(К интервью «Переработка ОЯТ. Актуальность. Целесообразность. Опасность» от 01.06.18)

Дементий Башкиров

Сегодня нет обоснованных технологий захоронения ОЯТ, эта проблема только-только начинает обсуждаться. Опоздание – 63 года. Первыми поняли ловушку немцев изготовители Толстяка, но уже было поздно. Наша задача – чтобы эту ловушку поняли специалисты, читающие Проатом.

Мое предложение можно рассматривать как провокацию, целью которой является выявление уровня знаний читателей по проблеме уничтожения ОЯТ. Играю в открытую, и не пытаюсь заставить читателей залезать в заготовленные ловушки и петли. Пытаюсь сформировать у них чувство опасности и рациональный подход к решению проблем в аварийных ситуациях, и для этого использую русские глаголы. Прошедшее совершенное действие не путаю с утопическим проектом.

ОЯТ мирных АЭС – это развивающаяся аварийная ситуация, по локализации которой не предпринимаются действия. Мое предложение по планомерной остановке всех АЭС считаю единственным радикальным средством ограничения этой аварийной ситуации, а локализация этих материалов и полный контроль над ситуацией с ОЯТ – это проблема, которую мы здесь обсуждаем.

Ядерщику

ТВЭЛ резать не надо. На пучок одевается чехол и вместо теплоносителя заливается металл. При таком способе остаются работоспособными барьеры: неповрежденная керамика (диоксид урана не самоволоксидируется без доступа кислорода, так как под землей восстановительная атмосфера), оболочка ТВЭЛ, чехол ТВС, корпус контейнера биологической защиты. 

Некоторые исследователи предлагают четвертую оболочку – еще один внешний чехол. По умолчанию оболочка ТВЭЛ со временем теряет герметичность, внешняя оболочка корродирует под напором внешних факторов, а две оболочки – ТВС и первая нержавеющая останутся неповрежденными на 3 тысячи и более лет.

Комлеву

На каждый километр глубины добавляется 100 атм и 30 градусов. Скорости коррозии увеличиваются и с повышением температуры, и с повышением давления. Поэтому не нужно особо углубляться, оптимально – 0,25-2 км.

На глубине 5 км температура 150 градусов, давление 500 атм. У меня нет оборудования для проверки на коррозию при таких параметрах.

Термодинамическая устойчивость диоксида урана.

Диоксид урана (UO₂) – крайне малорастворимое в воде соединение. Особенно свежеспеченный при температуре выше 1700^ОС.

Труднорастворим в кислотах. Скорость растворения прямо пропорциональна поверхности контакта, потому в аналитических приложениях образец предварительно измельчают. 

Но, на поверхности Земли вы нигде не найдете воду без растворенного в ней кислорода. Дождевая вода и вода первого контура – две больших разницы. Насыщенная кислородом дождевая вода содержит 7-14 мг/кг, в контурах АЭС – 0,02 и менее.

Для понимания опасности кислород-водяной смеси рассмотрим уравнение образования ржавчины: 2Fe + 1,5O₂ + H₂O = 2FeO(OH). На воздухе железо почти не корродирует, если на него не брызгать водой. В воде железо не ржавеет, если в воде нет кислорода. Опасна смесь этих веществ.

Природный уран в виде высших оксидов легко вымывается карбонатными растворами. Уранилтрикарбонат аммония – одно из основных соединений, которое позволяет селективно извлекать уран из природных объектов. Совместное воздействие воздуха и содержащихся в нем воды и углекислоты делает труднорастворимый уран растворимым.

Даже на небольших глубинах, 2-5 метров, вода почти не содержит кислорода. На глубине основной газ, растворимый в воде – углекислота. На глубинах вода очень соленая, в разы соленей океанской, соленость достигает предела растворимости солей.

Высокое содержание растворимых солей в воде означает, что подземная вода не обменивается с внешними водами. Это признак того, что здесь можно закапывать.

