Проблемы атомной энергетики и экологии

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева

Институт менеджмента и социальных технологий

Кафедра управления качеством и сертификации

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема: Проблемы атомной энергетики и экологии

Зеленогорск 2006

Содержание

Введение

1. Воздействие атомных электростанций на окружающую среду

1.1 Атомные электростанции

1.2 Выбросы и сбросы вредных веществ при эксплуатации АЭС

1.3 АЭС и окружающая среда

2. Ограничение опасных воздействий АЭС на экосистемы

3. Радиационная безопасность АЭС

4. Захоронение опасных ядерных отходов

4.1 Откуда появляются отходы?

4.2 Обращение с отходами

4.3 Способы хранения ядерных отходов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Атомная энергетика базируется на получении энергии при делении атомных ядер. До начала восьмидесятых годов ядерная (атомная) энергетика рассматривалась как экологически чистая замена тепловых электростанций. Однако при этом не учитывались загрязнения и расходы энергии, связанные с добычей, транспортировкой, обогащением и захоронением отходов. Эти вопросы окутывались тайной.

Печальный опыт аварий на АЭС, особенно опыт Чернобыля, а также аварии в Челябинской области, показали, сколь тяжелы могут быть последствия ядерных катастроф. Одномоментно потеряны на столетия, а возможно, и на тысячелетия, обширные территории обжитых мест, лесных, водных и других природных богатств. Пострадало население этих территорий. Значительный удар получила экономика страны и пострадавших регионов.

Единственной страной, продолжающей активно развивать атомную энергетику, является Франция. Под давлением общественности Швейцария, Австрия и Италия отказались от дальнейшего развития атомной энергетики, не планируют строительство АЭС Бельгия и Финляндия. В нашей стране идет усиленная борьба между общественностью, населением областей, в которых планируется строительство АЭС, и ведомствами, с самого начала "атомной эры" монопольно владеющими всеми ядерными ресурсами и промышленными объектами.

Производство ядерной энергии оправдывается лишь в том случае, если будут найдены надежные решения всех связанных с ней проблем, в первую очередь средств значительного повышения безопасности существующих объектов ядерной энергетики и проблема захоронения ядерных отходов.

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды. Наиболее существенные факторы:

- локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве;

- повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации;

- сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты;

- изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;

- изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов - охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций. Общепризнанно, что АЭС при их нормальной эксплуатации намного - не менее чем в 5-10 раз "чище" в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Однако при авариях АЭС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий АЭС - главная проблема и крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.

За последние годы было высказано множество мнений и беспокойств относительно ядерной промышленности и, в особенности, ее отходов. Поднимался даже вопрос, имеет ли право вообще существовать ядерная энергетика, если проблема обращения с ее отходами пока не решена должным образом. Выражались также сомнения по поводу безопасного сдерживания отходов при их удалении.

Отметим важность не только радиационных факторов возможных вредных воздействий АЭС на экосистемы, но и тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, механическое воздействие на обитателей водоемов-охладителей, изменения гидрологических характеристик прилежащих к АЭС районов, т.е. весь комплекс техногенных воздействий, влияющих на экологическое благополучие окружающей среды.

1. Воздействие атомных электростанций на окружающую среду

1.1 Атомные электростанции

Атомная электростанция (АЭС) -- комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции. АЭС классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами.

Рис. 1. Схема работы атомной электростанции

Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель подаётся насосами в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающей из водохранилища. Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер.

Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои трудности, связанные с повышенной химической активностью этого металла.

Общее количество контуров может меняться для различных реакторов, схема на рисунке 1 приведена для реакторов типа ВВЭР. В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью атомной электростанции.

1.2 Выбросы и сбросы вредных веществ при эксплуатации АЭС

Исходными событиями, которые, развиваясь во времени, в конечном счете могут привести к вредным воздействиям на человека и окружающую среду, являются выбросы и сбросы радиоактивности и токсических веществ из систем АЭС.

Эти выбросы делят на газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через трубу, и жидкие сбросы, в которых вредные примеси присутствуют в виде растворов или мелкодисперсных смесей, попадающие в водоемы. Возможны и промежуточные ситуации, как при некоторых авариях, когда горячая вода выбрасывается в атмосферу и разделяется на пар и воду.

Выбросы могут быть как постоянными, находящимися под контролем эксплуатационного персонала, так и аварийными, залповыми. Включаясь в многообразные движения атмосферы, поверхностных и подземных потоков, радиоактивные и токсические вещества распространяются в окружающей среде, попадают в растения, в организмы животных и человека. На рисунке 2 показаны воздушные, поверхностные и подземные пути миграции вредных веществ в окружающей среде. Вторичные, такие как ветровой перенос пыли и испарений, как и конечные потребители вредных веществ на рисунке не показаны.

Рис. 2. Пути миграции вредных веществ в окружающей среде

1.3 АЭС и окружающая среда

Вредным воздействием на человека и окружающую среду, являются выбросы и сбросы радиоактивных и токсических веществ из систем АЭС. Это выбросы: газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через трубу, и жидкие сбросы, в которых вредные примеси присутствуют в виде растворов или мелкодисперсных смесей, попадающие в водоемы.

