Долговременное хранение и захоронение отработавшего топлива

Контейнер
для
отработавшего
топлива
в
Центре ядерных исследований в
Карлсруэ,
ФРГ (Фото K F Z ) .
Долговременное
хранение
и захоронение
отработавшего
топлива
Александр
и
Хорошо известно, что отработавшее топливо и
высокоактивные отходы (ВАО) являются источник а м и в ы с о к о й радиоактивности и тепла в результате ядерного распада. Следовательно, отработавшие
топливные сборки д о л ж н ы храниться в охлаждающей среде до последующей обработки. Со временем
количество тепла от радиоактивного распада уменьшается (быстрее, чем наведенная а к т и в н о с т ь ) , а
большая часть п р о д у к т о в деления в отработавшем
топливе распадается до приемлемых уровней через
3 0 0 - 1 0 0 0 лет*.
Большинство изотопов дочерних продуктов распада плутония, америция, нептуния, йода, технециума
и урана остаются радиоактивными в течение нескольк и х миллионов лет. С т о ч к и зрения радиотоксичности наибольшую озабоченность вызывает период примерно в 10 000 лет.
Г-н Нечаев - руководитель Секции ядерных материалов и
технологии топливного цикла, а г-н Онуфриев - сотрудник
этой Секции. Г-н Томас - сотрудник Отдела ядерного топливного цикла.
* Дополнительные технические данные см. Guidebook on
Spent Fuel Storage, IAEA (Руководство no хранению отработавшего топлива), Серия технических отчетов МАГАТЭ
№ 240, Вена (1984 г.) и Characterisation of Long-lived
Radioactive Wastes to be Disposed in Geological Formations,
В. Боэола, Рабочий документ SCK, Центр ядерных исследований в Моле, Бельгия (1983 г.).
16
Нечаев,
Владимир
Онуфриев
К.Т. Томас
Регламентация использования искусственных наземных сооружений не может рассчитываться на
столь длительную перспективу, тогда к а к геологические процессы вполне м о г у т иметь т а к у ю продолжительность. Именно это соображение делает привлекательным захоронение отработавшего топлива в
геологических формациях.
Д л я любой стратегии, избранной в отношении
последних стадий ядерного топливного цикла, долговременное хранение отработавшего топлива я в л я е т с ^ ^
важнейшей частью интегрированной системы
nd9
обращению с отходами. В долговременных хранилищах предполагаются не только операции по обработке отработавшего топлива, но т а к ж е у п а к о в к а
и, в о з м о ж н о , уплотнение стержней. Не исключается
и возможность захоронения отработавшего топлива
в контейнерах после долговременного хранения и
без п е р е у п а к о в к и * .
Проблемы хранения
В настоящее время рассматриваются только два
определенных решения по конечным стадиям ядер*
См. в журнале Nuclear Fuel (28 января 1985 г.) доклад с
предложением Министерства энергетики США относительно роли в будущем контролируемых хранилищ с возможностью извлечения отходов в системе обращения с отходами.
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ВЕСНА 1986
ШСПОр'
1ыт долговременного х р а н е н и я
сотке. Страны иа
юняя возможност<
мерческом строит(
HMCCIW
и излишков
В.". <<уН| МЧ1 >С !.<• .iJ.-i"4»l.i
тайной технологией для
,м
,,, ц
Л'Л'Ц '1(ИИ
>pw«vnnui и л pan
i из цирколоя и
,
•жаш
имеется не
и отсрочки
щодатас
должно
ж к й э т о м о ж е т с о к р а т и т ь v п р и м е р н о на чз уо) к у м у -
*
£
V,
бой дополнительные затраты на транспортные конионные т р у д н о с т и , -это решение может лжи
1ЬНОГ<
ИI
"•
mi
,,
„.«„V
,
,,
.V,. ...
