| [16/03/2007] Экологические принципы и геологические технологии решения проблемы РАО АЭС
 В.И.Поляков, Ульяновский государственный технический университет; А.И.Рыбальченко, ФГУП ВНИПИПромтехнологии
Предложены основные экологические принципы обращения с радиоактивными отходами, позволяющие снизить их объёмы, воздействие на биосферу и экономические затраты при эксплуатации АЭС и после её остановки. Предпочтительная технология обращения с жидкими радиоактивными отходами – их изоляция от биосферных процессов в глубинных пластах - коллекторах.
Выбор места строительства новых АЭС в оптимальных для применения технологии глубинной изоляции РАО геологических условиях повысит экологическую безопасность и позволит значительно снизить экономические затраты на всех этапах «жизни» АЭС.
Ускоренное развитие ядерной энергетики в России необходимо в связи с исчерпанием в ближайшие десятилетия основных запасов нефти и газа, для улучшения экологической обстановки, решения социальных проблем. Фактором её сдерживания остаётся радиофобия населения и политиков, необоснованно преувеличенная опасность радиоактивных отходов (РАО). Законы и нормативные документы традиционно выделяют РАО от других промышленных отходов, значительно более опасных по токсичности и объёмам, требуя применения экономически затратных и экологически необоснованных технологий. Необходим концептуальный пересмотр понятия РАО и технологий обращения с ними.
1. Экологические принципы обращения с РАО
Основные принципы обращения с РАО были заложены в период гонки ядерных вооружений, когда цель оправдывала все средства для её достижения, и при выделении целевого продукта в отходы выбрасывались все остальные элементы таблицы Д.И. Менделеева. Современные концептуальные подходы, оставшись неизменными, не соответствуют законам экологии, в частности максимальной замкнутости оборота веществ, минимизации энергетических затрат и десяткам других [12]. Не соответствуют экологическим принципам определение РАО - «не предназначенные для дальнейшего использования вещества…» (кто и на каком основании решает, что они не предназначены для использования?), концепция захоронения РАО - «безопасного размещения без намерения последующего их извлечения» (кто гарантирует безопасность на тысячелетия и кто определяет намерения, которые могут изменяться со временем?), принцип «радиационно-эквивалентного захоронения» (не обеспечивает геологическую и физико-химическую эквивалентность).
Технологии выделения РАО, кондиционирования и транспортировки требуют затрат энергии, расширяют их распространения в биосфере, увеличивают энтропию в пространстве: загрязнение оборудования, труб, контейнеров, дезактивация которых даёт новые РАО, а защитные барьеры (стекло, бетон, иные матрицы) увеличивают их массу. Действует экологическое правило: «Отходы неустранимы: они могут быть только изменены по физико-химической форме или перемещены в пространстве». В результате в России за полвека накопилось более 0,5 109 т РАО и для обеспечения безопасности биосферы нужны сотни миллиардов долларов.
В природных циклах нет отходов, а есть отложенные запасы. Эти принципы должны быть применены в атомной энергетике. Физические свойства и относительно небольшие объёмы отходов (АЭС ВВЭР-1000 производит 90 т отходов, а ТЭС на угле той же мощности - 200000 т/год твёрдых и 10 млн. т газообразных) позволяют поставить задачу: «Ядерная энергетика без РАО» [7]. Основы концепции «Не РАО, а СМАК (сырьевой материал атомного комплекса)» изложены в публикациях [7-11].
Эта концепция, не требуя дополнительных затрат, позволит сэкономить огромные средства при строительстве, эксплуатации и при снятии с эксплуатации АЭС. Необходимы корректировка понятий, законов и нормативных документов, изменение организации разделения и сбора «отходов». Уже разработаны технологии получения драгметалла рутения и десятков других радионуклидов из РАО, извлечения 235U - из «хвостохранилищ», плутония для АЭС – из бомб. Утилизация «отходов» и создание «техногенных месторождений» вместо «техногенных помоек» предлагается для любых промышленных отходов [5]. На Украине современный менеджмент РАО предполагает «использование современной доктрины по обращению с отходами, где термин «отходы» заменён термином «ценный вторичный ресурс», а хвостохранилища называются «отложенными техногенными искусственными месторождениями» [6]. Предлагается с участием Государственного бюджета «создание банка, развитие службы аудита, подготовка специальных кадров, взаимодействие с общественностью и международные связи». Россия опять отстаёт…
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, которые 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.
