Сайт СФУ
Сибирский форум. Интеллектуальный диалог
ноябрь / 2020 г.

Подземная лаборатория для изучения ядерных отходов

Когда благодаря исследованиям учёных перерабатывают мусор или находят эффективные методы лечения опасных заболеваний, ни у кого не вызывает сомнений, что новейшие технологии — это благо. Но как только речь заходит об атомной энергетике и, соответственно, захоронении отходов — здесь доверие к учёным и технологиям даже у образованной части общества зачастую стремится к нулю. Значит, надо говорить об этом больше.

Сегодня предлагаем вашему вниманию статью профессора Татьяны КУЛАГИНОЙ, доктора технических наук, заведующей кафедрой техносферной и экологической безопасности Политехнического института СФУ, специалиста в области ядерных энергетических установок.

Энергоносители и последствия их использования

Современное общество использует огромное количество энергии, причём к середине века прогнозное мировое энергопотребление должно удвоиться.

Основными источниками энергии в настоящее время являются нефть, уголь и газ. На них приходится около 80% энергоресурсов, при этом 31% в мировом балансе потребления энергии по-прежнему обеспечивает нефть.

Сжигание органического топлива происходит с образованием огромного количества продуктов горения: газообразные — оксиды серы, азота, углерода; бенз(а)пирен и др.; твёрдые — шлак, зола, сажа и многое другое. В результате меняются качественные характеристики городского воздуха, концентрации поллютантов становятся всё выше, безопасность проживания в крупных промышленных городах всё ниже. Для хранения золошлаковых отходов необходимо отчуждать тысячи гектаров земель и постоянно обеспечивать контроль за безопасностью этих хранилищ.

На очередной Климатической конференции в Мадриде в декабре 2019 г. выступал Генеральный секретарь ООН А. Гутерриш. Он сказал: «Никогда не было более важного момента, чтобы прислушаться к науке. Если мы не предпримем решительных мер для предотвращения выбросов, мы будем наблюдать смертельные периоды жары, наводнений и штормов». Но это высказывание, увы, не базируется на достоверных данных научных исследований.

Почему не нужен Киотский протокол

В своё время в результате хорошо организованной международной политической кампании ведущие страны мира подписали Киотский протокол, призывающий к сокращению выбросов в атмосферу так называемых парниковых газов. Протокол исходит из предположения, что эти газы приводят к увеличению парникового эффекта и существенному потеплению климата Земли.

По разным оценкам, в настоящее время за счёт сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5–7 миллиардов тонн углекислого газа, или 1,4–1,9 миллиарда тонн чистого углерода. Это колоссальное количество поступающего в атмосферу углерода влияет не только на состав её газовой смеси и снижение показателя адиабаты, но и увеличивает общее давление атмосферы. Оба эти фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности почти не меняется. Практически не изменится она, даже если концентрация углекислого газа увеличится вдвое, что ожидается к 2100 году, как отмечает доктор геолого-минералогических наук Александр Городницкий. Опубликованные экспериментальные результаты говорят о том, что колебания концентрации СО2 в атмосфере являются следствием изменений климата, а не его причиной.

В декабре 2012 года на Всемирной климатической конференции ООН Россия вышла из Киотского соглашения и правильно сделала. Нельзя не отметить, что Соединённые Штаты с самого начала не принимали в нём участия.

Атомная энергетика: за и против

И всё же, хотя климат меняется не из-за выбросов углекислых газов, экология от добычи и сжигания органического топлива страдает. Более предпочтительными в этом смысле являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). К таковым относятся солнечная, ветровая, гидравлическая, геотермальная, а также энергия биомассы. Но по самым оптимистическим прогнозам их доля к середине века достигнет только 20–25 %.

Атомную энергию к ВИЭ отнести сложно, к тому же у неё высокий уровень затрат на производство (11–19 центов/кВт/ч). Неслучайно за последние годы доля ВИЭ в мировом производстве электроэнергии удвоилась, а доля АЭС упала с
18 % до 10 %. Однако в ближайшие десятилетия ситуация может измениться.

На одном из заседаний Президиума РАН научный руководитель Института проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ РАН) академик Леонид Большов, принимавший участие в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, сказал: «Огромный бензовоз и маленькая рюмка ядерного топлива содержат одинаковую энергию. Сравните: пригонять эшелоны с топливом ежедневно на тепловую станцию и один поезд в год с тремя вагонами на атомную. Горение топлива на АЭС проходит при низких температурах (300–400оС), и все отходы (продукты деления урана-235 в отличие от азота, серы и других элементов) остаются внутри топлива. Безопасность состоит в том, чтобы ни при горении, ни при дальнейшем обращении с отработавшим топливом не дать им выйти наружу».

Сегодня в России на её 11 атомных станциях эксплуатируются 38 энергоблоков, а также плавучий энергоблок «Академик Ломоносов». Суммарная установленная мощность всех энергоблоков составляет примерно 30,3 ГВт. Наша страна предполагает увеличить долю атомной генерации в энергобалансе России с 17 до 25–30 %. В планах Росатома 26 новых станций на территории России и примерно такое же количество за границей. Развитие атомной энергетики происходит в соответствии с Федеральной целевой программой «Ядерные энерготехнологии нового поколения», являющейся частью большой энергетической стратегии до 2030 года.

Снижение доли атомной генерации в мировом энергетическом балансе объяснимо. После каждой аварии, происходившей на АЭС (Чернобыльская АЭС, Три-Майл-Айленд, Фукусима), ряд стран отказывались от атомной энергетики. Германия уже сократила свои ядерные мощности до половины общего количества в 2010 году и планирует к 2022 году свернуть свою ядерную энергетику. Бельгия, Тайвань и Швейцария осуществляют аналогичные программы по прекращению использования атомной энергии к 2030 году. Однако стало ли это тенденцией в мировом масштабе?

Компания GlobalData изучила перспективы атомной энергетики до 2030 года. В мире в настоящее время эксплуатируется более 400 действующих ядерных реакторов, а в 17 различных странах строятся 54 новых энергоблока. Всего же заявлено около 475 проектов новых ядерных реакторов, строительство которых ещё не начато, но разрешения и финансовые средства уже начали поступать.

Действующие АЭС есть в 32 странах. Бангладеш, Белоруссия, Египет, Саудовская Аравия, Турция, ОАЭ строят свои первые ядерные мощности (Белоруссия планирует ввести в эксплуатацию свой первый реактор уже в 2020 году). Ещё два десятка стран планируют начать строительство
(Алжир, Вьетнам, Польша, Сирия, Узбекистан, Чили и др.). В ряде развитых стран доля атомной генерации в 3–7 раз выше среднего уровня. В Китае она пока мала, но планы Поднебесной грандиозны. К 2026 году Китай будет обладать самой большой мощностью ядерной энергетики, превосходя США и Францию. К 2025 году Китай собирается добавить 40 ГВт новых ядерных мощностей, ещё 40 ГВт в течение 2026–2030 годов. Кроме того, предложены новые реакторы с 200 ГВт общей мощности. Китай также проявил интерес к созданию небольших плавучих энергоблоков, размещённых на судах в верфях.

Атомная энергетика к 2030 году, по подсчётам МАГАТЭ, увеличится на 20%. Об этом заявил во время своего визита на Калининскую АЭС генеральный директор МАГАТЭ Юкия Амано. Причём, по его словам, это пессимистический сценарий. «По оптимистическому сценарию рост ядерных энергетических объектов в мире увеличится вдвое».

Проблема хранения отходов

Ядерные отходы требуют многолетнего хранения. Они содержат большое количество радионуклидов, обладающих весьма разнообразными ядерно-физическими, радиационными и физико-химическими свойствами. Проблемой является то, что для каждого из них необходимо найти такой способ обращения, который гарантировал бы его безопасность для окружающей природной среды на протяжении всего времени его существования. Во временнóй перспективе радионуклиды потенциально представляют значительную опасность для окружающей среды и здоровья человека в период от 300 до более чем 200 000 лет.

Россия, как и США, Канада, Германия, Франция, Швейцария, Бельгия, Япония, Финляндия, Швеция, пошла по пути разработки технологии хранения высокоактивных радиоактивных отходов в глубоких геологических формациях. В 2011 г. был принят Федеральный закон №190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», в котором установлено, что захоронение твёрдых высокоактивных и среднеактивных долгоживущих РАО должно осуществляться в пунктах глубинного захоронения, обеспечивающих локализацию таких отходов.

Постановлением Правительства РФ №1185 от 19.10.2012 года «Об определении порядка и сроков создания единой государственной системы обращения с радиоактивными отходами» предусматривается введение в эксплуатацию подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) как объекта, включающего в себя сооружение, по характеристикам похожее на пункт глубинного захоронения РАО (ПГЗРО), размещённого на глубине более 100 м. ПИЛ предназначена для проведения исследований в целях поддержки создания ПГЗРО, включая подтверждение его долговременной безопасности и пригодности выбранной площадки размещения.