технология. Хотя "примеров сухого хранения отрабо
-сои Республике Германии расчеты по безопасности
^оказали возможность его безопасного хранения :
;_зеде инертного газа в течение 4 0 - 5 0 лет, Тшхж
пе и США концепция хранения отработавшего топли
рш в свободной атмосферной среде, (Однако максм
i хм в момент помещения их HI хранение не штоки
Р. Маклин, Ф.М. Мак-
ЬЮ.'Ш! 1 f ИЬЗДЙГА?>, В КС НА
* i»
,Р. Джонсона' „Выб<
отработавшего топлива" в журн
Обращение с. радиоактивными отходам*
Виестанциониые
Страна
Федеративная Республика
Германии
хранилища
Хранилище
отработавшего
топлива: хранение 4 0 лет и л и более
Тип
Горлвбен
Ахаус
Сухое хранение в коитейнерах (типа Castor)
CLAB
Водные бассейны в
подземной полости
TVO-K PA-STORE
Подземные водные
бассейны
MRS
Сухое хранение в rep
метизированных канистрах, в к о н т е й н е р а х или
сухих скважинах
Вместимость*
Состояние
1500
(420 контейнеров
или более)
в метрических тоннах урана (MTU),
С х е м е р е ш е н и й д л я к о н е ч н ы х этапов т о п л и в н о г о я д е р н о г о ц и к л а
18
БЮЛЛЕТЕНЬ М А Г А Т Э . ВЕСНА 1986
Обращение с радиоактивными отходами
н о г о газа определена примерно в 400 ° С * . Это означает, что для хранения в свободной атмосферной возд у ш н о й среде отработавшее топливо должно сначала
храниться в водном бассейне или в атмосфере инертн о г о газа для того, чтобы понизить температуру
оболочек топливных стержней до требуемых уровней.)
Принципиальное различие между водно-бассейнов ы м и и с у х и м и хранилищами заключается в том,
что последние носят модульный характер и при необходимости м о г у т расширяться.
Во м н о г и х странах (включая Канаду, Финляндию,
Италию, Швецию, Великобританию, США и СССР)
ведутся исследования и разработки по конструированию, строительству и лицензированию внереакторн ы х хранилищ. В Швеции и Федеративной Республике
Германии функционируют централизованные хранилища для долговременного хранения отработавшего
топлива. Некоторые страны имеют планы строительства таких установок (см. прилагаемую таблицу).
Стоимостные сравнения различных способов долв к г о в р е м е н н о г о хранения (бассейновых и сухих — металлические б о ч к и , бетонные герметизированные
контейнеры, камеры, сухие с к в а ж и н ы ) затруднительн ы ввиду различия в странах одних и тех же факторов. Д л я хранения отработавшего топлива в течение
40 лет оценки стоимости меняются от 45 до 220 долларов для бассейновых хранилищ и от 33 до 83 долларов для сухого хранения (оценки в долларах
1984 г . на к и л о г р а м м урана) **.
Помимо опыта, приобретенного в конструировании, лицензировании и строительстве первых внестанционных хранилищ, учитывались также следующие факторы: общий объем отработавшего топлива
и динамика его поступления, климатические и сейсмические условия, наличие промышленных мощностей и инфраструктуры национальной индустрии,
принятие общественностью и наличие данных для
отчетов по безопасности.
^^Захоронение в геологические формации
При выборе подходящей среды для т а к о г о захоронения изучались гидрогеологические, геохимичес* См. доклады: Б. Дросте „Опыт по оценке безопасности
контейнеров
для
сухого хранения
отработавшего
топлива в Федеративной Республике Германии", А. Мюллер „Временное сухое хранение отработавшего топливаопыт анализа безопасности при осуществлении процедур
атомного лицензирования", М. Нойман „Отвод тепла от
хранимых сухим способом отработавших топливных
элементов", представленные на заседании Технического
комитета МАГАТЭ по методам, используемым при проектировании бассейновых и сухих хранилищ для отработавшего топлива, Эспоо, Финляндия, 30 сентября - 3 октября 1985 г. (будут опубликованы).
* * См. доклад А. Нечаева и В. Онуфриева „Хранение отработавшего топлива: опыт и тенденции", представленный
на 6-м симпозиуме СЭВ по исследованиям в области переработки отработавшего топлива и обезвреживания
радиоактивных отходов, Пештаны, Чехословакия, март
1985 г.
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ВЕСНА 1986
Одна из концепций захоронения отработавшего
Шахтный ствол глубиной 1000 и диаметром 7 м .
(Источник: Министерство энергетики США) .
топлива.
кие, минералогические и термомеханические свойства формаций, а т а к ж е их структурная прочность и
стабильность. Соответствующее проектное и техническое обеспечение позволяет рассматривать различные геологические среды в ряде геологических формаций.
