Це симпатичне синє світіння Вавилова-Черенкова - єдина можливість для людини безпосередньо відчути (в даному випадку - побачити) радіацію. На жаль, наші органи чуття нічого не скажуть нам, навіть якщо ми потрапимо під удар іонізуючого випромінювання, яке вбиває за хвилину. Радіаційна небезпека АЕС стала частиною сучасної культури, на якій грає безліч конкурентів ядерної енергетики - і ідеологи термоядерних програм не залишаються осторонь, обіцяючи "чисту", позбавлену радіації, енергетику.
Чи так це? Відверто кажучи, немає. Майбутні термоядерні електростанції будуть ядерними об'єктами, з усіма властивими атрибутами (аж до екологів, приковують себе до огорож), однак різниця з АЕС все ж є. Сьогодні я спробую порівняти різноманітні аспекти радіаційної небезпеки, що виходить із АЕС і гіпотетичної ТЯЕС, відштовхуючись від розрахунків, проведених для споруджуваного токамака ІТЕР.
Приклад розрахунку радіаційних полів в будівлі ІТЕР в роботі. Відін, що ближче до самого реактора (він знаходиться в білому колі в центрі) поля досягають 40 Зв / год (4000 Р / год).
Отже, перш за все треба розділити два поняття. Ушкоджувальним організм впливом має іонізуюче випромінювання, а ось його джерелом на ядерних об'єктах служать нестабільні версії атомів - радіоізотопи (ще звані радіонукліди). Небезпека радіонуклідів вимірюється їх радіотоксичністю, тобто "Ядовитостью" при попаданні всередину людини (конкретику по всьому радиоизотопам можна подивитися в біблії дозиметристів). Оскільки реально небезпечні дозування для деяких ізотопів починаються з сотень нанограмм (!), То питання ізоляції радінуклідов від людини носять принциповий характер. Радіоактивний атом знищити, до нього немає антидоту - тому тема поводження з радіоактивними відходами (тобто відходами, що містять розпадаються радіонукліди) одна з найдорожчих у всьому, що стосується ядерної індустрії.
Ось, наприклад, герметично одягнені інспектори на АЕС Фукусіма Даіічі захищаються від радіонуклідів, а не від випромінювання.
Одноразовий одяг персоналу, шлюзування, спец-вентиляція, і спец-спец-вентиляція, установки для випарювання рідин, якими змиваються найменші сліди радіоактивних забруднень, і цементування залишку від випаровування - подібні системи - це щоденна реальність АЕС, радіохімічних заводів і навіть медичних лабораторій, які готують радіоактивні фармпрепарати.
Ось наприклад, ізольована «гаряча камера» для радіохімічного роботи.
Звідки ж беруться нестабільні атоми? З ядерних реакцій. Наприклад, в звичайному реакторі з водою під тиском (типу ВВЕР) швидкий нейтрон здатний вибити з атома кисню води 16о протон і перетворити його в швидко розпадається ізотоп азоту 16N. Той в середньому за 7 секунд розпадеться назад в 16о, попутно випромінюючи квант гамма-радіації. Іншим варіантом є ланцюгова реакція поділу урану, на якій працює атомний реактор. Кожен раз атом 235U розпадається на 2 легших ядра, і тільки в незначній кількості випадків вони стабільні, а переважна кількість дочірніх продуктів розпаду - вельми
Ще приклад ізоляції радінуклідов - одноразовий одяг і душ на виході з потенційно забрудненої зони на Смоленській АЕС. Таким чином перекривається можливість винесення за гермоперіметр радіонуклідів на тілі і одягу.
Таким чином, два основних канали напрацювання радіаційного потенціалу в ядерному реакторі - це активація всього навколо нейтронами і напрацювання радіоактивних продуктів ядерних реакцій. Обидва ці каналу є в будь-якої АЕС і буде в гіпотетичній ТЯЕС. Різниця тільки в деталях.
Якщо взяти єдину доступну на сьогодні реакцію, на якій може працювати термоядерний реактор - злиття дейтерію і тритію (D + T → 4He + n), то на кіловат потужності ми отримаємо в кілька разів більше нейтронів, ніж в ядерному реакторі. Причому ці нейтрони будуть набагато більш енергійними, народжуючи набагато більше злісних активованих ізотопів в навколишньому конструкції. Якщо не вживати якихось зусиль, щоб переробити цей потоку нейтронів, то в цьому аспекті - радіаційному потенціал активації конструкції ТЯЕС з тріском програє АЕС. Так, для ІТЕР маса активованих деталей складе 31000 тонн, тоді як для типового 1000-мегаватного (тобто в 6 разів потужнішого, ніж ІТЕР, якщо вважати по тепловій потужності) ядерного реактора вага активованих конструкцій оцінюється в 8000 тонн.
Оброблення корпусу реактора на частини під водою.
Ще приклад зберігання активованих конструкцій - реакторні відсіки радянських підводних човнів.
