Радиоактивные вещества и проблема их захоронения

Природа и ее богатства являются национальным достоянием народов России, естественной основой их устойчивого социально-экономического развития и благосостояния человека.

На территории России расположено более 24 тысяч предприятий, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу и водоемы. Ежегодно в Российской Федерации улавливается и обезвреживается лишь 76 % от общего количества вредных веществ. Большой урон экосистемам на территории России нанесен ядерными испытаниями. В результате Чернобыльской аварии загрязнены радиоактивными веществами Брянская, Орловская, Калужская и Рязанская области.

В настоящее время более 70 миллионов людей дышат воздухом, насыщенным опасными для здоровья веществами, в пять и более раз превышающими предельно допустимые нормы. Сокращается рождаемость и увеличивается смертность. Каждый десятый ребенок рождается генетически неполноценным, у 45 % призывников выявлены нарушения психики.

Рассмотрим вопрос о радиационной безопасности как составной части экологической безопасности.

Проблема радиоактивных отходов является частным случаем общей проблемы загрязнения окружающей среды отходами человеческой деятельности. Но в то же время резко выраженная специфика РАО требует применения специфичных методов обеспечения безопасности для человека и биосферы.

Исторический опыт обращения с производственными и бытовыми отходами сформировался в условиях, когда осознание опасности отходов и программ её нейтрализации опиралось на непосредственные ощущения. Возможности последних обеспечивали адекватность осознания связей непосредственно воспринимаемых органами чувств воздействий с наступающими последствиями. Уровень знаний позволял представить логику механизмов воздействия отходов на человека и биосферу, достаточно точно соответствующую реальным процессам. К практически выработанным традиционным представлениям о методах обезвреживания отходов исторически присоединились и разработанные с открытием микроорганизмов качественно иные подходы, образовав не только эмпирически, но и научно обоснованное методическое обеспечение безопасности человека и среды его обитания. В медицине и системах управления обществом были сформированы соответствующие подотрасли, например санитарно-эпидемиологическое дело, коммунальная гигиена и т.п.

С бурным развитием химии и химических производств в производственных и бытовых отходах в массовых количествах появились новые, ранее не попадавшие в них элементы и химические соединения, в том числе не существующие в природе. По масштабам это явление стало сопоставимо с естественными геохимическими процессами. Человечество оказалось перед необходимостью выйти на другой уровень оценки проблемы, где должны учитываться, например, аккумулятивные и отложенные эффекты, методы выявления дозировок воздействий, необходимость применения новых методов и специальной высокочувствительной аппаратуры для обнаружения опасности и т.п.

Качественно иную опасность, хотя и сходную с химической по некоторым из признаков, принесла человеку "радиоактивность", как явление, не воспринимаемое органами чувств человека непосредственно, не уничтожаемое известными человечеству способами и пока еще в целом недостаточно изученное: нельзя исключить обнаружение новых свойств, воздействий и последствий этого явления [16]. Поэтому при формировании общих и конкретных научных и практических задач "по ликвидации опасности РАО" и, в особенности, при решении этих задач возникают постоянные затруднения, показывающие, что традиционная постановка недостаточно точно отражает реальный, объективный характер "проблемы РАО". Тем не менее, идеология такой постановки широко распространена в правовых и не правовых документах общегосударственного и межгосударственного характера, которые, как можно предположить, охватывают широкий спектр современных научных воззрений, направлений, исследований и практических мероприятий; учитывают разработки всех известных отечественных и иностранных организаций, занимающихся "проблемой РАО"

Постановлением Правительства РФ от23.10.1995г.N 1030 утверждена Федеральная целевая Программа "Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 годы".

Радиоактивные отходы рассматриваются в ней "как не подлежащие дальнейшему использованию вещества (в любом агрегатном состоянии), материалы, изделия, оборудования, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами. В Программе выделен специальный раздел "Состояние проблемы", содержащий описание конкретных объектов и общественных сфер, где происходит "обращение с радиоактивными отходами", а также общие количественные характеристики "проблемы РАО" в России. Качественного определения проблемы РАО в Программе не дано. Как отдаленное приближение к такому определению можно рассматривать обобщающий содержание раздела "Состояние проблемы" абзац, который целесообразно привести целиком, не столько для того, чтобы наглядно подтвердить необходимость дальнейшей работы над определением "проблемы РАО", сколько для того, чтобы уяснить направление этой работы.

"Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надежных хранилищ для их длительного хранения и (или) захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, длительность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов".

