Сага о Росатоме, продолжение. Ядерный топливный цикл: Отработанное ядерное топливо

Предыдущие части здесь:
1. Сага о Росатоме, продолжение. Ядерный топливный цикл: Предисловие
2. Сага о Росатоме, продолжение. Ядерный топливный цикл: Анатомия ОЯТ
3. Сага о Росатоме, продолжение. Завод по переработке отработанного ядерного топлива. ПО «Маяк»
Начало статей "Сага о Ростатоме" тут:
1. Сага о Росатоме (Часть 1)

С переработкой ведь не всегда было все гладко.
До того момента, как стали внедрять запатентованный в 1947 году американцем Леанердом Аспреем (Larned Brown Asprey) пьюрекс-процесс, и на Западе, и у нас применялся висмут-фосфатный процесс, разработанный в тех же США в 1943 году.
Висмут-фосфатный процесс использовался, в первую очередь, для наработки оружейного плутония из ОЯТ, поступавшего с реакторов-бридеров, «заточенных» под создание конкретно плутония-239. Благодаря ему Нагасаки «порадовал» именно плутониевый заряд, и тот же висмут-фосфатный процесс использовался в СССР для создания наших бомб.
И американцы, и мы торопились ковать ядерный щит и меч, поэтому руки до освоения придумки Аспрея дошли позже, чем надо было.
Память о себе висмут-фосфатный процесс нам оставил очень недобрую: с 1957 года от Озерска до Пионерска, более, чем на 300 км, протянулся Восточно-уральский радиоактивный след, накрывший собой 23 тысячи квадратных километров и 272 тысячи человек, проживавших на этой территории. Атеисты говорят о розе ветров, верующие – о том, что кто-то или что-то хранит Россию, спорить нет смысла: Восточно-уральский след не коснулся Свердловска и Челябинска, городов-миллионников.
Но ядерное оружие собрало свою кровавую жатву – в первые же 10 дней погибло от радиации не менее 200 человек, а общее число пострадавших оценивается в 250 тысяч человек.
Об этом нельзя не рассказать подробно – надо хорошо понимать, как такое стало возможно и все ли сделано, чтобы такое никогда не повторилось впредь. Так что рассказ об этой аварии на заводе «Маяк», конечно же, будет.
Вот только давайте не сразу – сначала попробуем понять подробнее, что же такое ОЯТ, как с ним обращаются у нас и за рубежами России. Так что начнем с изучения того, как ОЯТ хранится, а потом уже вернемся к способам его переработки.

Просматривая сайты «Гринписа» и прочих борцов за экологию, я иногда натыкался на расшифровку аббревиатуры ОЯТ как «отходов» ядерного топлива.

«Отходы»?..
Давайте еще раз напомню, что мы видим в условной тонне ОЯТ:
924 кг урана-238.
Ничего себе, «отход»!
Его ведь добыли из природной руды, в которой частенько 99% и даже больше – пустая порода. Вытаскивали из шахт/карьеров, очищали механически, химически, перевозили из отдаленных уголков, прокручивали в центрифугах – и вот после всего этого кто-то хочет называть это «отходами»?
Блин, никакой совести…
Дальше – около 8-9 кг урана-235, на котором, собственно говоря, и работает вся наша атомная энергетика.
От 10 до 12 кг – изотопы плутония, которого в природе просто не существует ни в каком виде, он может «вырасти» только в самом реакторе.
945 килограмм в тонне – однозначно полезные вещества, добытые человеком за счет огромного труда и немалых денег.
Еще 21 кг – это трансурановые элементы.
«Трансурановые» — это те, которые тяжелее урана, которые в природе тоже не встречаются, которые тоже вот только в атомном реакторе и «выращиваются».
Среди них, к примеру, изотоп нептуния-237 – прекрасный исходный материал для получения плутония-238.
А плутоний-238 – это основа РИТЭГов, радиоактивных источников электроэнергии: плутоний-238, распадаясь, производит тепло, а термоэлектрогенератор превращает ее в электричество.
На РИТЭГах работает аппаратура космических аппаратов, летящих туда, где солнечные батареи уже бесполезны.
К примеру, РИТЭГ обеспечивает электричеством марсоход «Кьюорисити» — сейчас РИТЭГ дает 125 ватт электрической мощности, через 14 лет будет выдавать 100 ватт.
На РИТЭГах работала и все еще работает аппаратура «Вояджеров», аппаратура стартовавшего к Плутону «Нью Хоризонта».
А еще РИТЭГи – аппаратура навигационного оборудования вдоль Северного морского пути, работающая годами на берегах морей с удивительно ласковой погодой.
РИТЭГи – это работа метеостанций в такого же рода местах: выставили один раз, и до следующего захода – лет 20-30 в запасе. «Отход»?..
Америций-241 – основа измерительных приборов, нужных в самой разной промышленности. Только этот элемент делает возможным, например, непрерывно измерять толщину металлических лент, листового стекла. При помощи америция-241 снимают электростатику с пластмасс, синтетических пленок, бумаги при их производстве, он стоит в некоторых детекторах дыма.
Еще перспективнее америций-243 – на нем возможна цепная реакция при критической массе всего 3,78 кг. Нет, не для бомб, успокойтесь не волнуйтесь. 3,78 кило – это сверхкомпактный реактор, который спокойно поднимается на орбиту, откуда и может состояться старт корабля в дальний космос на совсем других скоростях, нежели сегодняшние космические аппараты.
Нет, я тут не фантастический рассказ сочиняю: в тонне ОЯТ – около килограмма америция-241, из которого и можно произвести почти килограмм америция-243.