Потужність потоку радіації від активованих конструкцій всередині ІТЕР через добу після зупинки буде в межах 10000-50000 тисяч рентген / годину, типового ядерного реактора - 1000-15000 рентген / годину. Такі поля вбивають за хвилини, тому все це добро - радіоактивні відходи, які після завершення кар'єри реактора необхідно розрізати, впорядкувати за активності і відправити на сховища радіоактивних відходів. Найцікавіше, що загальна кількість радіоактивних атомів в цих тисячах тонн становить всього кілька кілограм (у важких випадках - кілька десятків).
* Розрахунок активації конструкцій ІТЕР: зліва вгорі поле у вакуумній камері токамака в зіверт на годину через добу після зупинки, зліва внизу - зниження радіоактивності з роками, справа внизу - зниження радіоактивності, логарифмічна шкала в секундах. Видно розклад по вкладу різноманітних ізотопів в радіоактивність. *
Стратегія роботи з цим радіоактивним спадщиною виглядає так - почекати 10 ... 20 років, поки розпадуться найкоротші (а значить і найактивніші) ізотопи, в т.ч. зменшиться змісту активованого кобальту (знаменитого 60Co з "кобальтової бомби" з періодом напіврозпаду 5.3 року), а потім розібрати і розсортувати на відходи, які можна розмішати до безпечного рівня, наприклад сталеву арматуру, відходи вимагають недовгого зберігання і відходи, що вимагають тривалого зберігання. Останніх набирається зазвичай близько 10% від загальної маси, і час зберігання до розпаду активованих атомів до безпечних рівнів становить 100 ... 1000 років. Досить багато, але далі ми побачимо і зовсім інші цифри.
Ще одна схожа картинка - активація якісної Nuclear grade нержавіючої сталі в ІТЕР-умовах. Цифри дані в зіверт на годину / кг Видно, що хоча за перші 40 років рівень активності значно падає, стосуватися великих деталей з такої сталі не варто і через 200 років.
Ну і звичайно, і під час роботи реакторів і після їх зупинки постійно повинен проводиться комплекс заходів по ізоляції радіонуклідів всередині герметичних оболонок, для цього призначених - бар'єрів нерозповсюдження. Крім недешевих конструкційних / експлуатаційних заходів (наприклад, на ІТЕР свердлити бетон не можна, і тому весь монтаж виконується на вбудовані при заливці в бетон металеві плати) є ще і боротьба з потенційними аваріями.
А ось так виглядає дезактивація радіохімічних установок - все заливається полімерною плівкою, яка віддирається від стін разом з радіонуклідами
Цікаво, що на сьогодні близько сотні зупинених ядерних реакторів були повністю розібрані, іноді з досить головоломними прийомами, типу "розрізання корпусу реактора під водою роботами" або "залити все монтажною піною, розрізати на шматки і вивести на зберігання". Проте технологія ця відпрацьована, і значна частина з десятків тисяч тонн після сортування та відділення особливо активних частин виявляється придатною до переплавки / іншому повторного використання. Особливо досягли успіху в таких операціях німці, розібратися повністю 11 енергетичних реакторів і десяток досвідчених.
* Приклад розбору АЕС до стану чистого поля.
А ось приклад довгострокового сховища радіоактивних відходів в колишній сольовий шахті. *
Резюмуючи - наявність нейтронів призводить до того, що ядерний або термоядерний реактор, незалежно від наявності в ньому ядерного палива, стає об'єктом зі значним ядерним потенціалом. Це означає постійну боротьбу за ізоляцію радіонуклідів, контроль з боку наглядових органів і неіллюзорно смертельну радіаційну небезпеку, в т.ч. для "чистого" термоядерного реактора. Але це ще не найгірше.
Продукти ядерних реакцій.
Сьогодні в реакторах ділення використовуються приблизно однакові тепловиділяючі збірки реакторів (ТВС, часто помилково звані ТВЕЛами, ТВЕЛ - це тільки частина ТВС). Це виріб вагою
700 кілограм, в якому знаходиться
500 кг урану, збагаченого по 235U ізотопу до
4,5%, тобто в кожній ТВЗ міститься 22-23 кг урану 235 і
480 кг урану 238.
Приклад ТВС реакторів ВВЕР (в центрі ТВС-2М, вище ТВСА). У розрізах твелів видно таблетки оксиду урану.