Подземная лаборатория под Железногорском

Проанализировав исследования по поиску геологических формаций и площадок для строительства подземного хранилища, специалисты РАН и другие организации под руководством Радиевого института им. В.Г. Хлопонина в Санкт-Петербурге рекомендовали участок «Енисейский». Массив расположенных здесь скальных пород характеризуется стабильным тектоническим режимом, т.е. сооружения запланированного объекта не будут испытывать значительных динамических нагрузок.

Роль подземных исследовательских лабораторий в мире сводится к следующему: они обеспечивают возможность выполнения исследований и демонстрируют реализуемость технологических процессов в реальных геологических условиях. В мире функционирует 25 ПИЛ различного назначения. Наиболее близкие «Енисейской» по целям (на месте захоронения) и по вмещающей породе (граниты-гнейсы) действующая ПИЛ ONKALO (Финляндия) и планируемая к сооружению (начало строительства в 2020 году) в Китае (провинция Beishan).

Создание пунктов глубинного захоронения РАО является чрезвычайно сложной проблемой, требующей длительных и масштабных усилий по разработке научно-технических основ и инструментария для оптимизации его характеристик, оценки и обоснования долговременной безопасности. При этом реализация данных исследований происходит в условиях неадекватной и критично острой оценки со стороны общественности и иных заинтересованных участников.

Наличие кадров и ситуация в образовании

Развитие техники и промышленности в начале нового века совпало с проблемой старения кадров. Как следствие — осознание угроз утраты специальных знаний; деградации технологических навыков и потери «know-how»; снижения безопасности и возможности исчезновения инновационного потенциала.

Понимая особые требования, предъявляемые к работникам атомной отрасли, развитые страны считают приоритетным опережающее обеспечение ЯЭ квалифицированными кадрами. Правительства США, европейских стран, Китая планируют развернуть подготовку необходимых специалистов ускоренными темпами. В ряде стран (США, Евросоюзе, Китае, Корее, Японии) приняты государственные программы, направленные на привлечение молодёжи к получению образования в области ядерных технологий.

По оценкам ГК «Росатом», ежегодная потребность в новых специалистах для отрасли составляет 3–3,5 тыс. человек. Таким образом, подготовка компетентного персонала для атомной энергетики является одной из наиболее актуальных проблем развития ядерно-энергетического сектора России.

В настоящее время в 22 российских вузах действуют 32 программы по ядерным специальностям, предусматривающие по окончании обучения получение квалификации инженера (специалиста), и более 25 магистерских программ.

Начиная с 1997 года действует первая в мире магистерская программа по обучению специалистов в области гарантий и охраны ядерных материалов в рамках совместного проекта Министерства энергетики США, ведущих американских ядерных лабораторий и МИФИ (базовый вуз
ГК «Росатом»).

Вместе исследовать и обучать

Объединение усилий при подготовке научных кадров и проведении исследований в области обращения с РАО в рамках научного проекта по созданию подземной исследовательской лаборатории в Нижнеканском массиве стало мотивом для заключения соглашения о сотрудничестве между СФУ, ИБРАЭ РАН и будущим оператором исследовательской лаборатории, которое было подписано 3 октября 2019 года непосредственно на площадке строительства (на фото). Вторым мотивом явилась потребность в специалистах с достаточно уникальной комбинацией специальностей, которые ранее нигде в России целевым образом не готовились.

Подписание соглашения о научном, образовательном и техническом сотрудничестве в области исследований обращения с радиоактивными отходами между ИБРАЭ РАН (справа – И.И. Линге, заместитель директора), ФГУП «НО РАО» (слева – Н.Н. Трохов, заместитель генерального директора) и СФУ  (в центре – М.В. Румянцев, ректор)

Подписание соглашения о научном, образовательном и техническом сотрудничестве в области исследований обращения с радиоактивными отходами между ИБРАЭ РАН (справа – И.И. Линге, заместитель директора), ФГУП «НО РАО» (слева – Н.Н. Трохов, заместитель генерального директора) и СФУ (в центре – М.В. Румянцев, ректор)

Тематика промышленной и экологической безопасности в целом и обращение с радиоактивными отходами в частности исследуется в практическом плане на кафедре техносферной и экологической безопасности Политехнического института СФУ. При этом изучение и преподавание дисциплин, прохождение которых необходимо для сотрудников ПИЛ, уже ведётся в рамках нескольких образовательных программ и специальностей.