Все ли РАО можно рассматривать как СМАК? При условии минимизации их объёма экологический ответ – да. В разных технологиях концентрируются разные химические элементы с содержанием выше кларковых. Поэтому это «техногенные месторождения», а целесообразность их последующего извлечения определят потомки.
Объём твёрдых РАО АЭС можно уменьшить более тщательным их разделением от неактивных отходов (на практике все отходы из «грязной» зоны классифицируются как радиоактивные). Кондиционирование твёрдых РАО (сжигание, прессование) позволяет ещё в десятки раз уменьшить их объём, а герметизация в бочках обеспечит их длительное хранение в специальном здании на территории АЭС – хранилище СМАК. По международным нормам изоляции РАО требуются три барьера безопасности, время жизни которых должно быть больше, чем у радионуклидов. Это требование, невыполнимое для РАО, выполнимо для СМАК, срок хранения которых - десятки или сотни лет. Поэтому для твёрдых РАО – СМАК нет необходимости сооружения очень дорогих национальных могильников в горных массивах, а для снижения стоимости пристанционных хранилищ возможна оптимизация радиационной защиты, отмена требования защиты от аварий типа падения самолёта.
2. Геоэкологическое обоснование безопасности обращения с РАО
Технологии обращения с жидкими РАО требуют весьма высоких затрат и не соответствуют экологическим требованиям. Нормативные требования предполагают обязательный перевод их в твёрдую фазу и создание защитных барьеров битумированием, остекловыванием, цементированием и т.п. Стоимость переработки и хранения жидких РАО составляет 5000 – 10000 долларов/м3.
Надёжная защита биосферы от жидких РАО возможна со значительно меньшими затратами, если использовать геологические барьеры безопасности. В мире накоплен опыт эксплуатации десятков тысяч скважин, через которые в глубинные горизонты закачивались рассолы нефтедобычи, различные промышленные, токсические и радиоактивные отходы. При подборе благоприятных геологических условий недра планеты способны удерживать в ограниченных объёмах различные вещества в твёрдом и жидком виде, сохраняя стабильность своих структур в течение миллионов лет. Локализация (изоляция) ксенобиотиков в недрах – природоохранная технология возврата остатков минеральных ресурсов. Термин «захоронение» по отношению к РАО и токсикантам должен быть исключён из нормативной лексики, так как они в Природе не обезвреживаются и должны оставаться под контролем.
Наука накопила огромное количество фактов, которые подтверждают безопасность долговременной изоляции веществ в геологических формациях. Полезные ископаемые находятся на своих местах без распространения сотни миллионов лет, а подземные потоки воды только в слабой степени способны выщелачивать и переносить химические элементы, благодаря высоким сорбционным характеристикам песчаных и глинистых пород [3].
Поглощающая способность пластов-коллекторов, мощность и низкая проницаемость покрывающих слоёв служат надёжными барьерами безопасности закаченных жидких РАО или токсикантов. Подобное природно-техническое сооружение может существовать тысячелетия, не может быть разрушено при террористических актах и боевых действиях.
3. Опыт геологической изоляции токсичных отходов
Одним из доказательств надёжности глубинной изоляции радиоактивных отходов являются урановые рудники в Африке, где около 2 млрд. лет назад тысячелетия действовали естественные ядерные реакторы типа уран-графит-вода, а распространение радионуклидов от них не превышает 2 м [1]. Природа смогла надёжно изолировать радиационный объект и подсказывает нам принципиальный подход к решению проблемы РАО – это использование геохимических барьеров.
В России накоплен солидный опыт по изоляции от биосферы радионуклидов и промстоков предприятий. Действуют 17 глубоких хранилищ, в том числе 3 для удаления жидких РАО. В США – эксплуатируются 560 нагнетательных скважин для удаления («инжекции» в западной терминологии) жидких токсичных промстоков, имеются такие установки в странах Европы, Азии, Австралии. В США через скважины ежегодно удаляется около 46 млн. м3 отходов химической, нефтехимической, фармацевтической промышленности. Широкое развитие получила закачка отходов бурения на морских платформах (Северное море, Мексиканский залив, Аляска) [2]. Опыт удаления отходов (инжекции, локализации, размещения, захоронения) был рекомендован как экологически безопасный более чем на десяти международных конференциях (Вена, Беркли, С.-Петербург, Димитровград, и др.).
Технологии глубинной изоляции отходов являются инновационными и природоохранными. Принципы технологии состоят в их нагнетании через буровые скважины в глубокозалегающие пласты пористых проницаемых пород (пласты-коллекторы), изолированные от поверхности слабопроницаемыми глинистыми породами. Нагнетаемые через скважины отходы заполняют поровое пространство пласта-коллектора. В результате в пласте-коллекторе образуется залежь отходов. Закачка промстоков обычно проводится в коллекторские горизонты, залегающие на глубинах от нескольких сотен до нескольких тысяч метров, содержащие минерализованные воды с высокой концентрацией солей, естественная скорость движения которых обычно составляет несколько метров в год.
Принципы экологически безопасного обращения с РАО нашли подтверждение в результате 40-летней эксплуатации опытно-промышленного полигона (ОПП) – хранилища жидких РАО ФГУП ГНЦ РФ НИИАР. [9] Распространению радионуклидов до горизонта поверхностных вод препятствуют 6 барьеров безопасности из слоёв земных пород – глины, доломиты, аргиллиты, известняки и др. (табл.).
Таблица. Основные показатели безопасности ОПП (IV рабочая зона)
| Показатель
| Параметры
| Горизонтальное распространение
| Расчётный радиус распространения жидких РАО (ЖРО) в зоне повышенной проводимости пласта-коллектора
| 211 м
| Обнаруженные следы ЖРО (скв. Р-9), на расстоянии
| 450 м
| Отсутствуют следы ЖРО (скв. Р-11) на расстоянии
| 550 м
| Радиус максимально допустимого распространения ЖРО (горный отвод)
| 3000 м
| Расчётный срок достижения минимально значимой активности на границе горного отвода
| 250 лет
| Вертикальное
распространение
| Общая толщина защиты – кровли
| 1250 м
| Количество барьеров-водоупоров
| 3
| Суммарная толщина барьеров-водоупоров
| 310 - 580 м
| Количество барьеров – поглотителей
| 3
| Суммарная толщина вышерасположенных барьеров – поглотителей
| 670-990 м
|
Постоянный контроль химического состава и радиоактивности через наблюдательные скважины (35 скважин на разных направлениях и расстояниях от центра полигона) гарантирует ограничение распространения отходов в пласте-коллекторе, так как в случае приближения к границам горного отвода их закачка будет прекращена. Расчёты подтверждают надёжность изоляции радионуклидов на миллиарды лет. Полигон является ограниченной, контролируемой природно-технической системой, где отходы занимают ограниченный объём и содержат редкоземельные, благородные, другие элементы.
Кроме НИИАР технология закачки жидких РАО в подземные горизонты применяется на СХК (г. Северск), ГХК (г. Железногорск). К настоящему времени удалено 52 млн. м3, которые содержали радионуклиды активностью около 2,3•1019 Бк [13]. Отходы на полигонах локализованы в пределах выделенных участков недр и не воздействуют на окружающую среду и население [14].
Технологии изоляция жидких РАО в геологических формациях соответствует основным технологическим критериям обращения с РАО Государственной концепции: безопасности, экономичности, доступности, завершённости и должны рассматриваться как инновационные, альтернативные их отверждению и захоронению.
Затраты на сооружение глубоких хранилищ жидких РАО и эксплуатационные расходы в сотни и тысячи раз меньше, чем для альтернативных технологий. На действующих хранилищах стоимость подготовки и закачки жидких высоко- и среднеактивных отходов составляет 0,3–0,2 тыс.руб/м3 и низкоактивных 0,044–0,093 тыс.руб/м3, а стоимость отверждения высокоактивных составляет 30–42 тыс.руб/м3 , а средне- и низкоактивных отходов ~ 1,8 тыс. руб./м3 (в ценах 2000 г.)[13].
4. Геоэкологическая оптимизация размещения АЭС
В предстоящие 10-20 лет предстоит строительство десятков АЭС и одновременно начало снятия с эксплуатации более десятка блоков АЭС. В настоящее время нет финансируемой программы и нет опыта по выводу из эксплуатации энергоблоков АЭС. Задача, предлагаемая «зелёными»,- возврат к «зелёным лужайкам» на месте АЭС не выполнима, и она никогда не ставилась перед предприятиями других отраслей промышленности. После дезактивации всего оборудования и его разрезания на детали на хранение (захоронение) поступит около 20 000 м3 РАО. Их переработка приведёт к расширению распространения радиоактивности в окружающей среде, что противоречит экологическим законам, поэтому экономические затраты примерно 0,5 млрд. долларов будут потрачены на мероприятия по ухудшению состояния и повышению энтропии окружающей среды.