Рассмотрим, какой вред наносит АЭС природе в условиях нормальной работы.

При добыче и переработке урановой или ториевой руды отчуждаются значительные земельные площади (под карьеры и для размещения отвалов пустой породы и отходов). На этапах переработки руды и топлива используется большое количество химических реагентов, частично попадающих в окружающую среду.

На АЭС при производстве энергии осуществляется тот же паротурбинный цикл преобразования тепла, что и на ТЭС, поэтому до 70% энергии, выделившейся в реакторе, поступает в окружающее пространство, приводя к тепловому загрязнению биосферы.

Термоядерная реакция идет с выделением тепла - именно это положено в принцип работы АЭС - в качестве передатчика этого тепла, так называемого теплоносителя, используются вода. Элементарные единицы активной зоны реактора - твэлы часто деформируются и продукты деления поступают в теплоноситель. Он конечно проходит очистку прежде чем вернуться в пруд-охладитель, но часть радиоактивности все же остается.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов - охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. Собственно ядерная реакция происходит в активной зоне реактора. Реакция представляет собой сложные превращения одних атомов в другие. В результате таких превращений образуется спектр радиоактивных изотопов различных химических элементов. Первыми реактор покидают радиоактивные благородные газы. Эти газы задерживаются некоторое время в фильтре-адсорбере, где теряют свою активность и лишь очень небольшая их часть попадает в атмосферу. В атмосферу также выбрасывается небольшое количество трития, йода и аэрозоли, которые составляют некоторые твердые продукты деления и активации.

В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций. Общепризнанно, что АЭС при их нормальной эксплуатации намного - не менее чем в 5-10 раз «чище» в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Для сравнения: вклад от рентгено-диагностических процедур для всего населения в год в 1000 раз больше. Однако при авариях АЭС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий АЭС - крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.

К сожалению, все сектора ядерного топливного цикла в ходе их повседневной деятельности, которая регламентируется строгими нормами и правилами, производят незначительные выбросы радиоактивных отходов в воздух и воду. Эти выбросы обычно значительно ниже согласованных международных предельно допустимых норм.

Чтобы пролить истинный свет на положение дел, скажем, что средняя доза, получаемая населением от ядерной энергетики, включая дозы от выбросов, составляет 0,0002 мЗв/год. Это эквивалентно небольшой доле всего в 1% общей ежегодно получаемой населением дозы от фонового излучения (в среднем 2,4 мЗв/год).

2. Ограничение опасных воздействий АЭС на экосистемы

Атомные станции региона оказывают разнообразные воздействия на совокупность природных экосистем, составляющих экосферный регион АЭС. Под влиянием этих постоянно действующих или аварийных воздействий АЭС, других техногенных нагрузок происходит эволюция экосистем во времени, накапливаются и закрепляются изменения состояний динамического равновесия. Нормирование антропогенных нагрузок на экосистемы и предназначено для того, чтобы предотвращать все неблагоприятные изменения в них, а в лучшем варианте направлять эти изменения в благоприятную сторону. Чтобы разумно регулировать отношения АЭС с окружающей средой нужно конечно знать реакции биоценозов на возмущающие воздействия АЭС. Подход к нормированию антропогенных воздействий может быть основан на эколого-токсикогенной концепции, т.е. необходимости предотвратить "отравление" экосистем вредными веществами и деградацию из-за чрезмерных нагрузок.

Чтобы избежать травмирования экосистем должны быть определены и нормативно зафиксированы некоторые предельные поступления вредных веществ в организмы особей, другие пределы воздействий, которые могли бы вызвать неприемлемые последствия на уровне популяций, т.е. должны быть известны экологические емкости экосистем, величины которых не должны превышаться при техногенных воздействиях. Экологические емкости экосистем для различных вредных веществ следует определять по интенсивности поступления этих веществ, при которых хотя бы в одном из компонентов биоценоза возникнет критическая ситуация, т.е. когда накопление этих веществ приблизится к опасному пределу, будет достигаться критическая концентрация.

АЭС оказывают на окружающую среду - тепловое, радиационное, химическое и механическое воздействие. Для обеспечения безопасности биосферы нужны необходимые и достаточные защитные средства. Под необходимой защитой окружающей среды будем понимать систему мер, направленных на компенсацию возможного превышения допустимых значений температур сред, механических и дозовых нагрузок, концентраций токсикогенных веществ в экосфере. Достаточность защиты достигается в том случае, когда температуры в средах, дозовые и механические нагрузки сред, концентрации вредных веществ в средах не превосходят предельных, критических значений.

Итак, санитарные нормативы предельно-допустимых концентраций (ПДК), допустимые температуры, дозовые и механические нагрузки должны быть критерием необходимости проведения мероприятий по защите окружающей среды.

В Российском законодательстве имеются документы, определяющие обязанности и ответственность организаций по сохранности, защите окружающей среды. Такие акты, как Закон об охране окружающей природной среды, Закон о защите атмосферного воздуха, Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами играют определенную роль в сбережении экологических ценностей.