Основные источники радиоактивных отходов (РАО) высокого уровня активности -- атомная энергетика (отработанное ядерное топливо) и военные программы (плутоний ядерных боеголовок, отработанное топливо транспортных реакторов атомных подводных лодок, жидкие отходы радиохимических комбинатов и др.). Количество РАО, накопленных при производстве ядерного оружия, на порядок (то есть не менее чем в 10 раз) выше отходов ядерной энергетики. Если даже военные программы сократятся, то отходы «мирной» энергетики намного вырастут, поскольку ядерная энергия -- один из двух важнейших в обозримом будущем источников энергии, наряду с сожжением углеводородных топлив, производящих опасный для теплового равновесия Земли «парниковый эффект».

Возникает вопрос: следует ли рассматривать РАО просто как отходы или как потенциальный источник энергии? От ответа на этот вопрос зависит, хотим ли мы их хранить (в доступном виде) или захоранивать (т. е. делать недоступными). Общепринятый ответ в настоящее время состоит в том, что РАО -- это действительно отходы, за исключением, может быть, плутония. Плутоний теоретически может служить источником энергии, хотя технология получения энергии из него сложна и довольно опасна. Многие страны, в том числе Россия и США, находятся теперь на распутье: «запускать» плутониевую технологию, используя плутоний, высвобождаемый при разоружении, или захоранивать этот плутоний? Недавно правительство России и Минатом объявили, что они хотят перерабатывать оружейный плутоний совместно с США; это означает возможность развития плутониевой энергетики.

В течение 40 лет ученье сравнивали варианты избавления от РАО. Главная идея -- их надо поместить в такое место, чтобы они не могли попасть в окружающую среду и нанести вред человеку. Эту способность вредить РАО сохраняют в течение десятков и сотен тысяч лет. Облученное ядерное топливо, которое мы извлекаем из реактора, содержит радиоизотопы с периодами полураспада от нескольких часов до миллиона лет (период полураспада -- это время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, причем в ряде случаев возникают новые радиоактивные вещества). Но общая радиоактивность отходов значительно снижается со временем. Для радия период полураспада составляет 1620 лет, и нетрудно подсчитать, что через 10 тысяч лет останется около 1/50 первоначального количества радия. Нормативы большинства стран предусматривают обеспечение безопасности отходов на срок 10 тысяч лет. Конечно, это не значит, что по истечении этого времени РАО более не будут опасны: мы попросту перелагаем дальнейшую ответственность за РАО на отдаленное потомство. Для этого надо, чтобы места и форма захоронения этих отходов были известны потомству. Заметим, что вся письменная история человечества меньше 10 тысяч лет. Задачи, возникающие при захоронении РАО, беспрецедентны в истории техники: люди никогда не ставили себе таких долговременных целей.

Интересный аспект проблемы состоит в том, что надо не только защищать человека от отходов, но одновременно защищать отходы от человека. За срок, отводимый на их захоронение, сменятся многие социально-экономические формации. Нельзя исключить, что в определенной ситуации РАО могут стать желанным объектом для террористов, мишенями для удара при военном конфликте и т.п. Понятно, что, рассуждая о тысячелетиях, мы не можем полагаться, скажем, на правительственный контроль и охрану -- невозможно предвидеть, какие изменения могут произойти. Может быть, лучше всего сделать отходы физически недоступными для человека, хотя, с другой стороны, это затруднило бы нашим потомкам дальнейшие меры безопасности.

Понятно, что ни одно техническое решение, ни один искусственный материал не может «работать» в течение тысячелетий. Очевидный вывод: изолировать отходы должна сама природная среда. Рассматривались варианты: захоронить РАО в глубоких океанических впадинах, в донных осадках океанов, в полярных шапках; отправлять их в космос; закладывать их в глубокие слои земной коры. В настоящее время общепринято, что оптимальный путь -- захоронение отходов в глубоких геологических формациях.

Понятно, что РАО в твердой форме менее склонны к проникновению в окружающую среду (миграции), чем жидкие РАО. Поэтому предполагается, что жидкие РАО будут вначале переводиться в твердую форму (остекловываться, превращаться в керамику и т.п.). Тем не менее, в России все еще практикуется закачка жидких высокоактивных РАО в глубокие подземные горизонты (Красноярск, Томск, Димитровград).

В настоящее время принята так называемая «многобарьерная» или «глубоко эшелонированная» концепция захоронения. Отходы сперва сдерживаются матрицей (стекло, керамика, топливные таблетки), затем многоцелевым контейнером (используемым для транспортировки и для захоронения), затем сорбирующей (поглощающей) отсыпкой вокруг контейнеров и, наконец, геологической средой.

Сколько стоит вывод из эксплуатации атомной станции? По разным оценкам и для разных станций, эти оценки колеблются от 40 до 100% капитальных затрат на строительство станции. Эти цифры теоретические, поскольку до сих пор станции полностью из эксплуатации не выводились: волна выводов должна начаться после 2010 года, так как срок жизни станций составляет 30-40 лет, а основное строительство их происходило в 70-80-х годах. То, что мы не знаем стоимости вывода реакторов из эксплуатации, означает, что эта «скрытая стоимость» не учитывается в стоимости электроэнергии, производимой атомными станциями. Это одна из причин кажущейся «дешевизны» атомной энергии.