Геологические формации, потенциально подходящие для хранилищ, образуются в следующих трех
группах пород: эвапоритах ( т а к и х к а к соль), осадочных породах, магматических и метаморфическ и х кристаллических породах.
• Каменная
соль (галит). Это очень распространенный эвапорит, к о т о р ы й привлекает наибольшее внимание. Он обладает благоприятными свойствами и
имеет широкое распространение в ненарушенном
виде в геологических формациях, демонстрируя
стабильность на протяжении тысяч миллионов лет.
Каменная соль существует к а к слоистое месторождение или к а к большой к у п о л , поднятый вверх
диапиризмом. Высокая пластичность делает ее непроницаемой для газов и жидкостей. Она обладает и
д р у г и м и благоприятными свойствами: хорошей механической прочностью, теплопроводностью и легкостью разработки. Возможные недостатки: наличие
карманов с рассолом и включений, м о г у щ и х мигрировать при некоторых термических условиях; вероятность нежелательных взаимодействий контейне-
19
Обращение с радиоактивными отходами
торых стран является наличие у них массивных и
однородных формаций, не представляющих никак о й или имеющих незначительную э к о н о м и ч е с к у ю
ценность. Эти породы х р у п к и и неэластичны, не
исключается вероятность появления разломов и вторичных отверстий на глубинах, в к о т о р ы х предполагаются хранилища. Из-за разломов и трещин, к а к
правило, во вторичных отверстиях содержатся грунтовые воды. Наличие неоднородностей в этих породах (связанных с характером, ориентацией и величиной разломов) затрудняет моделирование гидрогеологии таких пород.
Особый интерес представляют такие магматическ и е породы к а к базальт и вулканический туф. Базальт появляется обычно в к р у п н ы х платообразных
массах, сравнительно молодых по возрасту и а к к у м у лирующихся в континентальных районах. Он имеет
среднюю теплопроводность и очень в ы с о к у ю температуру плавления, очень большую механическую
прочность, но в нем обычно наблюдаются ломаные
или вертикальные трещины. В массиве базальт совершенно непроницаем, но с разломами и т р е щ и н а м ^
он пропускает значительные количества подземных
вод. Он обладает н и з к о й ионнообменной способностью, если она частично не изменена присутствием вторичных минералов с лучшими сорбционными
свойствами.
Производство
стеллажей
лива в Дании. (Фото
для
хранения
отработавшего
топ
RDM).
ров с породой, слабые сорбционные качества, возможное движение соли (диапировое), возможная
добыча человеком соли и связанных с ней ресурсов
вблизи захороненных отходов и в ы с о к и й уровень
растворимости соли в воде.
• Ангидрит
(сульфат кальция).
В настоящее время
оцениваются лишь мощные пласты или массивные
включения на средней глубине.
• Глинистые формации.
Они обладают, к а к правило,
очень малой проницаемостью, х о р о ш и м и сорбционн ы м и характеристиками и незначительной растворимостью. К числу в о з м о ж н ы х недостатков относятся:
дегидратация водосодержащих глинистых минералов
в связи с тепловой н а г р у з к о й , малая теплопроводность и неблагоприятное влияние на механические
свойства пород, присутствие органического вещества и газов, наличие неоднородностей и возможные
трудности с разработкой и о т к р ы т о й в ы е м к о й породы.
• Магматические и метаморфические породы. Некоторые страны считают их первыми кандидатами для
использования в качестве мест г л у б о к о г о подземного захоронения радиоактивных отходов. Эти породы показывают долговременную стабильность,
достаточно х о р о ш у ю теплопроводность и малую пористость. Дополнительным преимуществом для неко-
20
Изучаются два вида туфа, известных к а к сплавленн ы й и цеолитовый. Многие месторождения туфа
содержат высокосорбционные минералы ( г л и н ы и
цеолиты) к а к в основной массе породы, так и вдоль
первичных и вторичных разломов. Из-за в ы с о к о й
пористости в туфах содержатся обычно значительные
количества воды.
Оценка долговременной безопасности
При выборе геологического хранилища необходимо учитывать возможные термомеханические эфф е к т ы : выброс ж и д к о с т и и п о т о к ж и д к о с т и , буферные и засыпные материалы, геохимические эффекты
и тепловая нагрузка.