Природные экосистемы обладают широким спектром физических, химических и биологических механизмов нейтрализации вредных и загрязняющих веществ. Однако при превышении значений критических поступлений таких веществ, возможно наступление деградационных явлений - ослабление выживаемости, снижение репродуктивных характеристик, уменьшение интенсивности роста, двигательной активности особей. В условиях живой природы, постоянной борьбы за ресурсы такая потеря жизнестойкости организмов грозит потерей ослабленной популяции, за которой может развиться цепь потерь других взаимодействующих популяций. Критические параметры поступления веществ в экосистемы принято определять с помощью понятия экологических емкостей. Экологическая емкость экосистемы - максимальная вместимость количества загрязняющих веществ, поступающих в экосистему за единицу времени, которая может быть разрушена, трансформирована и выведена из пределов экосистемы или депонирована за счет различных процессов без существенных нарушений динамического равновесия в экосистеме. Типичными процессами, определяющими интенсивность "перемалывания" вредных веществ, являются процессы переноса, микробиологического окисления и биоседиментации загрязняющих веществ. При определении экологической емкости экосистем должны учитываться как отдельные канцерогенные и мутагенные эффекты воздействий отдельных загрязнителей, так и их усилительные эффекты из-за совместного, сочетанного действия.

Какой же диапазон концентраций вредных веществ надлежит контролировать? В Нормах радиационной безопасности (НРБ-76/87) даны значения предельно-допустимых концентраций радиоактивных веществ в воде и воздухе для профессиональных работников и ограниченной части населения. Данные по некоторым важным, биологически активным радионуклидам приведены в таблице.

Таблица 1 Значения допустимых концентраций для радионуклидов

Нуклид, N	Период полураспада, Т1/2 лет	Выход при делении урана, %	Допустимая концентрация, Ku/л	Допустимая концентрация
			в воздухе	в воздухе	в воздухе, Бк/м3	в воде, Бк/кг
Тритий-3 (окись)	12,35	-	3*10-10	4*10-6	7,6*103	3*104
Углерод-14	5730	-	1,2*10-10	8,2*10-7	2,4*102	2,2*103
Железо-55	2,7	-	2,9*10-11	7,9*10-7	1,8*102	3,8*103
Кобальт-60	5,27	-	3*10-13	3,5*10-8	1,4*101	3,7*102
Криптон-85	10,3	0,293			3,5*102	2,2*103
Стронций-90	29,12	5,77	4*10-14	4*10-10	5,7	4,5*101
Иод-129	1,57*10+7	-	2,7*10-14	1,9*10-10	3,7	1,1*101
Иод-131	8,04 сут	3,1	1,5*10-13	1*10-9	1,8*101	5,7*101
Цезий-135	2,6*10+6	6,4			1,9*102	6,3*102
Свинец-210	22,3	-	2*10-15	7,7*10-11	1,5*10-1	1,8
Радий-226	1600	-	8,5*10-16	5,4*10-11	8,6*10-3	4,5
Уран-238	4,47*10+9	-	2,2*10-15	5,9*10-10	2,8*101	7,3*10-1
Плутоний-239	2,4*10+4	-	3*10-17	2,2*10-9	9,1*10-3	5

Все вопросы защиты окружающей среды составляют единый научный, организационно-технический комплекс, который следует называть экологической безопасностью - это необходимая и достаточная защищенность экосистем и человека от вредных техногенных воздействий.

Обычно выделяют защиту окружающей среды как защищенность экосистем от воздействий АЭС при их нормальной эксплуатации и безопасность как систему защитных мер в случаях аварий на них. Как видно, при таком определении понятия "безопасность" круг возможных воздействий расширен, введены рамки для необходимой и достаточной защищенности, которые разграничивают области незначимых и значимых, допустимых и недопустимых воздействий. Отметим, что в основе нормативных материалов по радиационной безопасности (РБ) лежит идея о том, что слабейшим звеном биосферы является человек, которого и нужно защищать всеми возможными способами. Считается, что если человек будет должным образом защищен от вредных воздействий АЭС, то и окружающая среда также будет защищена, поскольку радиорезистентность элементов экосистем как правило существенно выше человека.

3. Радиационная безопасность АЭС

АЭС удовлетворяет требованиям безопасности, если ее радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду при нормальной эксплуатации и проектных авариях не приводит к превышению установленных доз облучения персонала и населения, нормативов по выбросам, сбросам и содержанию радиоактивных веществ в окружающей среде, а также ограничивает это воздействие при запроектных авариях.

Основные дозовые пределы облучения персонала в нашей стране соблюдаются на всех АЭС. Кроме того, уже в течение многих лет продолжается процесс снижения облучаемости персонала. В результате выполненных в 2004-2005 гг. организационных и технических мероприятий коллективные дозы персонала и командированных на АЭС лиц снизились по сравнению с 2003 годом примерно на 6%, а сначала переходного периода на новые, более жесткие, дозовые пределы (1996 г.) - в 2,1 раза.