Про трансурановые атомы, про их изотопы можно рассказывать и рассказывать – многие из них интересны уже сейчас, многие открывают самые заманчивые перспективы. Так что человека, который обзывает ОЯТ «отходами» хочется понять и простить. Хочется – но не можется.
Вся радиоактивная опасность – оставшиеся 30 -35 кг так называемых «продуктов деления».
Цепная реакция – это ведь не только «один нейтрон выбил два нейтрона, а те, в свою очередь, еще четыре».
Нейтроны нейтронами, а что происходит с атомом, в который оный нейтрон изволил врезаться?
От удара атом урана-235 разваливается на части, то же самое делает атом плутония. Да, есть еще один «секрет» атомной энергетики, заслуживающий пары слов.
Помните, как образуется плутоний в реакторе?
Время от времени «балласт» в виде урана-238 принимает в себя нейтрон и, после двух бета-распадов, превращается в плутоний-239. А плутоний в цепную реакцию вступает еще охотнее, чем уран-235, и он это делает сразу, как только образуется.
Плутоний «горит», добавляя мощности всем нашим реакторам – и это хорошо и полезно. 1% плутония, который, в среднем, содержится в ОЯТ – это тот плутоний, который не успел «сгореть», а вырабатывается его за время нахождения твэлов в реакторе раза в два больше.
Так вот, вся вредность ОЯТ – это осколки, образующиеся после ударов нейтронов в ядра урана-235 и в ядра плутония.
Три – три с половиной кило редчайшей гадости и мерзости в каждой тонне. Часть этих элементов начинает активно «поедать» нейтроны, замедляя реакцию. Часть этих элементов ухудшают прочность топливной таблетки, делая ее хрупкой, а часть – это вообще газы, которые заставляют «распухать» топливные таблетки.
И все продукты деления (дальше – просто ПД. Нет, просто П и Д, не надо добавлять лишние буквы, хоть они и просятся!) – радиоактивны до неприличия. Так что, когда мы говорим о переработке ОЯТ – мы рассуждаем о том, как сделать максимально безопасными вот эти самые 3 – 3,5% ПД, как использовать повторно невыгоревшие уран-235 и реакторный плутоний.
На всякий случай повторю, что такое «реакторный плутоний»: смесь из изотопов плутония с номерами 239, 240 и 241. Плутоний-240 – то, из-за чего плутоний реакторный никогда не станет плутонием оружейным, то есть то, что делает ОЯТ безопасным с точки зрения распространения ядерного оружия.