л
Выгодно более длительное временное х р а н е н и Р
отработавшего топлива, п о с к о л ь к у оно способствует понижению температуры в хранилище. Увеличение температуры влияет на механические свойства
пород. Долговременное воздействие температурных
изменений требует изучения, особенно в породах
с в ы с о к и м и природными напряжениями. Механическ и е эффекты связаны с изменениями в минералогическом составе и содержании воды, что требует исследований проблем образования глины и глинистог о сланца. Эти эффекты должны быть изучены для
различных видов образований, п о с к о л ь к у предполагается, что повышенные температуры вызывают
изменения в режиме потока вблизи хранилища в результате освобождения ранее связанных вод. Д л я
выбора буферных и засыпных материалов следует
тщательно изучить воздействие на них температуры.
Радиация в результате распада радионуклидов
может вызвать различные эффекты, значение кото-
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ВЕСНА 1986
Обращение с радиоактивными отходами
Соображения по площадке
Топливная
f/s/1/ff д н » и
сборка l / I / i i / i i s H i i M Й Ш »
шшшшши
-Порошковая —
прессованная
медь
-Медная стенка
Вес:
Топливо
Медь
2,3 т
16,2 т
18,5 т
Медные контейнеры для стержней
отработавшего
топлива, изготовляемые
горячей
изостатической
штамповкой. (Источник: SKB).
рых в очень большой степени зависит от к о н к р е т н ы х положений концепции захоронения отходов.
Например, очень прочные металлические контейнеры с толстыми стенками будут удерживать всю возн и к а ю щ у ю внутри них радиацию. Влиянием гаммаизлучения, имеющегося вне контейнеров, м о ж н о
пренебречь. Зато гамма-поля вне контейнеров с тонк и м и стенками м о г у т оказаться значительными, и
д о л ж н о быть определено их влияние. Следует замергить, что временное (до захоронения) хранение существенно снизит уровень гамма-полей и степень
образования тепла.
Замедление движения радионуклидов, что в
определенной степени зависит от основной породы,
происходит в связи с различиями в физико-химическом поведении радионуклидов и грунтовых вод.
Основными физико-химическими процессами при
этом являются: химическое растворение, диффузия, и о н н ы й обмен, сорбция, химические реакции
замещения и сверхтонкая фильтрация. Эти процессы зависят от распространения и характера химических веществ в растворе. Наиболее важными физико-химическими параметрами являются р Н , потенциал окисления-восстановления, температура раствора и концентрация других природных веществ.
Должно быть определено содержание в грунтовой
воде сульфатов, хлоридов, железно-корродирующих
веществ, комплексообразующих агентов.
БЮЛЛЕТЕНЬ М А Г А Т Э , ВЕСНА 1986
Хранилище может быть построено только на площадке, где имеется достаточно к р у п н а я формация
породы, обладающей соответствующими геологическими, гидрологическими качествами. Обычно хранилище, располагаемое на глубине 400—500 м,отвечает требованиям безопасности, хотя технологическ и д о с т и ж и м ы и г л у б и н ы до 1000 м .
Современный уровень знаний позволяет разработать и построить в течение двух-трех последующих
десятилетий систему безопасного окончательного
захоронения отработавшего ядерного топлива.
Имеются альтернативные к о н с т р у к ц и и , учитывающие тепловую н а г р у з к у и строительные возможности. Концептуальные к о н с т р у к ц и и хранилищ, создаваемых в твердом граните, базальте и глиняных формациях, разработаны странами, имеющими такие
формации. Исследования охватывают не только
технические аспекты, но и проблемы у п а к о в к и (с
т о ч к и зрения материалов и т е х н и к и ) , выбор буферн ы х и барьерных материалов, а также оценку рабочих характеристик и безопасности. Продолжение шир о к и х исследований и разработок позволит странам
получить больше данных для создания к о н с т р у к ц и и
хранилищ для окончательного захоронения.
Упаковка отработавшего топлива
У п а к о в к а отработавшего топлива должна рассматриваться в контексте всей системы захоронения.
Ее ф у н к ц и и определяются временем хранения,
соображениями транспортирования и размещения,
длительностью процесса упаковывания. Технически
возможно применение различных методов капсулирования отработавшего топлива. В Швеции рассматривается возможность использования расплавленного
свинца или обрабатываемой горячим прессованием
п о р о ш к а меди для включения топливных стержней
в твердую матрицу, помещаемую затем в медный
контейнер. После помещения в с к в а ж и н ы контейнеры засыпаются буферными материалами, т а к и м и
к а к в ы с о к о к о м п а к т н ы е бентонитовые глины. Хранилище герметизируется путем заполнения всех
туннелей и шахтных стволов смесью песка и бентонитовой глины.