За последние годы на АЭС с реакторами ВВЭР и БН достигнуты достаточно низкие уровни доз облучения, сравнимые с показателями АЭС наиболее развитых стран мира. Снижение доз облучения на АЭС с РБМК достигается за счет реализации специальной программы. Результатом выполнения мероприятий этой программы в течение последних двух лет стало снижение на АЭС с РБМК дозы облучения персонала примерно на 28%. Дальнейшее снижение облучаемости персонала АЭС будет определяться совершенствованием управления ремонтными работами посредством применения методологии ALARA, более широким использованием быстросъемных защитных экранов, электронных прямопоказывающих дозиметров, оптимизацией длительности ремонтов, численности персонала АЭС и т.д.

Фактические газоаэрозольные выбросы и жидкие сбросы АЭС в 2004-2005 гг., как и в предыдущие годы, значительно ниже установленных санитарными правилами допустимых значений. Систематические измерения концентрации радиоактивных веществ в атмосферном воздухе, в водоемах-охладителях, измерения активности почвы и растительности, продуктов питания в контрольных точках, расположенных на расстоянии до 50 км от АЭС, подтверждают отсутствие обнаружимого влияния работы АЭС на население и окружающую среду. При этом радиационный риск для населения, проживающего в районе расположения АЭС, находится в области безусловно приемлемого риска, что не требует проведения каких-либо дополнительных мероприятий по снижению активности радионуклидов в выбросах и сбросах атомных станций.

Поэтому одна из задач каждой АЭС - сохранение достигнутого уровня выбросов и сбросов. Анализ данных о дозах облучения персонала, выбросах и сбросах АЭС, а также о состоянии радиационной обстановки в районах расположения атомных станций подтверждает факт стабильного и надежного уровня эксплуатации энергоблоков АЭС, а также эффективность защитных барьеров на пути распространения радиоактивных веществ.

В 2004-2005 гг. атомные станции продолжали свою природоохранную деятельность по контролю воздействий АЭС на окружающую среду: выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу, сбросов ЗВ в водные объекты, образования и размещения опасных отходов (нерадиоактивных); рациональному природопользованию. Вклад атомных станций в загрязнение атмосферного воздуха ЗВ по сравнению со всеми отраслями народного хозяйства всегда был ничтожно малым. Доля АЭС в объеме ЗВ, выбрасываемых в атмосферный воздух всеми предприятиями России, уже на протяжении многих лет составляет менее 0,009 %.

Рис. 3. Выбросы загрязняющих веществ АЭС

АЭС являются крупными водопотребителями, поэтому вопросы водопотребления и водоотведения занимают одно из важных мест в их природоохранной деятельности. Практически вся забранная вода (99 %) на АЭС используется на производственные нужды - на охлаждение конденсаторов турбин и возвращается в водные объекты.

Контроль содержания ЗВ, поступающих в поверхностные водные объекты со сточными водами АЭС, проводится в соответствии с требованиями согласованного с природоохранными органами регламента и утвержденных норм предельно - допустимых сбросов (ПДС). На всех АЭС сточные воды перед сбросом в поверхностные водные объекты проходят систему очистки, контроль сбрасываемых ЗВ.

Все отходы, образующиеся на атомных станциях, относятся к отходам производства и потребления. Утилизация или захоронение отходов производится на специализированных предприятиях, либо на полигонах, принадлежащих АЭС. Обращение с отходами контролируются Экологическими службами атомных станций.

В 2004 году завершен независимый экологический аудит атомных станций. В заключениях экоаудиторов была дана положительная оценка соответствия деятельности АЭС природоохранному законодательству, нормам и правилам в этой области. Основная рекомендация - привести систему управления охраной окружающей среды (СУОС) на атомных станциях в соответствие с государственным стандартом ГОСТ Р ИСО 14001-98 и осуществить ее сертификацию.

Долгосрочное развитие атомной энергетики ставится общественностью в прямую зависимость от решения проблем обеспечения экологической безопасности с учетом как радиационных, так и нерадиационных факторов воздействия. Охрана окружающей среды, здоровье персонала и населения, рациональное использование природных ресурсов являются важнейшими задачами. Отсутствие на российских АЭС инцидентов и аварий, сопровождавшихся радиационными последствиями, загрязнением и негативным воздействием на окружающую среду, позволяет считать, что атомные станции являются предприятиями высокого уровня безопасности.

Особое внимание уделяется такому мероприятиям, как накопление, хранение, перевозка и захоронение радиоактивных отходов деятельности АЭС, содержащих радиоактивные вещества которые регламентируются следующими документами:

СПОРО-85 Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами. Москва: Министерство здравоохранения СССР, 1986;

Правила и нормы по радиационной безопасности в атомной энергетике. Том 1. Москва: Министерство здравоохранения СССР (290 страниц), 1989; ОСП 72/87 Основные санитарные правила.

4. Захоронение опасных ядерных отходов

В результате своей деятельности ядерная промышленность порождает ядерные отходы. Технологии уменьшения объема отходов и их сокращения, а также высокий профессионализм персонала - все это способствуют непрерывному продолжению процесса минимизации произведенных отходов, что является ключевым принципом стратегии управления отходами.

Проблема отходов в том понимании, как она воспринимается, в основном относится к долгоживущим отходам среднего и высокого уровня активности (долгоживущие ILW/HLW), которые в настоящее время содержатся и размещаются во временных хранилищах. Технические решения для сдерживания и удаления долгоживущих отходов были разработаны в целом ряде стран. Они обеспечивают преобразование отходов в стабильную, безопасную форму, которая обеспечивает сдерживание, а затем изоляцию полученной формы отходов от окружающей среды благодаря использованию разнообразных барьеров.

