Как ядерное топливо путешествует по городам России. Короткий комментарий
Недавно ко мне обратились журналисты из Тюмени с просьбой прокомментировать фотографии обнаруженных у них в городе вагонов для перевозки отработавшего ядерного топлива. Я коротко рассказал им, а затем более развернуто в своей колонке для e1.ru о том что такое это ОЯТ (не путать с ОГФУ или урановыми хвостами, о которых я много о и подробно рассказывал ранее!), откуда и куда его перевозят у нас в стране, как оно может оказаться в центре крупных городов и насколько это может быть опасно. Пусть это не тянет на подробную статью, которые я обычно публикую на Хабре, но как небольшой поверхностный обзор тоже может быть полезно.
Фото вагонов с ОЯТ на станции Тюмень. Фото: Тюмень до нашей эры / Vk.cm
Давайте начнем с основ. Атомные станции используют уран в качестве топлива. Но в каком виде он там используется и как туда попадает? Уран добывают, затем обогащают по нужному изотопу — урану-235. Затем приводят в нужную химическую форму — форму диоксида урана.
Затем порошок диоксида урана спекают в керамические таблетки примерно по 4,5 грамма. Таблетки собирают в тепловыделяющие элементы — твэлы. Твэлы собирают в тепловыделяющие сборки ТВС, или топливные кассеты. И уже эти кассеты загружают в реактор.
Всего их в типичном реакторе ВВЭР-1000 163 штуки ТВС.
Примерно раз в год из реактора выгружают 20% топлива и заменяют на свежее. Так что каждая такая кассета работает в реакторе в среднем около 5 лет. Таким образом, в год из реактора выгружают около 15–20 тонн топлива. И для их перевозки нужно как раз примерно те самые 4 вагона, которые обнаружили в Тюмени.
За время работы в реакторе, в топливе сгорает небольшая часть урана, всего несколько процентов. Ну, сгорает не в прямом смысле, это просто такой термин, по аналогии с обычными электростанциями на органическом топливе. Раньше даже атомный реактор по аналогии называли котлом. В реальности часть урана просто распадается в результате цепной реакции деления, и из него образуется так называемые осколки деления — новые более легкие элементы. В основном радиоактивные.
В результате других реакций, в топливе появляется часть новых тяжелых атомов, так называемых минорных актинидов — америция, нептуния, кюрия. Все эти новые элементы ухудшают свойства топлива и их можно отнести к радиоактивным отходам. Хотя при желании их тоже можно выделить и использовать.
Другая же часть топлива, а это более 90% его массы — это оставшийся уран, в основном изотоп 238, который не участвовал в ядерных реакциях. И еще появляется новый элемент плутоний. Эти уран и плутоний при желании и наличии возможностей можно снова использовать в качестве топлива. Получается, как в истории про бочку меда (топливо) и ложку дегтя (отходы).
При этом эта ложка дегтя, т.е. отходы, существенно меняет свойства топлива, делая его очень радиотоксичным.
Если свежее ядерное топливо можно брать в руки и стоять рядом с ним без какой-либо серьезной защиты кроме халата и перчаток (сам так его трогал на заводе в Новосибирске), то отработанное топливо из-за накопленных в нем гамма-излучателей создает такую мощность излучения, что человек рядом с ним получит смертельную дозу за несколько минут. Но к счастью к нему нельзя просто так подойти. Все операции с ОЯТ проводят дистанционно, внутри бассейнов с водой, которая защищает от излучения.
Осмотр свежего ядерного топлива. Источник.
Но что же делать с отработанным топливом? Есть два глобальных стратегических подхода, и разные страны где есть атомная энергетика, придерживаются либо того, либо другого. Где-то считают, что с ОЯТ ничего не надо делать, не надо мараться, надо просто его захоранивать в том виде в каком его достают из реакторов, целиком.
Где-то, например, в России, Франции, Великобритании, Японии, считают, что в этой бочке можно отделить деготь от меда. У этих стран есть технологии, которые позволяют перерабатывать отработанное топливо. Эта переработка позволяет выделять ценные компоненты и повторно их использовать, а значит экономить природные ресурсы. Она же позволяет сокращать в сотни раз объем отходов, идущих на захоронение. Ведь теперь отход — это не вся бочка меда, а лишь та самая ложка дегтя. При этом срок жизни этих отходов можно сократить в тысячи раз, до сотен лет, если загрузить их в специальные ядерные реакторы.
Так вот, в России, как и в некоторых других странах, есть заводы по переработке отработанного топлива. Исторически это делают на ПО Маяк в Озерске, в Челябинской области. Просто процесс очень похож на процесс получения плутония для ядерного оружия, для чего комбинат и был построен в советское время. Но на Маяке перерабатывают далеко не все топливо АЭС. Основные его объемы с самых распространённых реакторов до сих пор в России не перерабатывались, а накапливались.
Сейчас в Росатоме реализуется концепция, согласно которой топливо с атомных станций свозят в централизованное хранилище на Горно-химическом комбинате в городе Железногорск Красноярского края. Этот комбинат, как и Маяк, был создан еще во времена советского атомного проекта в одном из десяти закрытых атомных городов, построенных в свое время для создания атомного оружия.
Ок, мы поняли куда везут, но откуда?