Диоксид урана (степень окисления 4) не образует растворимых соединений с карбонатами, пока его не окислить до степени окисления 6. На поверхности земли окисление произойдет обязательно, а под землей этот процесс будет идти на многие порядки медленней или вообще идти не будет.

Основная задача хранилища или могильника ОЯТ – не дать попасть кислороду в ТВЭЛ. Добавки восстановителей?

К нашему счастью, плутоний растворим примерно в 100 раз медленней, чем уран. С грунтовой и дождевой водой он не вымывается десятилетиями. После Чернобыля остались тысячи квадратных километров, зараженных актинидами и осколками. Большинство из них сегодня углубились в почвенные слои на десятки сантиметров и метры.

Плутоний принципиально находится на самой поверхности. Его перемещение не превышает 2 мм.

Из актинидов самый подвижные в воде америций и нептуний, которые оказываются в растениях и в животных, попадая в них с водой и пищей. Плутоний же попадает через дыхательные пути, когда почва высыхает и ветер разносит пыль на большие расстояния. Крайне опасны пожары на такой территории.

Если оставить таблетку спеченного при 1700 градусов диоксида урана при комнатной температуре на воздухе, то она останется без изменений многие годы. Таблетка, поработавшая в реакторе до выгорания 5%, в обычной атмосфере начинает окисляться, рассыпаться, диоксид урана переходит в закись-окись. Степень окисления повышается с 8/4 до 8/3.

Отработавшее топливо довольно быстро деградирует на воздухе. Диоксид превращается в закись-окись, при этом увеличивается в объеме на 24%. Масса увеличивается примерно на 4%, но улетевшие осколочные газы уносят примерно 1% массы. Накопленные в топливе газы при этой операции полностью освобождаются. Из таблетки получается порошок за месяц-два-три. 

Для ускорения процесса растворения отработавшего уранового топлива в азотной кислоте его подвергают процессу предварительного ускоренного доокисления (американизм – волоксидация). При проведении этого процесса возможно полностью удалить осколочные благородные газы (Ксенон, Криптон, Тритий), Йод, а под вакуумом и Цезий. Эти технологии применялась при скоростной переработке облученного урана в 40-е годы. Сегодня старые боевые технологии пытается реанимировать Прорыв.

При операциях предварительного удалений газовой фазы из нитридного топлива в атмосферу попадает «изюминка» радиохимии – газообразное соединение, содержащее сразу 3 радиоактивных изотопа – йодистый метил. (CH₃I). С-14 образуется в больших количествах из азота, Н-3 имеет повышенный вдвое выход в быстром реакторе, I-131 – знаменитый изотоп с выходом 3%. Для анализа такого выхлопа рядовые радиометристы не подойдут, и радиохимия тут не поможет. Йодные ловушки (брикетированный активированный уголь, импрегнированный серебром) пропускают такой йод, как обычный воздух.

Конструкторам АЭС

При разработке АЭС никаких вариантов обезвреживания ОЯТ не предусматривается. Можно называть это пережитком Холодной Войны, можно называть это преемственностью поколений изготовителей ОПМ. Лес рубят, щепки летят. Традиционно, с 1942 года по сей день, никто не думает об ОЯТ.  Не велено думать или просто страшно подумать? Выполняем только приказы?

Я осознаю расхождение слов с делом и тот факт, что информации для принятия решения недостаточно.

Но есть 30-40 летняя статистика глубинного захоронения на площадках СССР и США, без всяких барьеров, просто закачка жидких ВАО под землю. Есть статистика глубинных захоронений в Пасифике и Атлантике. Эту информацию необходимо тщательно анализировать.

Главное,  чтобы думающие люди в Росатоме поняли, что проблема ОЯТ существует. Три поколения атомщиков никаких действий по обезвреживанию ОЯТ не предпринимало. Сейчас появилось четвертое поколение, и для этого поколения нет никаких проблем, кроме виртуальных.