Закладка и герметизация хранилища важны с точк и зрения требований безопасности при строительстве, задачами к о т о р о г о является заполнение скваж и н , туннелей и шахтных стволов, сведение к миним у м у или предотвращение проникновения воды,
поддержка пород и сведение к м и н и м у м у оседания,
обеспечение химической и физической защиты упак о в о к отходов, содействие рассеиванию тепла и обеспечение замедления перемещения радионуклидов путем уменьшения движения воды. Закладными материалами м о г у т быть отвалы, цементы, битумы,
эпоксидные цементные растворы и полиэтилен.
После завершения работ в хранилище, содержащ и м отработавшее топливо, не предусматривается
21
Обращение с радиоактивными отходами
более никакого наблюдения, дозиметрического
контроля площадки или институционных проверок.
Однако решение вопросов маркировки района площадки, физического или иного контроля остается
на усмотрение национальных органов, В связи с
особыми условиями некоторые конструкции строятся в расчете на извлечение захороненных матер наши
На основе анализа данных по горным работам на
на 1 I и s м-ч ) i> 1, i 1 , ы :у, к
2050
н, ,, --•< м ^ ч о, , , 60С
ТОШВНч'
т.
площадке, к о н с т р у к ц и и хранилища, его эксплуатации
и снятию с эксплуатации определяется стоимость
з а х о р о н е н и я отработавшего топлива в зависимости
О ! <. ,M>h<IUti • ! к. НС 1, \ Kfii ii И ' 1 > liillf !И ! ttim>
Для подземного захоронения эта стоимость составит примерно 1—3% расходов на производство
электроэнергии. При современном уровне знаний
должен б ы т ь сделан следующий шаг — создание полу-
промышленных демонстрационных хранилищ для
получения более реальных данных и
определения
затрат на развитие промышленных хранилищ.
н ы е м е р ы по его изоляции от среды о б и т а н и я человека. Сегодня э т о — одна из наиболее важных и
II • П Т Т 1 Ж 1 1 ' I X
ггропчеч
С другой стороны, отработавшее топливо — уникальный источник некоторых жизненно важных
элементов, мировые ресурсы которых очень ограничены. Например, запасы родия, широко используемого в химической, электротехнической и медицинской областях, составляют лишь около 770 т при
очень незначительной концентрации его в земной коре. А концентрация родия в отработавшем топливе
намного выше (340 г. на 1 т по сравнению с 1-10 г
22
Л
,
<!-,,.<
hi < i I 1 н ! , , , .
. I <, Ч • 7
Определение терминов
Что отличает долговременное хранение от захоронения? М А Г А Т Э определяет п е р в о е к а к „хранение топлиьных единиц в течение про доя жи тел ьного
периода, причем требуется специальная упаковке
и/или оборудование. Период хранения з а к а н ч и в а е т с я ,
когда топливные единицы п е р е р а б а т ы в а е т с я или
захороняются"*, В этом случае должны предусматриваться м е р ы по изоляции, радиационному мониторингу, защите о к р у ж а ю щ е й среды и контролю человеком. Предполагаются т а к ж е меры по обработке и
транспортированию с целью окончательного захоронения или переработки топлива.
Предмет д л я обсуждения
Безусловно, отработавшее топливо потенциально
опасно для человечества, и необходимы действен-
„ •!,(•>•(,.
стать I i ч >, (.
КОМ ' > . „ > ) ,
палл;
Захоронение отработавшего топлива определяется
к а к „помещение топливных единиц в хранилище,
способное обеспечить соответствующую защиту о к р у жающей среды, без намерения
извлечь
топливные
единицы".
Эти определения важны для национальной и м е ж -
дународной стратегии в области обращения с отходами. Период долговременного хранения о т р а б о т а в ш е г о топлива в 5 0 или более лет принят в настоящее
время во многих государствах-членах. П е р в ы е демонстрации окончательного захоронения ожидаются в
начале следующего столетия.
*
См. Spent-fuel Storage Glossary (Глоссарий по хранению отработавшего топлива),
TECDQC-3S4
(1985).
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ» ВЕСНА 1986