Итак, мы попытаемся захоранивать РАО в глубокие геологические фракции. При этом нам поставлено условие: показать, что наше захоронение будет работать, как мы это планируем, на протяжении 10 тысяч лет. Посмотрим теперь, какие проблемы мы встретим на этом пути.

Первые проблемы встречаются на этапе выбора участков для изучения.

В США, например, ни один штат не хочет, чтобы общегосударственное захоронение размещалось на его территории. Это привело к тому, что усилиями политиков многие потенциально подходящие площади были вычеркнуты из списка, причем не на основании ночного подхода, а вследствие политических игр.

Как это выглядит в России? В настоящее время в России все еще можно изучать площади, не ощущая значительного давления местных властей (если не предлагать при этом размещать захоронение вблизи городов!). Полагаю, что по мере усиления реальной независимости регионов и субъектов Федерации ситуация будет смещаться в сторону ситуации США. Я легко могу себе представить, что, скажем, губернатор Красноярского края в какой-то момент скажет: «В моем крае захоронения не будет!» Уже сейчас ощущается склонность Минатома переместить свою активность на военные объекты, над которыми практически нет контроля: например, для создания захоронения предполагается архипелаг Новая Земля (российский полигон № 1), хотя по геологическим параметрам это далеко не лучшее место, о чем еще будет речь дальше.

Но предположим, что первый этап позади и площадка выбрана. Надо ее изучить и дать прогноз функционирования захоронения на 10 тысяч лет. Тут появляется новая проблема.

Неразработанность метода. Геология -- описательная наука. Отдельные разделы геологии занимаются предсказаниями (например, инженерная геология предсказывает поведение грунтов при строительстве и т.п.), но никогда еще перед геологией не ставилась задача предсказать поведение геологических систем на десятки тысяч лет. Из многолетних исследований в разных странах возникли даже сомнения, возможен ли вообще более или менее надежный прогноз на такие сроки.

Представим все же, что нам удалось выработать разумный план изучения площадки. Понятно, что для осуществления этого плана понадобится много лет: например, гора Яка в штате Невада изучается уже более 15 лет, но заключение о пригодности или непригодности этой горы будет сделано не ранее чем через 5 лет. При этом программа захоронения будет испытывать все возрастающее давление.

Давление внешних обстоятельств. В годы холодной войны на отходы не обращали внимания; они накапливались, хранились во временных контейнерах, терялись и т.п. Пример -- военный объект Хэнфорд (аналог нашего «Маяка»), где находится несколько сот гигантских баков с жидкими отходами, причем для многих из них не известно, что находится внутри. Одна проба стоит 1 миллион долларов! Там же, в Хэнфорде, примерно раз в месяц обнаруживаются закопанные и «забытые» бочки или ящики с отходами.

В целом за годы развития ядерных технологий отходов скопилось очень много. Временные хранилища на многих атомных станциях близки к заполнению, а на военных комплексах они часто находятся на грани выхода из строя «по старости» или даже за этой гранью.

Итак, проблема захоронения требует срочного решения. Осознание этой срочности становится все более острым, тем более что 430 энергетических реакторов, сотни исследовательских реакторов, сотни транспортных реакторов атомных подводных лодок, крейсеров и ледоколов продолжают непрерывно накапливать РАО. Но у людей, прижатых к стенке, не обязательно возникают лучшие технические решения, и возрастает вероятность ошибок. Между тем в решениях, связанных с ядерной технологией, ошибки могут очень дорого стоить.

Предположим, наконец, что мы истратили 10-20 миллиардов долларов и 15-20 лет на изучение потенциальной площадки. Пришло время принимать решение. Очевидно, идеальных мест на Земле не существует, и любое место будет иметь с точки зрения захоронения положительные и отрицательные свойства. Очевидно, придется решить, перевешивают ли положительные свойства отрицательные и обеспечивают ли эти положительные свойства достаточную безопасность.

Принятие решений и технологическая сложность проблемы. Проблема захоронения технически чрезвычайно сложна. Поэтому очень важно иметь, во-первых, науку высокого качества, а во-вторых, эффективное взаимодействие (как говорят в Америке, «интерфейс») между наукой и политиками, принимающими решения.