К сожалению, ядерная энергетика продолжает накапливать проблемы долгосрочного обращения с радиоактивными отходами. Это проблема ближайшего настоящего и будущего, т.к. радиоактивные отходы требуют изоляции и большого пространства для хранения. В будущем должны быть найдены способы максимальной концентрации отходов в малом объеме и способы их утилизации, иначе наша планета превратится в ядерную свалку.

Радиоактивные отходы на атомной станции находятся в твердой, жидкой и газообразной формах. Твердые материалы включают в себя облученное ядерное топливо и низкоактивные отходы, такие как смолы водоочистки или рабочая одежда. Жидкие отходы содержат тритий - охлаждающая реактор вода, в которой радиоактивные элементы либо растворены, либо находятся в виде взвесей. Газообразные продукты в основном содержат радиоактивные инертные газы (криптон, ксенон, иод).

Любые жидкие отходы обычно переводятся в твердое состояние посредством выпаривания жидкой компоненты и смешиванием с матрицей, формирующей сплав. Этой матрицей обычно является боросиликатное стекло (например, PYREX), а сам этот процесс известен как остекловывание. Твердые отходы в дальнейшем упаковываются в стальные контейнеры для безопасного хранения, транспортировки и изоляции. В тех случаях, когда отходы остаются в виде стержней отработанного топлива, сборки могут герметизироваться в стальных контейнерах, которые иногда обшиваются медью. В обоих случаях контейнерам затем придают форму, которая может размещаться глубоко под землей, в горной выработке.

Отходы низкой активности захораниваются на территории АЭС. Отходы средней и высокой активности захораниваются в централизованных хранилищах на длительное время. Принимаемые меры по очистке и локализации твердых, жидких и газообразных отходов позволяют обеспечить надежную защиту окружающей среды от радиоактивного заражения при эксплуатации АЭС.

Следует отметить, что хотя предприятия ядерного топливного цикла и производят различные отходы, они, тем не менее, не являются промышленными «выбросами» в традиционном понимании этого слова. Их надежное хранение и размещение обеспечивает безопасность. Фактически атомная энергетика - единственная отрасль промышленности, которая берет полную ответственность за все свои отходы и полностью оплачивает расходы по их содержанию и утилизации.

Сейчас в мире имеется два различных подхода к вопросу об обращении с радиоактивными отходами: первый заключается в переработке отработанного топлива с целью отделения высокоуровневых отходов с их последующим остекловыванием (или битумированием) и захоронением, а второй - в прямом захоронении отработанных тепловыделяющих элементов вместе с содержащимися в них отходами высокого уровня радиации. В России созданы технологии и реализуется первый метод обращения с ОЯТ. Переработка предотвращает излишний расход ценных ресурсов, потому что в своем большинстве отработанное топливо содержит до 1 процента делящегося изотопа U-235 и несколько меньшее количество плутония.

4.1 Откуда появляются отходы?

Для каждого типа накопителей (хвосто- и шламохранилища, накопители производственных сточных вод, пруды-отстойники, накопители-испарители) определены требования по защите от загрязнения почвы, подземных и поверхностных вод, по снижению концентрации вредных веществ в воздухе и содержанию опасных веществ в накопителях в пределах или ниже ПДК.

Схема, приведенная ниже, показывает различные сектора, включенные в ядерный топливный цикл.

Рис. 4. Сектора, включенные в ядерный топливный цикл

Строительство новых накопителей промышленных отходов допускается только в том случае, когда представлены доказательства того, что не представляется возможным перейти на использование малоотходных или безотходных технологий или использовать отходы для каких-либо других целей.

Далее акцентируем внимание на отходах, которые нельзя отнести к стандартным выбросам и которые требуют хранения и удаления после обработки.

Добыча. Рудничные хвосты, остающиеся в процессе добычи и дробления, - основные отходы от добычи. После завершения действий, связанных с добычей методом открытой разработки, отходы в большинстве случаев помещаются назад в карьер, откуда была первоначально извлечена урановая руда, а участок реабилитируется для повторного использования. Там, где это невозможно, используются специально спроектированные хвостохранилища по обращению с отходами горных выработок, выведенных из эксплуатации, а участок будет восстанавливаться до тех пор пока не будет гарантировано превращение этого хранилища в долговременную стабильную структуру.

Производство топлива. Процесс производства топлива включает три фазы, а именно конверсию, обогащение и изготовление топлива. Небольшие количества жидких и твердых отходов, содержащих уран, производятся в течение обогащения урана и изготовления топлива. Обедненный уран, остающийся после обогащения, обыкновенно восстанавливается. Он повторно используется (с рециклируемым плутонием) для изготовления смешанного оксидного топлива и разбавления высоко обогащенного урана от демонтированного оружия, который теперь используется для реакторного топлива. Производятся небольшие объемы отходов, которые упаковываются для хранения и удаления. Отходы, сгенерированные от этих действий, в общем случае классифицируются как долгоживущие отходы низкого или промежуточного уровня активности.

