Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) является одной из неприятных проблем и в какой-то степени болевой точкой ядерной энергетики. Свежее ОЯТ предельно смертоносно — стоя в метре от извлеченной из реактора ТВС ОЯТ вы рискуете за 10-20 секунд получить смертельную дозу. Полежавшее лет 30 ОЯТ становится менее губительно с точки зрения излучения, но вот его радиотоксичность (т.е. токсичность при облучении тканей тела изнутри) остается вполне на уровне — смертоносным является кусочек в 20-30 мг ОЯТ.
Тема сегодняшнего поста — геологическое захоронение ОЯТ. Наиболее продвинутый проект — финский, предполагает хранение в таких колодцах глубоко под землей
Атомную индустрию, впрочем, спасает относительная незначительность объемов ОЯТ. Если гигаваттная угольная ТЭЦ имеет дело с сотнями тысяч тонн золы за год, то АЭС — всего с 30 тоннами ОЯТ (~40 кассет). Тем не менее, при работе 400 блоков в течении десятилетий ОЯТ в мире накопилось весьма немало — порядка 280 тысяч тонн, сотни тысяч ТВС. Разумеется, уже много десятилетий существует вопрос «что же делать с этим ОЯТ» и столько же — несколько вариантов ответа:
Не смотря на очевидность решения 3, до сих пор нигде в мире захоронение ОЯТ на индустриальную основу не поставлено. Причина тому, как мне кажется, в том, что вместе с окончательностью захоронения, приходит и окончание перекладывания ответственности за этот шаг. Ответственность тут лежит прежде всего в том, что хранилище может оказаться ненадежным, и потечь не через 600 тысяч лет, а через 10 тысяч. И не то, что бы это сильно волновало менеджмент таких проектов — больше их волнует доказательства ненадежности хранилищ еще при их жизни. Ведь обоснования надежности на сотни тысяч лет требуют экстремальной экстраполяции — с экспериментальных наблюдений за потенциальной площадкой захоронения в пару десятков лет до, собственно, сотен тысяч, аналогично это касается вопросов коррозии. В последнем моменте ошибки округления при экспериментальных замерах могут означать выбор между результатами «проест через 5000 лет» и «простоит 500000.
Экспозиция площадки финского проекта Онкало — на переднем плане надземные сооружения и виден вход в туннель. На заднем плане трехблочная АЭС Олкилуото, которая, кстати, обладает своим подземным захоронением для средне и низкоактивных РАО
Второй момент, вокруг которого крутится мучения с реализацией проектов конечного захоронения — ценность ОЯТ. Потенциально каждая тонна ОЯТ содержит в себе полтора процента делящихся веществ (нечетных изотопов плутония и урана 235), а также порядка килограмма палладия и рутения — драгоценных металлов. На сегодня добыча этого из ОЯТ не окупает возни с радиохимией, но довольно долго существовало ощущение, что энергетический плутоний еще очень пригодится при запуске массовых програм ЗЯТЦ.
Пока хранение ОЯТ на финских АЭС Онкало и Ловииса осуществляется в мокрых хранилищах, как на картинке
В целом, на сегодня есть две страны, которые плюнули на эти метания и реализуют программы окончательного геологического захоронения — это Финляндия и Швеция и несколько стран, которые серьезно инвестируют в изучение конкретных площадок для окончательного захоронения ОЯТ (это США, Южная Корея, Тайвань и в какой-то мере Япония). В то же время в странах, где серьезно занимаются переработкой ОЯТ (Франция, Россия, Великобритания) присматриваются к геологическому захоронению высокоактивных остатков переработки ОЯТ — технологии, которую в принципе можно „переобуть“ в прямое захоронение ОЯТ при надобности.
После слегка затянувшегося предисловия, предлагаю посмотреть на финский подход к захоронению, реализуемый компанией Posiva Oy на площадке Онкало в паре километров от АЭС Олкилуото.
Схема существующих на сегодня подземных выработок Онкало. Примерно от позиции „Technical facilities“ будут расходится туннели для размещения ОЯТ
Захоронение предполагается выполнять в гранитном массиве на глубине около 420 метров в ходе проекта примерно столетней длительности (начало реального размещения — 2020е, окончание — не ранее 2120), предполагающего строительство довольно грандиозного подземного комплекса. Сейчас планы построены на существующие АЭС, что подразумевает размещение ~2800 пеналов для трех типов ТВС (которые есть в Финляндии — ВВЭР-440, ASEA BWR и еще не пущенный EPR-1600). В принципе „площадей“ захоронения может хватить и еще на все перспективные АЭС (в т.ч. Ханхикиви), но пока объем оставлен таким.
Онкало построен буровзрывным методом. В кадре как раз машина для забуривания шпуров
На захоронение будут поступать ТВС ОЯТ с минимальным сроком выдержки в 20 лет, что облегчает работу с ними. Проектно работа с ТВС выглядит так — выгрузка из транспортного контейнера, укладка в вакуумно-сушильное устройство захораниваемой в одном пенале партии (8 ТВС ВВЭР или BWR или 5 ТВС EPR-1600), затем перегрузка в пенал. Пенал представляет из себя литую чугунную конструкцию с пазами для ТВС, которая располагается в оболочки из 50-мм меди (которая в бескислородных условиях оказывается наиболее стойкой к длительной коррозии из промышленных металлов). Далее пенал вакуумируется и заполняется аргоном, перевозится в станцию заварки крышки (медной). Крышка заваривается, инспектируется, после чего пенал готов к захоронению.