ТВС працює в реакторі 3-4 роки і щороку реактор залишає 30 тонн ВЯП або близько 40 ТВСок. У відпрацьованому паливі міститься майже відсоток U235 і майже відсоток плутонію. Найцікавіше, що це половина плутонію, який утворився в ході кампанії - інше цілком собі згоріло, виробляючи електроенергію. Крім того в ТВС знаходиться 20-25 кілограм продуктів поділу (ПД) - приблизно 60 різних, часто дуже радіоактивних ізотопів. Свіжа опромінена ТВС має радіоактивність на рівні мільйона рентген / годину,
Фактично виходить, що за один рік у вигляді ВЯП реактор випльовує більше радіаційного потенціалу, ніж накопичується в активованих конструкціях за 50 років роботи. Друга проблема - це терміни розпаду радіоактивних продуктів в ВЯП до безпечного рівня. Якщо ПД найчастіше мають не дуже великі періоди напіврозпаду (хоча знамениті стронцій 90 і цезій 137 - близько 30 років. Наприклад вилетіли при чорнобильської аварії стронцій і цезій на сьогодні розпалися приблизно на половину, що б уявляти собі масштаби), через 100 років починають домінувати трансуранові продукти - плутоній, нептуній, америцій, кюрій (останні три відносять до так званим мінорним актинидов, однією з найпроблемніших тем РАО). Страшно радіотоксичність, вони мають періоди напіврозпаду близько сотень і тисяч років, а значить ВЯП буде представляти небезпека не менше кількох сотень тисяч років!
* Радіаційний потенціал ВЯП від часу. FP - продукти ділення. Порівняйте з активованими конструкціями вище!
Навіть через мільйон років ВЯП не повертається до початкових рівнях радіації, що визначаються повільним розпадом урану. *
Один з найбільших в світі «мокрих» сховищ ВЯП. Пригадується соотвествующий комікс xkcd з цього приводу.
Для ВЯП є опція переробки, коли ТВС розділяється на слабоактівірованние конструкції, на уран і плутоній, які можна знову пустити в роботу і продукти ділення. Таким чином обсяг відходів знижується приблизно в 5 разів, і в реактор йде приблизно половина довготривалого радіаційного потенціалу, але це не є остаточним рішенням. Серйозно розглядається так само "пережигание" мінорних актинидов і плутонію в швидких реакторах, що дозволило б скоротити час зберігання залишків з сотень тисяч до кількох тисяч років. Однак все це складні та витратні заходи, в результаті навіть переробка ВЯП, і то не повна, існує тільки в Європі.
До речі, помітну частину відходів переробки становлять
50 ... 80 кілограм сталевих деталей ТВС, які помітно активування. З ними надходять ось так.
А що ж термоядерні реактори? "Відходом виробництва" у них є стабільний гелій-4, яким можна відразу на майданчику надувати дитячі кульки. Правда в роботі використовується радіоактивний тритій, який можна порівняти за небезпекою з плутонієм (а то, що він легко перетворюється в воду і вбудовується в біологічний цикл тільки додає параної). У промисловій ТЯЕС буде циркулювати кількість тритію, порівнянне по загальній активності з викидами в результаті Фукусімській або Чорнобильської аварії (десятки мегакюрі, що відповідає одиницям кілограм тритію). Кілька сотень міліграмів (кілька тисяч кюрі) тритію, до речі, залишиться на внутрішніх поверхнях термоядерного реактора, створюючи додаткові проблеми з їх утилізацією. З іншого боку, в промислових АЕС кількість радіоактивних матеріалів вимірюється в гігакюрі, правда вони в масі своїй не такі летючі, як тритій.
Спеціальне скло, в якому ховають радіоактивні відходи, здатне протистояти ерозійного впливу до мільйона років.
Крім того, на користь ТЯЕС грає період напіврозпаду тритію - 12 років (тобто через 120 років його кількість зменшиться в
1000 разів) і його дуже слабке випромінювання - бета-промені 12,3 кеВ, які добре екрануються навіть 10 см повітря або товстої рукавичкою. Тритій небезпечний тільки при попаданні всередину організму. Проте наявність цього ізотопу на ТЯЕС зажадає маси рухів щодо запобігання потрапляння його назовні - спеціальні ізольовані бокси з пониженим тиском, розташовані всередині герметичних приміщень, система спецвентиляції, розрахунок всіх шляхів поширення тритію при будь-яких аваріях і створення бар'єрів безпеки на всіх цих шляхах і т .п. і т.д.
Прототип системи зберігання і роздачі тритію ІТЕР - зверніть увагу, що вона повністю розташована в герметичних перчаточних ящиках.
Підводячи підсумок можна сказати - якби не ВЯП, які з лишком перекривають будь-які інші джерела радіаційної небезпеки, то ТЯЕС були б не "чистіше", ніж АЕС. Більш того, в силу наявності тритію і більшого ваги активованих конструкцій, вони були б небезпечніше. Однак ВЯП нікуди не дінеться і безпечніше не стане, визначаючи 99% радіаційного потенціалу ядерної енергетики, і заміна всіх реакторів ділення на гіпотетичні термоядерні реактори вже приведе до помітного зниження потенціалу. Друге, набагато важливіше, але складно усвідомлювати перевагу в тому, що радіаційні проблеми ядерної енергетики будуть тільки наростати, і через 1000 років проблема ВЯП може знайти абсолютно інший масштаб, в той час як для ТЯЕС ніколи не буде таких наростаючих століттями проблем з радіоактивними відходами .
Будь ласка, оцініть цю статтю: