Переработка и утилизация отработанного топлива атомных АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «Белорусский государственный экономический университет»

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Реферат

по дисциплине: Защита населения и объектов от чрезвычайных ситуаций. Радиационная безопасность

на тему: Переработка и утилизация отработанного топлива атомных АЭС

Студент

ФВШУБ, 3 курс, ВВП-1

В.М.Красинский

Проверил

Г.Л. Ермоленко

Минск 2012

Содержание

Введение

1. Что такое отработавшее ядерное топливо

2. Переработка отработанного ядерного топлива

3. Высокоуровневые отходы после переработки

4. Размещение и хранение отработанного топлива

5. Размещение и хранение отходов

6. Когда возникла проблема обращения с ОЯТ

Заключение

Список литературы

Введение

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду, они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.

Центральной темой данной работы станет знакомство с радиоактивными отходами современного производства и АЭС в частности. Будут рассмотрены некоторые моменты, связанные с принципами работы с ядерными отходами. Будет дано краткое описание технологий захоронения ядерных отходов. Так же будут затронуты моменты, связанные с захоронением отходов на территории Российской Федерации и освещенные СМИ.

Особенно острой проблема утилизации и захоронения РАО атомных электростанций становится в настоящее время, когда наступает время демонтажа большинства АЭС в мире (по данным МАГАТЭ, это более 65 реакторов АЭС и 260 реакторов, использующихся в научных целях). Несомненно, что самый значительный объем РАО образовался на территории России в результате реализации военных программ на протяжении более 50 лет. Во время создания и совершенствования ядерного оружия одной из главных задач была быстрая наработка ядерных делящихся материалов, дающих цепную реакцию. Такими материалами являются высокообогащенный уран и оружейный плутоний. На Земле образовались самые большие наземные и подземные хранилища РАО, представляющие огромную потенциальную опасность для биосферы на многие сотни лет.

1. Что такое отработавшее ядерное топливо

Если кратко, то это уран, поработавший в ядерном реакторе и содержащий радиоактивные продукты деления. Поэтому его называют также облученным, или выгоревшим, ядерным топливом. В общепринятом смысле топливо - это то, что горит, то есть дрова, уголь, нефть, газ. Горение - это химическая реакция соединения какого-либо вещества с окислителем (в приведенных примерах - углеводородных соединений с кислородом), протекающая с интенсивным выделением тепла. Именно горение применяют в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. На этой «огневой» энергетике в основном и базируется современная цивилизация. Совсем по-другому «горит» ядерное топливо. Уран выделяет тепло в результате не химической, а физической реакции - деления, для протекания которой не требуется ни кислород, ни иной окислитель. При каждом акте деления тяжелого ядра урана-235, инициируемом поглощением медленного нейтрона, образуются 2, а иногда 3 более легких ядра и несколько быстрых нейтронов. Будучи положительно заряженными, эти ядра с огромными скоростями разлетаются в разные стороны и, сталкиваясь с окружающими атомами, передают им свою кинетическую энергию, то есть нагревают вещество. Существует два типа отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Первый - природная смесь изотопов урана, которая длительно облучалась в промышленном реакторе с целью накопления оружейного плутония. Второй - тепловыделяющие сборки энергетических реакторов, содержащие ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы) из обогащенного урана, выгорание которого достигло технологического предела из-за накопления продуктов деления.

ОЯТ всегда содержит три компонента:

* Невыгоревший уран;

* Продукты деления урана;

* Трансурановые элементы;

Стоит ли считать ОЯТ радиоактивными отходами (РАО) или нет? Чем ОЯТ отличается от «свежего» ядерного топлива.

«Свежим» называют ядерное топливо до загрузки его в реактор, отработавшим - то же топливо, но после облучения. Главное отличие ОЯТ от «свежего» топлива - огромная радиоактивность, обусловленная накопленными продуктами деления. Для «свежего» ядерного топлива характерна очень малая радиоактивность. Настолько слабая, что при изготовлении блочков из литого естественного урана нет необходимости использовать противорадиационную защиту персонала. А вот ОЯТ, напротив, - один из самых радиационно-опасных объектов ядерного топливного цикла. Даже кратковременное пребывание человека вблизи ОЯТ, выгруженного из ядерного реактора, неизбежно сопровождается очень высокими дозами облучения. Поэтому любые операции с ОЯТ осуществляют только дистанционно, с использованием мощной экранирующей защиты от проникающих ионизирующих излучений.

топливо ядерный утилизация атомный электростанция

2. Переработка отработанного ядерного топлива

Радиоактивные отходы (РАО) образуются на всех технологических этапах ядерного топливного цикла -- при добыче и переработке урановой руды, при изготовлении и использовании ядерного топлива, регенерации облученного топлива, вывода из эксплуатации ядерных объектов. По данным Международного агентства по ядерной энергии (МАГАТЭ) ныне в 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора, на которых вырабатывается электроэнергия. На долю США, Франции и Японии приходится 49% всех АЭС и 57% всей «ядерной» электроэнергии.

В настоящее время ни одна из стран не перешла к использованию технологий, позволяющих полностью решить проблему обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Сложность проблем обращения с ОЯТ вызвана, в первую очередь, высокой активностью, достигающей миллионов кюри на тонну, значительным тепловыделением после выгрузки из реактора, наличием в составе отработавшего топлива значительного количества делящихся веществ. Серьезную опасность представляет также токсичность некоторых радионуклидов, содержащихся в составе ОЯТ. К 2006 году, по оценкам МАГАТЭ, в мире было накоплено более 200 тыс. тонн отработанного ядерного топлива. Ежегодно к ним добавляется еще 10-12 тыс. тонн.

В настоящее время стратегия складирования ОЯТ принята, в частности, Министерством энергетики США. США избрали стратегию отсроченной (на 50-70 лет) утилизации выгруженного и выгружаемого из 107 американских АЭС ядерного топлива, приступив к сооружению глубинного федерального хранилища ОЯТ, рассматриваемого как стратегический государственный запас. Другие страны с развитой ядерной энергетикой (Великобритания, Россия, Франция, Япония) в том или ином виде осуществляют переработку ОЯТ, выделение урана, плутония изготовление из переработанных материалов топливных элементов, их повторное использование в легководных реакторах, составляющих основу мировой ядерной энергетики.

Необходимость переработки исчерпанного ядерного топлива обусловлена:

· возможностью регенерирования неиспользованного урана и плутония в отработанных тепловыделяющих элементах;

· возможностью уменьшения количества высокоуровневых радиоактивных отходов.

Обычно отработанное топливо содержит до 1% U-235 и несколько меньшее количество плутония, поэтому переработка экономит ресурсы, предотвращая нерациональный расход ценных материалов. Переработка позволяет повторять ядерный цикл в свежих тепловыделяющих элементах, сохраняя, таким образом, приблизительно до 30% естественного урана. Это смешанное оксидное топливо - важный ресурс (смешанное - потому что окись урана смешивается с продуктом переработки отработанного ядерного топлива).

Выделяемые при переработке высокоуровневые отходы, преобразуются в компактные, устойчивые, неразрушимые твердые капсулы, которые удобнее хранить, чем объемистые отработанные тепловыделяющие элементы.

На сегодняшний день более 75 000 тонн отработанного ядерного топлива от гражданских энергетических реакторов уже подвергнуто повторной обработке, а ежегодный объем переработки составляет около 5 000 тонн.

Отработанные топливные сборки, удаленные из реактора, очень радиоактивны и выделяют тепло. Поэтому их помещают в большие резервуары, наполненные водой ("бассейны выдержки"), которая охлаждает их, а трехметровый слой воды поглощает опасное излучение. В таком состоянии они остаются (непосредственно в реакторном отделении или на перерабатывающем заводе) в течение нескольких лет, пока уровень радиоактивности значительно уменьшится. Для большинства видов ядерного топлива его переработка начинается, приблизительно, через пять лет после выгрузки из реактора.

Обычный легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно, приблизительно, до 25 тонн исчерпанного топлива. После предварительного охлаждения оно может транспортироваться в специальных защитных контейнерах, которые вмещают лишь несколько (пять - шесть) тонн отработанного топлива, но сами весят до 100 тонн (за счет защиты). Транспортировка отработанного топлива и других высокоуровневых отходов жестко регламентируется специальными правилами, обеспечивающими максимальную безопасность для людей и окружающей среды.

Переработка отработанного оксидного топлива начинается с растворения тепловыделяющих элементов в азотной кислоте. После этого производят химическое разделение урана и плутония. Pu и U могут быть возвращены к началу топливного цикла (уран - на завод для дообогащения, а плутоний - непосредственно на предприятия по изготовлению топлива). Остающаяся жидкость после удаления Pu и U представляет собой высокоуровневые отходы, содержащие примерно 3% исчерпанного топлива. Радиоактивность этих отходов высока, и они продолжают выделять много тепла.

3. Высокоуровневые отходы после переработки

Высокоуровневые отходы содержат продукты деления и некоторые трансурановые элементы, которые активно испускают альфа-, бета- и гамма-излучение и выделяют много теплоты (теплота выделяется, главным образом, от продуктов деления). Поэтому, несмотря на их малое количество, высокоуровневые отходы представляют значительную опасность и требуют большой осторожности в обращении, размещении и хранении.

Если учесть, что потребляемая мощность электроэнергии, произведенной на атомных электростанциях, в расчете на одного человека составляет, примерно, один киловатт, то на каждого из нас ежегодно приходится примерно по 20 мл высокоуровневых отходов от переработки. После бетонирования, остекловывания или битумирования это количество занимает объем не более одного кубического сантиметра, т.е. в расчете на одного человека ядерная энергетика производит 1 см3 отходов в год. Не очень много, хотя хранить их приходится в особых условиях.

Жидкие отходы, произведенные на перерабатывающих заводах, временно хранятся в охлаждаемых многостенных резервуарах из нержавеющей стали, внутри железобетонных защитных корпусов. Перед окончательным захоронением их преобразуют в компактные, химически инертные твердые частицы. Делается это с помощью бетонирования или остекловывания. Затем эту массу помещают в большие резервуары из нержавеющей стали, вмещающие до 400 кг. Крышка резервуара надежно заваривается. Ежегодные отходы от эксплуатации одного реактора мощностью 1000 МВт содержатся в 5 тоннах такой массы (это приблизительно двенадцать резервуаров высотой 1,3 метра каждый и диаметром 0,4 метра). В Великобритании, например, они хранятся в бункерах глубоко под землей в вертикальном положении.

Обработка таких материалов требует обязательного использования специальных мер, гарантирующих безопасность персонала. Как и во всех производствах, где присутствует гамма-излучение, самый простой и дешевый способ предохранения - это дистанция (к примеру, увеличение расстояния до источника излучения в десять раз уменьшает экспозиционную дозу).

Для транспортировки высокоуровневых отходов (или отработанных топливных сборок) используются специальные прочные контейнеры. Они разработаны таким образом, что выдерживают все возможные аварийные ситуации, сохраняя целостность защиты от радиоактивного излучения. Высокие требования, предъявляемые к конструкциям таких контейнеров, делают практически невозможным их повреждение даже с помощью взрывчатых веществ и поэтому они совершенно непривлекательны для попыток террористического нападения (хлопот много, а толку - нет, поскольку извлечь радиоактивные материалы без специальных сложных технологий невозможно).

4. Размещение и хранение отработанного топлива

Мы уже говорили, что все высокоактивные отходы, предназначенные для захоронения, должны находиться в устойчивом к разрушению виде: переработанные отходы забетонированы или остеклованы, а предназначенное для хранения необработанное топливо всегда изготавливается в очень устойчивой керамической форме UO2. При непосредственной работе с отработанным ядерным топливом или извлекаемыми из него отходами важно знать степень его опасности. Поэтому в нем всегда следует контролировать уровни тепловыделения и радиоактивности. Например, спустя сорок лет после выгрузки топлива из реактора, в нем остается менее одной тысячной доли начального уровня радиоактивности, и с таким материалом намного легче обращаться

Эта особенность отличает отходы атомной промышленности от химических отходов, которые всегда остаются опасными. Чем дольше хранятся отходы атомной промышленности, тем менее опасными они становятся, и тем проще подвергать их последующей обработке.

Некоторое время после выгрузки из реактора все отработанное топливо хранится в месте расположения реактора (это является частью топливного цикла). В дальнейшем отработанное топливо перемещают из бассейнов выдержки или сухих хранилищ на государственные склады промежуточного хранения. Здесь отработанное топливо ожидает своего окончательного захоронения.

Рис.1 Уменьшение уровня радиоактивности в 1т. отработанного ядерного топлива

5. Размещение и хранение отходов

Независимо от того, остеклованы ли высокоактивные отходы после переработки, или они находятся в отработанных топливных сборках, ими необходимо распорядиться самым безопасным образом. Это означает, что после захоронения отходы не должны подвергаться каким-либо внешним воздействиям. Комитет по управлению радиоактивными отходами при Агентстве по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) указал принципы геологического размещения радиоактивных отходов исходя из экологических и этических перспектив. При этом особенно подчеркивались интересы следующих поколений.

В 1995 году Комитет установил, что геологические хранилища для долгоживущих радиоактивных отходов должны изолировать их от биосферы в течение более нескольких сот лет, не исключая при этом возможности применения иных технологий, которые могли бы появиться на более поздних стадиях.

При этом учтено, что:

· Выделенные радиоактивные отходы (или отработанное ядерное топливо) находятся в устойчивой и нерастворимой форме.

· Эти отходы помещены в массивные сосуды из нержавеющей стали, или коррозионно-стойкие резервуары (стальные или медные).

· Они геологически изолируются.

Большинство стран, имеющих собственные ядерные программы, активно ищут соответствующие места для размещения отходов. Цель такой работы в том, чтобы найти места размещения, обладающие множеством барьеров между местом захоронения и средой обитания человека. Некоторые из барьеров, как естественные, так и рукотворные, таковы:

· Нерастворимая форма отходов.

· Герметичное хранение в коррозионно-стойких емкостях.

· Бетонирование отходов для исключения воздействия на них грунтовых вод и возможных разрушений при подвижках земной коры.

· Размещение глубоко под землей (на глубине более 500 метров) в стабильных геологических структурах.

Обычно для размещения отходов выбирают два типа геологических пород: твердые кристаллические скальные породы, или залежи каменной соли. Такие места есть в нескольких странах. Подземные шахты под захоронение строят с помощью обычной горнодобывающей техники. Хранилища для резервуаров с радиоактивными отходами отделяют друг от друга или располагают на различных уровнях. Задачи инженерного проектирования, контроля температурных режимов и напряжений грунта осуществляют хорошо отработанными и проверенными в обычной геологии методами. Это обеспечивает выполнение подобных работ с очень высоким качеством и требуемым уровнем безопасности. Задачи обеспечения эффективной изоляции опасных материалов также не являются новыми; методы их решения хорошо отработаны.

Вопрос геологической стабильности земных пород очень важен для обеспечения долгосрочной целостности хранилища отходов. На земном шаре имеется множество геологических структур, которые устойчивы уже на протяжении более 4,5 миллиардов лет, и вероятность существенных смещений пород в течение периода хранения (более тысячи лет) для таких местах близка к нулю.

Хотя и предполагается, что глубокое геологическое размещение отходов атомной промышленности будет постоянным, будущие поколения их смогут использовать, если такая необходимость возникнет.

Чтобы окончательно оценить вредность и опасность радиоактивных отходов, сравним токсичность отходов атомной промышленности и ядовитых отходов, возникающих на современных индустриальных предприятиях каждый день. Например, мышьяк обычно находится в окружающей среде, входя в состав гербицидов. Ртуть есть в самом разном оборудовании, в том числе в люминесцентных лампах, которые так легко сломать, не обращая внимания на совершенно реальную опасность отравления. В отличие от отходов атомной промышленности мышьяк и ртуть имеют неограниченный срок токсичности. Даже достаточно широко используемые барий и хлор представляют гораздо большую опасность, чем отходы атомной промышленности (если учесть их реально используемые количества).

Можно утверждать, что придет время, когда хранение высокоактивных отходов будет совершенно безопасным. В момент извлечения из реактора радиоактивные отходы очень токсичны, но при этом: 1) их количество мало, 2) они не более опасны, чем другие, более знакомые нам, материалы. Несмотря на это, факт существования радиоактивных отходов породил синдром "где угодно, но только не у меня во дворе". При этом не учитывается, что методы безопасного их хранения разработаны как никакие другие. Мы с легкостью принимаем экономическую выгоду и пользу от современных технологий, но при этом предпочитаем чтобы кто-то другой имел дело с их отходами.

6. Когда возникла проблема обращения с ОЯТ

В полный рост эта проблема встала в период создания в СССР ядерного оружия в конце 1940-х годов. Она была успешно разрешена в результате проектирования и сооружения первого в СССР радиохимического завода (РХЗ) большой производительности на Урале, в городе Челябинск-40, на базе № 10, известной теперь как комбинат «Маяк». Исходная задача комбината состояла в получении оружейного плутония, но вся цепочка химических реакций, отделяющих разные элементы друг от друга, естественно, пригодна и для переработки ОЯТ с атомных электростанций. По сходной схеме работают и другие РХЗ на Сибирском и Горно-химическом комбинатах - в городах Томск-7 (СХК) и Красноярск-26 (ГХК). Такую же задачу решали РХЗ в США, Великобритании, Франции и Китае.

Переработка ОЯТ, поступающего с АЭС, - очевидное будущее всех государств, развивающих ядерную энергетику. Такое «замыкание» ядерного топливного цикла (ЯТЦ) экономически целесообразно по ряду причин. Прежде всего, значительно (на 1/6 часть) сокращаются потребности в природном уране как за счет возврата 235-го изотопа урана, не сгоревшего в реакторе, так и в результате образования нового ядерного горючего - плутония. Как источник тепловой энергии 1 грамм плутония, кстати, эквивалентен примерно 1 тонне нефти. Переработанные ОЯТ можно использовать для производства ТВЭЛов, в том числе на основе смеси оксидов урана и плутония (так называемого МОХ-топлива). Помимо экономических преимуществ замыкание ЯТЦ снижает опасность распространения ядерного оружия из-за «сжигания» образующегося плутония, который в открытом цикле необходимо хранить под крайне жестким контролем. Хотя в мире накоплено около 240 тыс. тонн ОЯТ, переработано только 85 тыс. тонн. Из 30 государств, развивающих ядерную энергетику, только Великобритания, Франция и Россия построили и эксплуатируют РХЗ для переработки ОЯТ с АЭС. Это также обусловлено экономическими причинами, поскольку сооружение РХЗ экономически целесообразно лишь при годовой производительности 1 500 т ОЯТ, для чего необходимо эксплуатировать около 50 крупных АЭС. Поэтому Япония, в которой уже действуют 54 АЭС, вырабатывающие 1/3 всей электроэнергии, тоже приступила к сооружению РХЗ и планирует ввести его в строй через 2-3 года. В то же время необходимость переработки ОЯТ побудила владельцев многих АЭС искать предпринимателей, готовых взяться за эту работу. Возникшую нишу заполнили уже упоминавшиеся английский и французский радиохимические заводы. Они в течение нескольких десятилетий по долгосрочным контрактам перерабатывают ОЯТ с АЭС Бельгии, Германии, Швейцарии, Японии и других стран. Непременное условие таких контрактов - возврат всех трех перечисленных ранее компонентов ОЯТ (в том числе отходов высокой удельной активности) в страну - поставщика этого топлива. Кстати, отметим, что в соответствии с ранее заключенными международными соглашениями Россия также перерабатывала ОЯТ, которое поступало с АЭС, построенных по советским проектам в Болгарии, Венгрии, ГДР, Финляндии, Чехословакии и загружавшихся «свежим» ядерным топливом по поставкам из СССР и России. В настоящее время такие операции выполняются для ОЯТ с АЭС в Армении, Болгарии и Украины.

Заключение

Первая в мире опытно-промышленная АЭС мощностью в 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. В последующий период производство электроэнергии на АЭС быстро росло и в настоящее время в развитых странах они превратились в основного поставщика электроэнергии.

Альтернативы использованию АЭС в глобальной экономике в настоящее время нет, а в обозримом будущем она может появиться только со стороны термоядерных установок.

По результатам найденного материала можно сделать вывод о том, что работа предприятий ядерного цикла в режиме нормальной эксплуатации не наносит человеку сколько-нибудь заметного вреда и значительно безопаснее последствий других видов деятельности. Аварии на АЭС значительно увеличивают экологическую угрозу, но не в большей степени, чем аварии на крупных химических производствах, бесконтрольное использование пестицидов и минеральных удобрений, аварии на транспорте и т.д.

Однако, фактом остается то, что далеко не все факторы воздействия радиации и всего цикла ядерного производства изучены и даны однозначные заключения специалистов. Фактом остается повышенная смертность от онкологических заболеваний жителей областей соседствующих с РХЗ.

В настоящее время лидером по количеству АЭС является США, где действуют 104 станции, Россия занимает 4 место в мире, на территории нашей страны действует 31 станция, строятся еще 6. [12]

Отметим, что и зарождение жизни на Земле и ее последующая эволюция протекали в условиях постоянного воздействия радиации. Хорошее знание свойств радиации и ее воздействия позволяет свести к минимуму связанный с ее использованием риск и по достоинству оценить те огромные блага, которые приносит человеку применение достижений ядерной физики в различных сферах.

Список литературы

1. Экологический словарь.

2. Википедия свободная энциклопедия, - http://ru.wikipedia.org

3. Радиация. Интернет энциклопедия. http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/rad_10.htm

4. Журнал «Вокруг света» №7 (2754), Июль 2003, Безопасная опасность

5. http://www.greenpeace.org/russia/ru/

8. Материал с интернет портала www.green.tomsk.ru;

9. Медицинский журнал «Medpulse». http://www.medpulse.ru/health/9529.html

10. Интернет журнал «KM.RU» 07.10.2010.;http://news.km.ru

11. ФГУП «Маяк». Отчет по экологической безопасности 2009.;

http://www.po-mayak.ru/

12. Доклад МАГАТЭ 2008г. http://protown.ru/information/hide/4469.html

Размещено на Allbest.ru