Реакторы. Отходы высокого уровня активности (HLW) - основной источник отходов в пересчете на активность, возникающий в результате использования ядерных реакторов для производства электроэнергии. Высокорадиоактивные продукты деления и трансурановые элементы нарабатываются из урана и плутония в течение всего срока эксплуатации реактора и содержатся в основном в составе отработанного топлива. В тех странах, где исповедуется замкнутый ядерно-топливный цикл и применяется процесс переработки материалов, содержащихся в отработанном топливе, продукты деления и трансурановые элементы отделяются от урана и плутония и обрабатываются как HLW (а уран и плутоний повторно используются как топливо в реакторах). В странах, где отработанное топливо не перерабатывается, само отработанное топливо рассматривается как отходы и поэтому классифицируется в качестве HLW.

Отходы низкого и промежуточного уровня активности образуются в результате операций по очистке систем охлаждения реактора и водоемов хранения топлива, дезактивации оборудования, фильтров и металлических компонентов, которые стали радиоактивными в результате их использования в реакторе или возле него.

Стандартный большой реактор на легкой воде (1 ГВт (э)) производит ежегодно 200-350 м3 отходов низкого и промежуточного уровня. В случае, когда отработанное топливо рассматривается в качестве отходов, производится ежегодно 20 м3 (30 тонн) высокоактивных отходов (HLW), что соответствуют объему в 75 м3 для удаления после формирования пакета. Когда тот же самый объем отработанного топлива перерабатывается, то производится лишь 3м3 остеклованных отходов (стекла), что эквивалентно объему в 28 м3 после размещения в ёмкостях для удаления.

Переработка. Продукты деления и трансурановые элементы, содержащие долгоживущие радиоактивные изотопы - основные отходы от переработки. После их отделения от урана и плутония (процесс PUREX) в отработанном топливе (уран и плутоний после этого повторно используются как топливо в реакторах) продукты деления и трансурановые элементы остекловываются в боросиликатном стекле и инкапсулируются для хранения в контейнеры из нержавеющей стали. Для возможного захоронения глубоко под землей в настоящее время предусматривается, что эти контейнеры будут иметь дополнительное внешнюю оболочку (наружный контейнер) в виде больших стальных бочек.

Вывод из эксплуатации. После закрытия ядерной установки здания и сооружения, в которых она размещается, прежде всего, дезактивируются и демонтируются. В случае вывода из эксплуатации ядерных реакторов сначала удаляется все отработанное топливо, составляющее 99 % радиоактивности реактора. Большая часть отходов, образующихся при выводе из эксплуатации, являются отходами низкого уровня активности, а именно являются следствием поверхностного загрязнения внутренних поверхностей рассматриваемых объектов. Отходы промежуточного уровня активности также образуются при демонтаже внутренних конструкций реактора.

Много отходов при выводе из эксплуатации ядерных установок образуется при демонтаже строений, находящихся в пределах ядерной установки, но не подвергавшихся воздействию радиации или радиоактивных материалов, например, газотурбинного зала и административных зданий. Эти сооружения выводятся из эксплуатации с использованием обычных методов, а образовавшиеся при этом отходы после переработки могут повторно использоваться или вывозиться на общегородские свалки мусора.

4.2 Обращение с отходами

Процессы обработки и кондиционирования используются для трансформации радиоактивных отходов в формы, подходящие для последующего обращения с ними, например, перевозки, хранения и окончательного удаления. Защита людей и окружающей среды от радиации и возможной дисперсии радиоактивных материалов - самые важные приоритеты промышленности.

Основные цели состоят в том, чтобы минимизировать объем отходов, для которых требуется обращение через процессы обработки и уменьшить потенциальную опасность отходов путем их кондиционирования в устойчивые твердые формы, которые фиксируют их в неподвижном состоянии и обеспечивают их сдерживание, гарантируя безопасное обращение с отходами в течение их перевозки, хранения и окончательного удаления.

Необходимо отметить, что выбор используемых процессов зависит от уровня активности и типа (классификации) отходов. Политика в области обращения с ядерными отходами каждой страны и ее национальные нормативы также влияют на принятый подход.

Уплотнение - зрелая, высокотехнологичная и надежная технология уменьшения объема, которая используется при переработке РАО, главным образом, при обращении с твердыми промышленными отходами низкого уровня активности (LLW). Некоторые страны (Германия, Великобритания и США) также используют эту технологию для уменьшения объема промышленных отходов промежуточного уровня активности ILW/трансурановые (TRU). Диапозон установок для уплотнения может быть достаточно широк: от систем уплотнения с низкой силой давления (~5 тонн или выше) до прессов с силой уплотнения более 1000 тонн, которые называются суперуплотнителями. Коэффициенты уменьшения объема обычно находятся между 3 и 10, в зависимости от обрабатываемых отходов.

