Тенденции в управлението на отработено ядрено гориво и радиоактивни отпадъци

Отработеното ядрено гориво (ОЯГ) и радиоактивните отпадъци са странични продукти от ядрената енергетика и други приложения на радиоактивни материали в медицината, индустрията и научноизследователската дейност. Този отпадъчен поток включва материали под различна форма и с различни нива на радиоактивност и периоди на полуразпад. Радиоактивните отпадъци изискват безопасно третиране и обезвреждане. Допустимите подходи за обезвреждане зависят от нивото на радиоактивност и установените практики в отделните държави. Някои отпадъци са с толкова ниски нива на радиоактивност, че могат да бъдат освободени от регулаторен контрол и да бъдат обезвредени като нерадиоактивни. 

Радиоактивните отпадъци, представляващи дългосрочен риск за хората и околната среда обаче, следва да бъдат поставени в подходящи опаковки и транспортирани до специализирано съоръжение с множество физически бариери.

Управление на ОЯГ

Отработеното ядрено гориво се генерира от експлоатацията на всички видове ядрени реактори. В някои страни се счита за отпадък, а в други – за потенциален бъдещ енергиен ресурс. В първия случай то се обезврежда като отпадък след няколко десетилетия на междинно съхранение. Другата възможност е преработката му за възстановяване на делящите се материали за бъдеща употреба.

Предвиденото за преработка ОЯГ може да бъде разделено на три основни компонента – уран, плутоний и отпадъци, съдържащи продукти от деленето и активацията. Уранът и плутоният могат да бъдат използвани повторно като ядрено гориво за реактори, докато отпадъчната фракция се встъклява и съхранява до последваща обработка.

Отделеният по време на преработка уран може да бъде оползотворен като гориво в съвременните реактори след конверсия и, ако е необходимо, обогатяване. Плутоният може да бъде превърнат в MOX гориво, в което се комбинират уранови и плутониеви оксиди. Този вид гориво понастоящем се използва в реактори с лека вода. В дългосрочен план се предвижда плутоният да се използва като гориво в реактори от четвърто поколение, в които енергийната стойност на урана и плутония може да бъде оползотворена по-добре.

Управлението на ОЯГ изисква няколко транспортни етапа между ядрените централи и съоръженията за съхранение, преработка и обезвреждане. Транспортът обикновено се осъществява със специализирани контейнери, осигуряващи защита за работниците и обществото и охлаждащи горивото. Тези транспортни дейности са строго контролирани съгласно съответните национални законодателни изисквания. В случай на трансграничен превоз всяка страна, включена в транспортирането на ОЯГ, трябва да предприеме мерки и гарантира, че дейностите се извършват по подходящ начин и с разрешението на държавата източник и държавата дестинация. За държави, които се нуждаят от преработка на отработено гориво, но не разполагат със съоръжения за това, такива трансгранични превози са необходимост.

Каквато и алтернатива за обезвреждане на ОЯГ да бъде избрана, за определен период от време то трябва да се съхранява. Продължителността на този период зависи от приетата стратегия за управление на горивото и варира от няколко месеца до десетилетия или повече. Вариантите за съхранение са два – мокро съхранение в басейни или сухо в контейнери или хранилища. Почти всички ядрени реактори разполагат с басейн за съхранение на отработено гориво под някаква форма, тъй като това е било изискано при проектирането на съоръженията. Ако е необходимо, може да бъде изграден допълнителен капацитет за сухо или мокро съхранение, който обикновено се разполага в близост до реактора.

Поради ограничения капацитет на някои площадки обаче се налага изграждането на хранилища извън тях. Първоначално методът за съхранение в новоизградените хранилища е мокър, но понастоящем сухият метод е по-широко разпространен. Съоръженията за преработка на ядрено гориво също обикновено разполагат с големи басейни за буферно съхранение в приемните си зони.

Отпадъци с много ниска активност

Отпадъците с много ниски нива на активност се генерират в големи количества предимно при извеждане на ядрени съоръжения от експлоатация и почистване на замърсени терени. Типично тази група включва бетон, почва и отломки. Понастоящем отпадъците с много ниска активност се разглеждат като отделен клас само в няколко държави – Франция, Япония, Литва, Испания и Швеция. В повечето случаи те се считат за част от потока нискоактивни отпадъци.

Обемът на потенциалните отпадъци с много ниски нива на активност може да бъде редуциран чрез подходящото охарактеризиране и сепариране на тези компоненти, които могат да бъдат освободени от регулаторен контрол. Обикновено тези отпадъци не се подлагат на последващо третиране, а само се опаковат поради огромните количества и ниското съдържание на радионуклиди.

В повечето случаи отпадъците от тази група се съхраняват при източника на генериране или в централизирано хранилище до транспортирането им до подходящо съоръжение за третиране. По време на този етап е необходимо те да бъдат защитени единствено от атмосферните влияния (валежи и вятър).

Във Франция и Испания отпадъците с много ниски нива на активност се обезвреждат в специализирани съоръжения в закрити изкопи с малка дълбочина, често в близост до площадката им на генериране, за да се избегне транспортирането на големите количества материал. В други държави те се обезвреждат съвместно с други видове отпадъци (например нискоактивни), като изборът на стратегия за управлението им се прави въз основа на икономически и регулаторни фактори.