Судя по картинкам из Тюмени, на фото вагоны и контейнеры для перевозки топлива реакторов ВВЭР-1000. Это самый распространенный тип реактора для АЭС в России и постсоветского пространства. Да и в мире подобные водо-водяные реакторы — самые распространенные. В России ВВЭР-1000 работают на 4 из 11 АЭС. Они работают на Балаковской, Калининской, Нововоронежской и Ростовской атомных станциях.
Теперь понятно как контейнеры оказались в Тюмени — по пути с атомных станций на западе России в пункты хранения и будущей переработки на Востоке, в Сибири. Просто у нас одна железнодорожная магистраль через всю страну — Транссиб. По ней они через Тюмень и мой родной Екатеринбург и ездят.
Опасны ли такие перевозки?
Не смотря на то что само отработанное топливо очень радиоактивно, для его перевозки принимают соответствующие меры безопасности. Во-первых, после выгрузки топлива из реактора оно еще несколько лет хранится на станции в специальном бассейне выдержки. Там за счет распада короткоживущих изотопов его активность существенно снижается. Например за первый год она падает в сто раз. А значит снижается и фон от этого топлива и его тепловыделение. Да, даже спустя годы после выгрузки из реактора топливо продолжает греться.
После такой выдержки ОЯТ уже можно отправлять в хранилище или на переработку. Для перевозки такого опасного груза разработаны специальные защитные транспортно-упаковочные комплекты (ТУК) из специальных вагонов и контейнеров. Это не просто металлический бак, это сложная, многослойная, композитная конструкция с датчиками контроля, общей массой более 100 тонн. В ТУК-13 для перевозки топлива ВВЭР-1000 помещается до 12 ТВС или до 6 тонн топлива. И рядом с таким контейнером можно уже спокойно стоять, не рискуя получить опасную дозу. Он блокирует и гамма и нейтронное излучение.
Вагон-транспортер и контейнер ТУК-13 для перевозки топлива реактора ВВЭР-1000. Фото — портал фцп-ярб2030.рф
Но дело не только в защите от радиации. Такие контейнеры рассчитаны, что даже при аварии они не потеряют герметичности, а значит наружу опасные вещества не попадут. Контейнеры конструируют и испытывают так, чтобы они выдерживали падение на бетонную площадку, столкновения с препятствиями, пожары и погружения в воду.
Можно посмотреть на видеокадры зарубежных тестов и демонстраций свойств подобных контейнеров:
Или на российские испытания (с 0:50):
Так что перевозка таких грузов по Транссибу не представляет угрозы. Украсть 100 тонный контейнер не просто, вскрыть без специального оборудования и условий тоже не получится, пускать под откос и даже взрывать бесполезно, он на это рассчитан.
Закончить я хочу двумя выводами. Плохим и хорошим.
Начну с хорошего. Я напомню цифру в 20 тонн топлива, которые ежегодно нужны АЭС для работы. Этого достаточно, чтобы целый год обеспечивать электричеством и частично теплом целый город-миллионник типа Екатеринбурга. Для угольной станции такой же мощности понадобится не 20, а несколько миллионов тонн топлива. Часть его при сжигании в буквальном смысле вылетит в трубу и осядет в наши легких, а затем еще и добавит СО2 в атмосфере со всеми вытекающими последствиями для глобального изменения климата. И эти миллионы тонн надо возить, по той же железной дороге, через те же города… Так что уж лучше наверно возить раз в год 4 вагона с ядерным топливом — это безопаснее.
А плохой вывод заключается в том, что, не смотря за все меры безопасности по перевозке радиоактивных материалов и ядерного топлива, риски аварий на транспорте остаются. Но связаны они в большей степени с другими вещами. В России в год перевозят до 800 миллионов тонн опасных грузов — взрывчатых, горючих и токсичные вещества. И мягко говоря, далеко не все из них перевозятся в таких прочных контейнерах как радиоактивные материалы. Поэтому надо повышать безопасность всех транспортировок, строить объездные пути для товарных поездов вокруг крупных городов, да и вообще вкладываться в инфраструктуру, а еще в науку, технологии, образование и другие важные общественные институты. Тогда люди будут меньше бояться разных страшилок, в том числе ядерных, и всем нам будет житься легче и комфортнее.
Видеобонус.
На эту тему я записал видеоролик для своего youtube-канала, где чуть больше наглядных материалов. Смотрите, подписывайтесь, ставьте лайки, тогда я наверно буду делать больше таких роликов и статей:
Ссылки на использованные источники и материалы для самостоятельного изучения:
1. Развитие кластера по обращению с ОЯТ на ФГУП «ГХК»
2. ТРАНСПОРТИРОВКА РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Доклад Беллоны
3. Отработавшее ядерное топливо тепловых реакторов
4. Обзор проблем обращения с радиоактивными отходами. Саров.
5. КОНТЕЙНЕРЫ ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА. Сосны.
6. Возможности ОАО «Атомэнергомаш» в области обращения с ОЯТ и РАО Москва Октябрь 2013 года VII Международный Форум «АтомЭко 2013»
7. Программа развития контейнерных технологий обращения с ОТВС российских АЭС, как инструмент унификации решений по длительному хранению ОЯТ Т.Ф. Макарчук М.Ю. Афонютин АО ФЦЯРБ. АТОМЭКСПО-2015 01–03 июня 2015 г.
8. Конструкции упаковочных комплектов и контейнеров для перевозки ОЯТ.
9. Радиоактивные компоненты АЭС: обращение, переработка, локализация