Уплотнение с низкой силой давления осуществляется на гидравлических или пневматических прессах для сжатия отходов в подходящие для этого контейнеры, например, металлические бочки емкостью в 200 литров. Для достижения суперуплотнения большой гидравлический пресс сминает непосредственно металлическую бочку или другой приемный резервуар, содержащий различные формы твердых отходов низкого или промежуточного уровня активности (LLW или ILW). Металлическая бочка или контейнер удерживается в пресс-форме в течение уплотняющего хода суперуплотнителя, который до минимума уменьшает наружный размер бочки или контейнера. Сжатая металлическая бочка затем снимается с пресс-формы, и процесс повторяется. Две или больше смятых бочек, также называемые таблетками, затем герметизируются внутри контейнера для промежуточного хранения и/или окончательного удаления.

По своей конструкции установка суперуплотнения может быть передвижной или стационарной, снабженной как базовой системой ручного управления, с минимумом вспомогательного оборудования, так и детально разработанной системой компьютерного управления, которая выбирает металлические бочки, предназначенные для обработки, измеряет вес и уровни излучения, сжимает бочки, размещает сжатые бочки в наружные контейнеры, герметизирует наружные контейнеры, записывает данные о содержании бочек и наружных контейнеров в автоматизированные системы памяти.

Технология сжигания (прокаливания) в основном используется для уменьшения объема горючих отходов низкого уровня активности. Это - технология, которая является также предметом беспокойства населения во многих странах, поскольку местных жителей волнует проблема образующихся при сжигании выбросов в атмосферу. Тем не менее, эта технология может использоваться для обработки как жидких, так и твердых отходов - древесины, бумаги, одежды, резины, а также органических отходов. Пока она используется согласно строгим нормам, установленным для выбросов в атмосферу.

Современные системы сжигания - хорошо спроектированные, высоко технологичные процессы, разработанные для полного и эффективного сжигания отходов с минимальным количеством выделений. После отделения горючих отходов от негорючих составных частей, отходы сжигают (прокаливают) в специально спроектированной печи для обжига и сушки при температуре до ~1000oC. Любые газы, выделившиеся во время прокаливания, обрабатываются и отфильтровываются до их выпуска в атмосферу и должны контролироваться на предмет соответствия международным эталонам и национальным нормам выпуска выбросов в атмосферу.

После прокаливания остается зола, которая содержит радионуклиды, для нее может потребоваться дальнейшее кондиционирование вплоть до удаления, например, посредством цементирования или битуминизации. Если это будет рентабельно, для дальнейшего снижения объема зольных отходов может также использоваться технология уплотнения. Достигнуты коэффициенты снижения объема вплоть до 100 в зависимости от плотности отходов.

Цементирование с помощью жидких цементных растворов, приготовленных по специальным рецептам, позволяет обеспечивать иммобилизацию радиоактивных материалов, находящихся в твердом виде, в виде ила и осадков/гелей или активированных материалов.

Как правило, твердые отходы помещаются в контейнеры. Затем в этот контейнер заливается жидкий цементный раствор, где он и схватывается. Далее контейнер с теперь уже монолитным блоком бетона / отходов пригоден для хранения и удаления. В случае если отходы находятся в виде ила и хлопьев, в контейнер, куда они помещаются, добавляется порошковая цементная смесь. Эти два компонента смешиваются внутри контейнера и оставляются для схватывания бетона, также как и при обращении с отходами в твердом виде.

Этот процесс использовался, например, для отходов среднего уровня активности в небольших бочках из-под нефтепродуктов и в 500-литровых контейнерах, затем его применение было расширено на половину контейнеров ISO (Международная организация по стандартизации) для отходов низкого уровня активности.

Связывание отходов высокого уровня активности (HLW) требует формирования нерастворимых, твердых форм, которые останутся устойчивыми в течение многих тысяч лет. В основном в качестве среды для размещения HLW выбирается боросиликатное стекло. Стабильная сохранность стекла с античных времен на протяжении тысячелетий подтверждает мысль о пригодности боросиликатного стекла в качестве материала для такой матрицы.

Этот технологический процесс, называемый остекловыванием, также был применен для отходов низкого уровня активности, там, где тому соответствовали тип отходов или уровень экономики.

Наиболее высокоактивные отходы образуются в жидкой форме после переработки отработанного топлива. Чтобы внедрить эти отходы в стеклянную матрицу, их первоначально прокаливают (высушивают), переводя в твердую форму. В таком виде их затем добавляют в расплавленное стекло, находящееся в нержавеющем контейнере, и охлаждают, создавая твердую матрицу. Контейнеры затем закрываются сваркой и готовятся для хранения и окончательного удаления.

Остекловывание на месте (in-situ) было опробовано в качестве меры «фиксации» радиоактивности в загрязненной почве, а также для создания барьера, предотвращающего дальнейшее распространение загрязнения. Подобный процесс в настоящее время используется во Франции, Японии, ряде стран бывшего Советского Союза, Великобритании и США и считается предпочтительным процессом для обращения с отходами высокого уровня активности (HLW), возникающими при переработке отработанного топлива.

4.3 Способы хранения ядерных отходов

Сегодня практика безопасного обращения осуществляется или планируется для всех категорий радиоактивных отходов.

1) Отходы очень низкого уровня активности (LLW) и большая часть отходов среднего уровня активности (ILW), которые составляют большую часть производимых отходов (97%), содержащих радионуклиды с коротким периодом полураспада безопасно удаляются в приповерхностные хранилища во многих странах, для того чтобы не причинять вреда или риска в долгосрочной перспективе.