Не хочется теоретизировать, давайте просто посмотрим на судьбу твэлов после того, как их вытащили из реактора.
Сборки «фонят» и греются изнутри, поскольку в ПД продолжаются ядерные реакции.
Куда деть такое «счастье»?
Ну, не транспортировать же!
Вода, самая простая вода очень неплохо тормозит нейтроны – вот потому твэлы с ОЯТ и укладывают в специальные пристанционные бассейны. После того, как радиоактивность и температура упадут до значений, которые позволяют их транспортировать, стержни извлекают, помещают в специальную толстостенную тару и везут в специальные «сухие хранилища».
«После» в случае водно-водных реакторов – это через три года, меньше нельзя.
Транспортировка – это совсем не тривиальная операция. Засунуть сборки твэлов во что-нибудь чугунно-свинцовое – так ведь вес! Потому контейнеры просто стальные, но зато заполнены инертными газами – они и нейтроны поглощают, и охлаждают одновременно.
А вот уже сами контейнеры – в транспортно-упаковочные комплексы, где снова сталь, но уже в комплекте с бетоном. Вытащили из бассейна, уложили в контейнеры, в контейнеры вкачали газ, контейнеры упаковали-закрепили в комплексы и только после этого – повезли. Только так и никак иначе.

Куда везут?
Сухие хранилища ОЯТ реализованы в России, США, Канаде, Швейцарии, Германии, Испании, Бельгии, Франции, Англии, Швеции, Японии, Армении, Словакии, Чехии, Румынии, Болгарии, Аргентине, Румынии, Украине.
Все остальные страны вынуждены каким-то образом договариваться с ними. Впрочем, чего это я? «Каким-то образом» — да понятно, каким!
Деньги!!!
Вариантов нет.

Технология хранения ОЯТ в хранилищах контейнерного типа с использованием контейнеров двухцелевого назначения (для хранения и транспортирования).

Ну, а пока все бегали и зубом цыкали, Петр Гаврилов и начальник управления капитального строительства комбината Алексей Векенцев продолжали работать – ведь в декабре 2011 была закончена только первая очередь СХ.
Отработав вместе со специалистами из НИКИМТ всю технологическую цепочку по перегрузке в пеналы, по обеспечению герметичности всех швов на них и так далее, ГХК с чистой совестью продолжал работу по расширению СХ.
В декабре 2015 Госкомиссия подписала акт приема в эксплуатацию СХ «в полном развитии» тихое, незаметно прошедшее событие, уверенно и надежно не замеченное нашими большими СМИ.
Что такое какие-то там десятки тысяч кубов бетона, когда настала пора пересчитывать стразы в плюмаже Киркорова?..
Ну, а для тех, кому интересна такая скукотень, — коротенькая фраза: «На ГХК завершено строительство объектов полного развития первого и пока единственного в мире комплекса централизованного сухого хранения ОЯТ». И снова – четко по графику. И снова – без коррупционных скандалов.
«Пока единственный в мире» — это теперь уже с акцентом на слово «пока».
Потому, что за 2012 и по наше время решения о строительстве таких же централизованных сухих хранилищ уже приняли Япония, Испания и Южная Корея.
Подчеркиваю – таких же.
Дважды приезжал в гости и заместитель министра энергетики США, но тут сомнений нет – «такого же» там не появится. Они крылечко приделают, и это мгновенно станет эпохальным ноу-хау.
Впрочем, ситуация с ОЯТ в Америке заслуживает отдельной заметки – уж очень там все драматично, хотя местами и вполне комично. Какая-то такая американская «атомная традиция» — делать серьезные проекты так, что смотреть на это без улыбки часто не получается, центрифугой клянусь!

Ну, а что значит для самой России завершение строительства полного объема СХ в Железногорске? Теперь места хватает не только для ОЯТ с реакторов РБМК – его хватит и для ОЯТ с ВВЭР, причем уже не только с АЭС в самой России. ГХК готов принимать на хранение ОЯТ с территории Украины, Болгарии, Чехии, готовится к частичной разгрузке «мокрое» хранилище ОЯТ Армянской АЭС.
Но конечная цель – не хранение ОЯТ само по себе, конечная цель – то самое замыкания ядерного топливного цикла: на ГХК планово идут работы по строительству опытно-демонстрационного центра переработки ОЯТ.
Вот к переработке ОЯТ я обязательно вернусь, но после того, как бегло «осмотрим», что происходит с хранением ОЯТ в разных интересных странах.
Продолжение следует.......