Нискоактивни отпадъци

Тази група отпадъци обикновено не изисква значителна защита по време на манипулиране и междинно съхранение. Общо отпадъците с много ниски нива на активност и нискоактивните материали отговарят за 95% от обема, но за под 2% от радиоактивността на всички радиоактивни отпадъци. Нискоактивните отпадъци в повечето случаи се кондиционират в твърдо състояние и се поставят в бетонни или стоманени контейнери.

Третирането и кондиционирането на нискоактивните отпадъци се извършва или на мястото на генерирането им, или в специализирано централизирано съоръжение. Отпадъците се разделят, третират, кондиционират, опаковат, подлагат на мониторинг и съхраняват до транспортирането им до площадките за обезвреждане. Широко прилагани процеси за кондициониране на нискоактивни отпадъци са сушенето, изгарянето, изпарението, компактирането, топенето и циментирането. За опаковането им се използват бетонни контейнери, стоманени варели или кутии, чиито размери и форма са специално избрани, за да отговорят на всички изисквания за безопасност на съоръженията за обезвреждане. Периодът на междинно съхранение на тези отпадъци може да достигне над 100 години, в случай че контейнерите запазват целостта си.

Нискоактивните отпадъци, чиито период на полуразпад е под 30 години, се обезвреждат в плитки изкопи или бетонни хранилища, в които се разполагат контейнерите. Над тях се поставя специална закривка, ограничаваща проникването на вода, ерозията на повърхността и достъпа на животни. В някои държави обаче (Финландия, Германия и Швейцария) се практикува или обмисля съхранението на нискоактивни отпадъци на дълбочина между 50 и 1000 m. Хранилищата са обект на наблюдение, докато свързаните с отпадъците опасности не се понижат до приемливи нива (обикновено това отнема няколкостотин години).

В някои страни се обмисля и геоложкото съвместно съхранение на нискоактивните отпадъци с такива със средни и високи нива на активност или ОЯГ. Това би опростило системата за управление на отпадъците поради по-малкия брой съоръжения, които трябва да бъдат изградени, но е свързано и с по-сложно проектиране, за да се избегнат взаимодействията между различните видове отпадъци.

Средноактивни отпадъци

Те обикновено съдържат значителни количества радионуклиди с дълъг период на полуразпад и поради това изискват обезвреждане на дълбочина, която осигурява дългосрочна изолация от биосферата. Средноактивните отпадъци налагат необходимост от защита при манипулиране и междинно съхранение и отговарят за 3 до 5% от радиоактивността на всички такива отпадъчни материали.

Обработката им включва събиране, разделяне, обеззаразяване, намаляване на обема или размера им и стабилизация преди опаковане. Сушенето, изпарението, компактирането, топенето и циментирането са често прилагани технологии при третирането и кондиционирането на средноактивни отпадъци. При обработката им следва да не се допуска увеличаване на концентрацията на радиоактивни компоненти до нива, надвишаващи възможностите на съоръженията и опаковките.
В зависимост от предвидената дестинация за съхранение или обезвреждане средноактивните отпадъци често се третират или кондиционират чрез вграждането им в матрица (от цимент или битум) и поставянето им в контейнери, изградени от подходящи материали за осигуряване на необходимото ниво безопасност. В някои случаи, когато не се изискват допълнителни матрици, кондиционирането се свежда единствено до опаковане. В други случаи самият отпадък, например голям съд, замърсен отвътре, се използва като контейнер, ако може да бъде запечатан надеждно. За опаковане най-често се използват бетонни контейнери със стоманена армировка, стоманени варели и кутии. Опциите за съхранение на средноактивни отпадъци са до голяма степен подобни на тези при нискоактивните, с разликата, че се изисква по-високо ниво на защита.

Високоактивни отпадъци

Аналогично на отработеното гориво, те обикновено се встъкляват и съхраняват в продължение на няколко десетилетия до намаляване нивата на отделяне на топлина. След съхранение ОЯГ и високоактивните отпадъци се обезвреждат в дълбоки геоложки хранилища, намиращи се на няколкостотин метра под земната повърхност. При това е необходимо да се имат предвид различните видове геоложки среди и съответните бариери за осигуряване на необходимото ниво на безопасност.

При конвенционалната преработка на високоактивни отпадъци те се привеждат в течно състояние така, че впоследствие да могат да бъдат кондиционирани до химично издръжлива и устойчива на топлина и радиация твърда матрица. За третирането и кондиционирането на високоактивни отпадъци се използват няколко вида стъкло и керамика. Процесът на витрификация и всички манипулации с контейнерите се извършват дистанционно в защитени клетки. Със значителен натрупан опит в областта са Белгия, Франция, Япония, Русия, Обединеното кралство и САЩ.

Контейнерите с високоактивни отпадъци се съхраняват във въздушно охлаждани хранилища, подобно на тези, използвани за ОЯГ. Експертите са единодушни, че за момента най-предпочитаният метод за осигуряване на дългосрочна безопасност за високоактивните отпадъци е изолирането им в дълбоки геоложки хранилища. Ако тези съоръжения са с подходящо местоположение и дизайн, те осигуряват пасивна, многобариерна изолация на радиоактивните материали.