Но очевидно, что есть потребность и в создании новых дисциплин с привлечением ресурсов других институтов СФУ (кафедра инженерных систем зданий и сооружений и испытательная лаборатория строительных материалов и химического анализа воды Инженерно-строительного института; Институт горного дела, геологии и геотехнологий; кафедра вычислительной техники Института космических и информационных технологий; кафедры радиотехники
и теплофизики Института инженерной физики и радиоэлектроники) и других организаций: Специального конструкторско-технологического бюро «Наука» Красноярского филиала Института вычислительных технологий СО РАН; Института горного дела имени Н.А. Чинакала СО РАН (г. Новосибирск); Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровский филиал).

В контексте мирового опыта

Все радионуклиды распадаются с разной скоростью: одни за месяцы и годы, другие за столетия (90Sr, 137Cs), а некоторые могут сохранять активность спустя тысячелетия (Am и Pu), и это нужно учитывать ещё на стадии первичной сортировки. Другой важный момент заключается в том, что при естественном снижении суммарной активности РАО происходит увеличение их массы, так называемое разубоживание: на каждом этапе обращения с РАО становятся радиоактивными инструменты, оборудование и реагенты, применяемые в работе, при этом образуются вторичные твёрдые (ТРО) и жидкие (ЖРО) отходы, их масса и объём значительно больше первоначальных.

В статье «Подход МАГАТЭ к захоронению радиоактивных отходов» Ж. Бруно и М. Вестерлинд (МАГАТЭ, секция отходов и экологической безопасности) пишут: «Обращение с РАО должно осуществляться таким образом, чтобы предотвращалось возложение чрезмерного бремени на будущие поколения… Объекты захоронения должны обеспечивать локализацию отходов пассивными средствами (при помощи естественных и инженерных барьеров) и их изоляцию от биосферы на весь период, в течение которого они будут представлять опасность».

Для ОЯТ и долгоживущих высокоактивных отходов это миллион лет. Практически невозможно обосновать такую долговременную безопасность, убедить население и специалистов! Но почему-то даже не предполагается, что уже ближайшие поколения смогут разработать более совершенные технологии, и то, что мы сейчас считаем отходами, для них станет ценным сырьём.

Во Франции, стране с передовой ядерной отраслью, обогащают уран, снижая содержание 235U в исходном сырье с 0,71 до 0,24 %. Снижать сильнее им экономически не выгодно. Обеднённый продукт везут в Россию, где концентрацию 235U снижают ещё более чем в два раза, и это нам экономически выгодно. Возможно, наши потомки и остаточный продукт смогут использовать в реакторах следующих поколений.

В вопросах строительства подземной исследовательской лаборатории в Нижнеканском массиве руководство ФГУП «НО РАО» опирается на зарубежный опыт. Так, для представителей власти, общественных организаций и журналистов Красноярского края с целью знакомства с зарубежным опытом экологически ответственного обращения с РАО был проведён пресс-тур, в котором приняли участие и специалисты СФУ. Мероприятие проходило с посещением муниципалитета Бюр (Франция), где национальным агентством Франции по обращению с радиоактивными отходами ANDRA ведётся работа по изучению вопросов финальной изоляции РАО на базе подземной исследовательской лаборатории «Cigeo».

Учёные СФУ примут активное участие на долгосрочной основе в данном исследовательском проекте мирового уровня. Существует ряд проблем, требующих научного обоснования методологии долговременного надёжного захоронения РАО. Это классификация РАО, возможность вторичного использования в качестве сырья для новых технологий, создание новых материалов для изготовления инженерных барьеров в хранилищах РАО, разработка методик ликвидации чрезвычайных ситуаций при хранении РАО и др. Разрешение этих проблем потребует непосредственного участия специалистов СФУ в научных исследованиях с привлечением студентов и аспирантов. Кроме того, одной из важнейших задач является разработка и развитие образовательных программ для производства инженерных кадров сопровождения данного проекта.

Все работы по созданию ПИЛ ведутся в соответствии с требованиями действующего законодательства, которое подразумевает в том числе информирование населения, органов государственной власти, органов местного самоуправления по вопросам безопасности при обращении с радиоактивными отходами.

Т.А. КУЛАГИНА