Российская концепция подземной изоляции РАО и отработанного ядерного топлива в многолетнемерзлых породах разработана в Институте промышленной технологии Минатома России (ВНИПИП). Она была одобрена Государственной экологической экспертизой Министерства экологии и природных ресурсов РФ, Минздравом РФ и Госатомнадзором РФ. Научная поддержка концепции проводится кафедрой мерзлотоведения Московского государственного университета. Следует заметить, что эта концепция уникальна. Ни в одной стране мира, насколько мне известно, вопрос о захоронении РАО в мерзлоте не рассматривается.

Основная идея такова. Помещаем тепловыделяющие отходы в мерзлоту и отделяем их от пород непроницаемым инженерным барьером. За счет тепловыделения мерзлота вокруг захоронения начинает подтаивать, но через какое-то время, когда тепловыделение снизится (вследствие распада короткоживущих изотопов), породы снова промерзнут. Поэтому достаточно обеспечить непроницаемость инженерных барьеров на то время, когда мерзлота будет протаивать; после промерзания миграция радионуклидов становится невозможной.

Неопределенность концепции. С этой концепцией связано, по меньшей мере, две серьезных проблемы.

Во-первых, концепция предполагает, что промерзшие породы непроницаемы для радионуклидов. На первый взгляд это кажется разумным: вся вода замерзшая, лед обычно неподвижен и не растворяет радионуклиды. Но если внимательно поработать с литературой, то оказывается, что многие химические элементы довольно активно мигрируют в промерзших породах. Даже при температурах -- 10-12°С в породах присутствует незамерзающая, так называемая пленочная, вода. Что особенно важно, свойства радиоактивных элементов, составляющих РАО, с точки зрения их возможной миграции в мерзлоте совершенно не изучены. Поэтому предположение о непроницаемости мерзлых пород для радионуклидов лишено всяких оснований.

Во-вторых, если даже окажется, что мерзлота действительно хороший изолятор РАО, то невозможно доказать, что сама мерзлота просуществует достаточно долго: напомним, что нормативы предусматривают захоронение на срок в 10 тысяч лет. Известно, что состояние мерзлоты определяется климатом, причем двумя наиболее важными параметрами -- температурой воздуха и количеством атмосферных осадков. Как вы знаете, температура воздуха повышается в связи с глобальным изменением климата. Наивысший темп потепления приходится как раз на средние и высокие широты северного полушария. Ясно, что такое потепление должно привести к протаиванию льда и сокращению мерзлоты. Как показывают расчеты, активное протаивание может начаться уже через 80-100 лет, и темп протаивания может достичь 50 метров в столетие. Таким образом, мерзлые породы Новой Земли могут полностью исчезнуть за 600-700 лет, а это всего 6-7% от времени, требуемого для изоляции отходов. Без мерзлоты карбонатные породы Новой Земли обладают весьма низкими изолирующими свойствами по отношению к радионуклидам.

Проблема хранения и захоронения радиоактивных отходов (РАО) - важнейшая и нерешенная проблема ядерной энергетики.

Никто в мире пока не знает, где и как хранить высокоактивные РАО, хотя работы в ном направлении ведутся. Пока речь идет о перспективных, а отнюдь не промышленных технологиях заключения высоко активных РАО в тугоплавкое стекло или керамические со-единения. Однако неясно, как эти материалы поведут себя под воздействием заключенных в них РАО в течение миллионов лет. Столь длительный срок хранения обусловлен огромным периодом полураспада ряда радиоактивных элементов. Ясно, что выход их наружу неизбе-жен, ибо материал контейнера, в котором они будут заключены столько не "живет".

Все технологии обработки и хранения РАО условны и сомнительны. А, если атомщики гудут по своему обыкновению, оспаривать этот факт, то уместно будет спросить их: "Где гарантия, что все существующие хранилища и могильники уже сейчас не являются носителями радиоактивного заражения, так как все наблюдения за ними скрываются от общественности.

Рис. 4.3 Экологическая ситуация на территории РФ: 1 - подземные ядерные взрывы; 2 - крупные скопления расщепляющихся материалов; 3 - испытания ядерного оружия; 4 - деградация естественных кормовых угодий; 5 - кислые атмосферные осадки; 6 - зоны острых экологических ситуаций; 7 - зоны очень острых экологических ситуаций; 8 - нумерация кризисных регионов.

В нашей стране существуют несколько могильников, хотя об их существовании стара-ются умолчать. Наиболее крупный расположен в районе Красноярска под Енисеем, где про-исходит захоронение отходов большинства российских атомных электростанций и ядерные отходы ряда европейских государств. При проведении научно-изыскательских работ по дан-ному хранилищу результаты оказались положительными, но в последнее время наблюдение показывают нарушение экосистемы р. Енисей, что появились рыбы мутанты, изменилась структура воды в определенных районах, хотя данные научных экспертиз тщательно скрываются.

Кстати нигде в мире захоронения высокоактивных РАО еще не осуществляется, имеется опыт лишь временного их сохранения.