянием радиоактивных полигонов.

С водоносных слоев возле полигона в ИФХЭ РАН постоянно передаются пробы воды. Специально для исследования этих проб были разработаны низкоуровневые методики определения радионуклидов, с точностью определения в сотые и десятые доли беккереля на литр. Методики аттестованы и представляют большую ценность для науки и промышленности.

Исследования доказали безопасность методики: за 50 лет радиоактивные вещества не проникли в водоупоры глубже нескольких сантиметров.

Бурение показало, что за 50 лет в водоупорах начались процессы техногенного минералообразования, которые усиливают защитные свойства пластов. Содержащийся в радиоактивных отходах натрий проникает в глину и уплотняет ее.

Из-за повышения температуры в процессе закачки в слоях начался термогидролиз железа, с образованием нерастворимых солей железа, вместе с которыми в осадок выпадала часть радионуклидов. До создания первого полигона такие процессы не могли наблюдаться.

Обновление предприятий радиохимии

Сейчас перед радиохимиками появилась новая задача — вывод из эксплуатации и консервация предприятий, которые ранее были задействованы в военных программах или которые отработали свой срок.

В 1950-е годы, когда эти предприятия начинали работать, никто не задумывался, как их демонтировать. Главным было получение ружейного плутония.

ИФХЭ РАН по заказу госкорпорации «Росатом» решил задачу вывода из эксплуатации промышленного уран-графитового реактора. Поскольку ничего подобного раньше не приходилось делать, сначала потребовалось разработать и аттестовать методики обнаружения трудноопределяемых радионуклидов, которые образуются в процессе эксплуатации в ядерном реакторе облученного графита. По этим методикам ИФХЭ РАН исследовал более 1 тыс. образцов облученного графита.

Исследования продолжались 15 лет. Накопленные данные позволили понять, как развивается миграция радионуклидов и что именно следует проделать в реакторном пространстве, чтобы ограничить распространение радионуклидов так, чтобы их выход из шахты реактора и реакторного пространства не превышал положенного по нормативам.

Оказалось, что существующих реакторных конструкций недостаточно и нужно создавать дополнительные инженерные барьеры. Проблему осложняло то, что эти барьеры должны прослужить в течение геологически значимых промежутков времени. Например, период полураспада хлора-36 составляет 100 тыс. лет. Чтобы радиоактивное вещество распалось в 1 тыс. раз и перестало представлять существенную опасность, требуется ждать десять периодов полураспада, то есть миллион лет. Какая конструкция может это выдержать, даже если эта конструкция — саркофаг?!

Человек еще не умеет создавать техногенные материалы такой прочности. Поэтому в ИФХЭ РАН приняли решение использовать природные материалы, дальнейшее поведение которых можно прогнозировать с учетом геологических процессов в земной коре.

Глиняные барьеры

Лучше всего для поставленных задач подошли глины. Полиминеральные глинистые смеси оказались способны ограничить распространение самых разных по химическим свойствам радионуклидов, остановить их фильтрацию и свести весь процесс к диффузии.

ИФХЭ РАН понадобилось разработать не только состав материала, но и технологию его производства.

Под проект был переоборудован завод по производству кирпичей.

На заводе собрали технологическую цепочку по производству барьерных материалов с разной степенью обогащения по минеральным компонентам. Ученые исследовали материалы, подбирали состав, уточняли физические и химические свойства и способность материала ограничивать миграцию радионуклидов.

При решении задач для атомной отрасли не ограничиваются только лабораторными исследованиями или компьютерным моделированием. После лабораторных экспериментов был выстроен макет реактора в масштабе один к двум. Через трубки под давлением его начали заполнять мелкодисперсной сухой смесью глинистых материалов.

В подреакторном пространстве имеется много отверстий, проходок, пустот и коробов, связанных с системами охлаждения. Все их требовалось заполнить так, чтобы не оставалось ни единого пустого места. Для этого глинистый материал должен был сыпаться идеально ровно, без образования конуса.

Ученым пришлось провести несколько испытаний на макете, прежде чем удалось подобрать состав глинистого материала, отвечающего требованиям, которые ограниченны в нормативных документах.

Когда все эксперименты закончились, то материал пошел в серийное производство. В результате был выполнен первый в мире пилотный проект по выводу из эксплуатации промышленного уран-графитового реактора (ПУГР), проработавшего свыше 30 лет. Материалы пилотного проекта с большим вниманием были приняты в МАГАТЭ. Этот проект будет основой для вывода из эксплуатации других ПУГР. Работы уже начались.

Дальнейший контроль

Уже шесть лет производится постоянный мониторинг состояния подземных горизонтов в зоне расположения выведенного из эксплуатации реактора. Для этого бурятся скважины, из которых добывается вода. В лабораториях ИФХЭ РАН оценивают содержание радионуклидов в этой подземной воде.

Рассказывает заведующая лабораторией радиационного контроля и экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами ИФХЭ РАН Елена Захарова: «Производство барьерных материалов — одна из приоритетных задач для атомной отрасли, для нашего Института и для отдела радиохимии. В нашей лаборатории совместно с владельцами месторождений природных глин разрабатывается целый комплекс промышленных материалов для использования при выводе из эксплуатации промышленных реакторов. Материалы проходят испытания и приближаются к стадии внедрения».

Безопасность атомной промышленности

Чем дальше человечество идет по пути информатизации, тем больше электроэнергии ему требуется. Компьютеры и сети — мощнейшие потребители электричества. Google на поддержку серверов тратит энергию, сравнимую с мощностью средней атомной электростанции. Компьютеры объедают нас и будут объедать еще больше. Прогресс требует от человечества вырабатывать все больше и больше электроэнергии. Большие надежды связываются с появлением термоядерных реакторов. Такие реакторы уже стали реальностью, однако пока поглощают больше энергии, чем производят сами.

Ядерная энергетика — самый чистый и самый дешевый способ получения электричества. До настоящего времени все утечки радионуклидов на атомных электростанциях были связаны исключительно с авариями. При добросовестном научно обоснованном проектировании, правильном техническом обслуживании и налаженном контроле окружающей среды атомные электростанции безопаснее и надежнее любых других.