Приповерхностные захоронения на уровне земли. Эти захоронения находятся на или ниже поверхности, где толщина защитного покрытия составляет примерно несколько метров. Контейнеры с отходами размещаются в построенных камерах для хранения, и когда камеры заполняются, они забутовываются (засыпаются). В конечном счете, они будут закрыты и покрыты непроницаемой перегородкой и верхним слоем почвы.

Приповерхностные захоронения в пещерах ниже уровня земли. Захоронение располагается на глубине нескольких десятков метров ниже поверхности земли и доступно через слабонаклонную горную выработку.

На эти захоронения могут воздействовать долгосрочные изменения климата (например оледенение), и этот эффект должен приниматься во внимание при рассмотрении аспектов безопасности, так как такие изменения способны вызывать разрушение этих захоронений.

2) Существуют технологии для окончательного захоронения наиболее высокоактивных отходов (HLW), и они успешно развиваются в ряде стран. Отходы высокого уровня активности (HLW) в настоящее время безопасно помещаются в контейнеры и размещаются во временных хранилищах, которые в настоящее время позволяет обеспечивать надлежащую безопасность окружающей среды.

Временные хранилища. Специально разработанные временные поверхностные или приповерхностные хранилища отходов используются, чтобы обеспечить безопасное хранение радиоактивных отходов до того момента, когда станет возможным долговременное обращение с отходами и их хранение.

3) В долгосрочной перспективе, однако, требуются соответствующие меры по удалению HLW, обусловленные их длительной радиоактивностью. Технологические решения по удалению, являются безопасными, экологически приемлемыми и допустимыми с точки зрения общественности. Одним из таких рассматриваемых является глубокое геологическое захоронение.

Глубокое геологическое захоронение. Продолжительный масштаб времени, в течение которого некоторые из отходов остаются радиоактивными, привел к идее глубокого геологического захоронения в подземных хранилищах в устойчивых геологических формациях. Изоляция обеспечивается комбинацией инженерных и естественных барьеров (горная порода, соль, глина), при этом никаких обязательств по активному обслуживанию такого захоронения не передается будущим поколениям. Этот метод часто называют многобарьерной концепцией с учетом того, что упаковка отходов, инженерное оборудование хранилища и сама геологическая среда - все это обеспечивает барьеры по предотвращению достижения радионуклидами людей и окружающей среды. Хранилище включает в себя пройденные в горных породах туннели или пещеры, в которых размещаются упакованные отходы.

Важнейшей гарантией безопасности при транспортировке ядерных материалов является способ их упаковки. Контейнеры, в которых хранятся отходы во время транспортировки, разработаны так, чтобы гарантировать экранирование от радиации и сдерживание отходов даже в условиях самых экстремальных аварий.

Заключение

Стремительное развитие техники и технологии остановить нельзя и внедрение атомной энергетики является неизбежным процессом в рамках настоящего исторического развития общества. Замена органического топлива ядерным решит еще одну глобальную экологическую проблему, связанную с нарастающим загрязнением окружающей среды, уменьшением доли кислорода в воздухе и парниковым эффектом, возникшей при использовании в качестве топлива нефти, мазута, угля.

Сегодня для ядерно-энергетического комплекса России характерным является наличие проблем в области экологии, таких, как накопление радиоактивных материалов, постоянно растущий объем отработанного ядерного топлива атомных электростанций и радиоактивных отходов, утилизация реакторов атомных подводных лодок и пр.

Все это заставляет направить все силы и средства на поиск новых технологий радиационной защиты человека, кардинального решения проблемы захоронения отходов атомных станций, разработки технологий добычи и производства для использования топлива на АЭС, поиск крупных научно-технических программ исследований по безопасности, в рамках которых анализируются возможные отказы оборудования АЭС, их последствия, а также способы их предотвращения.

Захоронение радиоактивных отходов должно осуществляться на специальных полигонах. Такие полигоны должны находиться в большом удалении от населенных пунктов и крупных водоемов. Очень важным фактором защиты от распространения радиации является тара, в которой содержатся опасные отходы, так как ее разгерметизация или повышенная проницаемость может оказывать отрицательное воздействие опасных отходов на экосистемы.

Важным условием является и разработка экономической технологии обезвреживания радиоактивных отходов, проблемы уменьшения тепловых выбросов в окружающую среду, уточнение количественных оценок последствий (риска) воздействия радиации на живой организм.

Список использованной литературы

1. Бадев В.В., Егоров Ю.А., Казаков С.В. «Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС». - М.: - Энергоатомиздат, 2002.

2. Израэль Ю.А. «Проблемы всестороннего анализа окружающей среды и принципы комплексного мониторинга». - Ленинград, 1999.

3. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Культура и спорт. ЮНИТИ, 2000.

4. Кормилицын В.И., Цицкишвили М.С., Яламов Ю.И. «Основы экологии», изд-во «Интерстиль», М.: 1999.

5. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000.

6. Никитин Д., Новиков Ю. «Окружающая среда и человек». - М, 1986.

7. www.rosatom.ru

8. www.minatom.ru