Это поколение, с подачи второго поколения, собирается кремировать ОЯТ, сжигать его в специальных реакторах-выжигателях.  Не вижу в технологиях сжигания ОЯТ в БР никакого уменьшения радиационной опасности, наоборот, эта опасность возрастает на порядок или даже на многие порядки.

Я представитель третьего поколения физиков-ядерщиков и радиохимиков считаю, что так называемое «грязное оружие», которым является ОЯТ, намного опаснее «чистого» ядерного оружия. Энергетический эквивалент ОЯТ в тысячи раз выше эквивалента ядерных запасов наших отцов и в десятки раз выше эквивалента современного термоядерного оружия. ОЯТ не так эффектно, зато более эффективно, чем термояд.

Я сторонник консервативных расчетов и прямых экспериментов. Посчитали, пересчитали, дали проверить эксперту и поставили эксперимент. Но одно дело выброс, загрязняющий на 10 лет 50 км², другое – на 10 тысяч лет и 500 миллионов квадратных километров.

Мои коллеги в МСМ проводили эксперименты, в которых ядерные процессы деградации ОЯТ ускорялись в тысячи раз (ЛИК – легкие изотопы кюрия). Что происходит с материалом, когда 5-10% актинида превращается в другой химический элемент, я уже говорил – аэрозоль занимает весь предоставленный ей объем. Это не виртуальные исследования, а реальные работы с короткоживущими актинидами.

Я прекрасно понимаю, что мое предложение сыро, мало обосновано и преждевременно к реализации в промышленных масштабах. Но, с другой стороны, я понимаю, что технология обезвреживания ОЯТ должна была быть разработана одновременно с началом изготовления первой гражданской ТВС. До того, как заработал мирный реактор, все переделы должны были быть обоснованы на реальных материалах. Мое предложение опоздало на 60 лет.

Эти работы с запозданием 20-30 лет делались в СССР. Эти работы были свернуты в 1986.

Я понимаю, что сделать эксперименты в обосновании захоронения ОЯТ невозможно. Слишком большой срок для этого обоснования нужен.

Сбывается пророчество разработчиков Vergeltungswaffe: распространение ядерных технологий угрожает всему живому на планете. Живущие на планете не знают, как противостоять этому оружию.

Вывод пока видится только один: кардинальное решение проблемы ОЯТ – это осознанный плановый останов всех АЭС в мире. 

Цирконий, нержавейка, золото и свинец.

Цена нержавеющей стали – 200 руб/кг, циркония – 7000 руб/кг, золота – 1200000 руб/кг. Разница 35 раз – неплохой аргумент для выбора конструкционного материала.

Свинец в реакторе «кушает» и цирконий, и нержавейку, и золото с платиной. Примерно с одинаковым аппетитом. Система исследована давным-давно (СВБР - 1958, БРЕСТ - 1992). Очень важную роль в этом процессе играют примеси неметаллов, в том числе вездесущий на земле кислород. Это одна из главных причин, почему сегодня нет реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Но это совсем другая область температур – выше 450^ОС. Твердофазные реакции идут со скоростями на 4-8 порядков меньшими. 

Вторая причина – прочность при высокой температуре. Кузнецы называют это красноломкостью. Цирконий был выбран в качестве материала оболочки исключительно из ядерно-физических соображений. В ущерб не только механической прочности, но и в ущерб водородной опасности при аварии на реакторе – у циркония самая высокая температура горения из всех известных металлов – более 4500^ОС. Выброс тепла и водорода при аварии топлива с циркониевыми оболочками максимален из всех типов оболочек. Для реакторов с низким обогащением важен каждый нейтрон, с оболочкой из нержавейки реактор ВВЭР не запустится. 

В реакторах с высоким обогащением используют нержавеющие стали: они надежней при высоких температурах – выше механическая прочность и нет выделения водорода.