Геоэкология предлагает решение проблемы: минимум дезактивации, минимум разборки оборудования, фиксация барьерами безопасности остатков радиоактивного оборудования, включая корпус реактора и основные трубопроводы, в здании реактора, создание на его месте «техногенного месторождения» металлов [10] . Теплоноситель реактора и дезактивационные воды, если позволяют геологические условия в месте расположения АЭС, можно удалить в глубинные пласты коллекторы.
Планируемые к строительству АЭС будут размещаться с учётом потребностей в энергии, наличия инфраструктуры транспорта, промышленности, кадров и т.п. Не учёт фактора обращения с РАО в период эксплуатации и после её остановки приведёт к потерям примерно миллиард долларов на АЭС. Геоэкология предлагает решение проблемы – при выборе места строительства АЭС учитывать геологические условия для сооружения полигона для изоляции жидких РАО. В России имеется возможность расширения применения технологии глубинной изоляции РАО, а также и других промышленных стоков. В соответствии с картой условий для возможности использования этой технологии на территории РФ, составленной ФГУП Гидроспецгеология (1999 г), более 60% территории характеризуется благоприятными условиями. В частности, полигоны для изоляции жидких РАО могут быть сооружены в случае выбора площадок АЭС вблизи районов НИИАРа, Чепецкого механического завода, Кирово-Чепецкого химического комбината. Дополнительные изыскательские работы для уточнения мест «привязки» новых АЭС по этому параметру должны обязательно планироваться при выдаче технических заданий на их проектирование.
Таким образом, изоляцию жидких РАО от биосферных процессов в глубинных пластах-коллекторах следует рассматривать как инновационную, природоохранную технологию. Выбор места строительства новых АЭС в оптимальных для применения этой технологии геологических условиях повысит экологическую безопасность и позволит значительно снизить экономические затраты на всех этапах «жизни» АЭС.
Литература
1. F. Gauthier-Lafaye. Natural nuclear fission reactors in Gabon. - Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека. II Межд. Конф., Томск, 2004. C. 737-742.
2. Geological Challenges in Radioactive Waste Isolation. Third Worldwide Review. Edited by P.A. Witherspoon and G.S. Bodvarsson. December 2001. US Department of Energy.- LBNL-49797. P. 1-336
3. Гупало Т.А. Перспективы развития технологий геологической изоляции радиоактивных отходов в России. - Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами. VII Межд. Конф.ЯО. 2004. С.-Петербург. С.190-195.
4. Кедровский О.Л., Рыбальченко А.И., Пименов М.К. и др. Глубинное захоронение радиоактивных отходов в пористые геологические формации.- Атомная энергия, т.70, вып. 5, стр. 298- 303.
5. Наумов Г.Б. Радиогеология в системе научного знания.- См. [1], с. 425 – 428.
6. Павлюченков И.А. и др. Менеджмент радиоактивных отходов на Украине.- http://waste.com.ua/cooperation/2004/thesis/pavliuchenkov.html.
7. Поляков В.И. Ядерная энергия без РАО.- РАН: «Энергия: экономика, техника, экология» №7, 2001, с. 8-15.
8. Поляков В.И. Перспективы решения проблемы РАО с учётом требований экологии.- Бюллетень по атомной энергии. №5, 2003, с. 34-36.
9. Поляков В.И., Буквич Б.А. Экологическое решение проблемы обращения с жидкими радиоактивными отходами – ЖРО (на примере ФГУП ГНЦ РФ НИИАР).- См. [3]. С. 364-366.
10. Поляков В.И. Формирование техногенных месторождений – экологическая альтернатива захоронению радиоактивных отходов.- РАЕ . «Современные наукоёмкие технологии». №1, 2005. С. 101-102.
11. Поляков В.И. Экология и геология учат обращению с радиоактивными отходами. – РАЕ. «Современные наукоёмкие технологии».. №2, 2005. С. 23 – 26.
12. Реймерс Н.Ф.. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы.- М.:"Россия молодая".1994. 366 с.
13. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Курочкин В.М. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов в пласты-коллекторы – безопасность, итоги, перспективы. См. [3]. С.394-398.
14. Рыбальченко А.И., Пименов А.И., Костин П.П.и др. "Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов", М.: ИздАТ, 1994. 256 c.
По материалам Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии»
|