Пенал типа OL-1 для хранения кассет от реакторов BWR. Медная крышка после сборки будет завариваться электронно-лучевой сваркой, роботами в вакууме — Финляндия, как всегда, славится своим вакуумом, роботами и электронными лучами...
После спуска на горизонт захоронения пенал перевозят в туннель размещения — размерами 3,5х4 метра, в полу которого через каждые 10 метров высверлен колодец глубиной 8 и диаметром 1,8 метров. Сами пеналы имеют диаметр чугунной сердцевины в 1052 мм, длину от 4 до 6 метров (для разных видов ТВС) и вес 30-40 тонн. Все пространство между пеналом и стенками колодца заполняется прессованными блоками из бентонита (которые, насколько можно понять, выполняют роль поглотителя влаги), а в последствии и сам туннель должен быть заполнен сухим бентонитом, а по полному исчерпанию мест в начале туннеля заливается большая бетонная пробка.
Вообще, судя по толщине крышки пенала, ослабление гамма-излучения ОЯТ будет не таким и большим, поэтому установка пеналов под землей будет довольно непростой с т.з. инженерии задачей
Для перемещения пеналов и бентонитовых блоков разрабатывается соответствующая подземная техника
На этом видео демонстрируется работа системы по установке бентонитовых пробок. Лазерное позиционирование и повсеместная механизация подсказывает, что технические требования к барьерам нераспространения (плотности и прочности в т.ч.) весьма непросты.
Машина для сверления колодцев захоронения.
В настоящее время подземная инфраструктура практически достроена и готова… к началу эксперимента по захоронению — в течении следующего года будет проведена экспериментальная отработка процедуры „похорон“, а затем, с 2018 по 2023-27 годы пойдет контролируемый эксперимент по измерению реальной ситуации вокруг пенала, для валидации всех обоснований безопасности, которые Posiva разработала за последние 40 лет (да-да, именно столько лет идут исследования по этой теме), и подала в финский атомнадзор STUK. Если все будет хорошо, то будет получена эксплуатационная лицензия и начнется реальная работа по сокращению количества ОЯТ в Финляндии.
Планируемые объемы подъемных выработок впечатляют
Кстати, начала 80х по 1996 года Финляндия отправляла ОЯТ АЭС Ловииса с реакторами ВВЭР-440 в СССР/Россию на переработку, и насколько я могу понять, ВАО от этой переработки до сих пор хранится на Маяке. Затем эта деятельность была оценена финами, как невыгодная. Сложно сказать, во сколько обходилась переработка ВАО на Маяке в 80х, но сейчас обычно оперируют цифрами в 1000-1500 долларов за кг переработанных тяжелых металлов. При этом с каждой тонны ОЯТ получается около 150 кг высокоактивных остеклованных отходов, которые так же надо захоранивать.
Онкало
В тоже время проект Онкало оценивается сейчас в 1,1 млрд евро (не ясно, впрочем, на какой период), планируется захоронить 1000 тонн ОЯТ в самой ближайшей перспективе и 6500 тонн всего, что дает затраты меньше, чем на переработку + захоронение. Существует так же оценка общих затрат в 3,1 млрд евро (очевидно в сегодняшних ценах) до 2114 года. Расходы будут покрываться отчислениями финских АЭС в размере 0,17 цента за кВт*ч (т.е. составлять незначительную часть цены продажи э/э).
Подводя итог, хочется сказать, что старт реального захоронения (не раньше 2024 года, впрочем) может дать ощутимый толчок этому направлению и удешевлению его в будущем. Это хорошо, потому что наряду с проблематичным ЗЯТЦ выстраивается альтернативная, малозатратная ветка атомной энергетики — с добычей урана в море при его стоимости около 300-400 долларов за кг (а скорее меньше в будущем) и захоронением ОЯТ вышеописанным способом — из сердца вон и с глаз долой. Стоимость такой электроэнергии может быть сравнимой со перспективной стоимостью э/Э ВИЭ с балансировкой, при этом никаких революционных разработок не потребуется.
Тема сегодняшнего поста — геологическое захоронение ОЯТ. Наиболее продвинутый проект — финский, предполагает хранение в таких колодцах глубоко под землей
Атомную индустрию, впрочем, спасает относительная незначительность объемов ОЯТ. Если гигаваттная угольная ТЭЦ имеет дело с сотнями тысяч тонн золы за год, то АЭС — всего с 30 тоннами ОЯТ (~40 кассет). Тем не менее, при работе 400 блоков в течении десятилетий ОЯТ в мире накопилось весьма немало — порядка 280 тысяч тонн, сотни тысяч ТВС. Разумеется, уже много десятилетий существует вопрос «что же делать с этим ОЯТ» и столько же — несколько вариантов ответа:
- Ничего не делать, хранить на площадках, оставить проблему потомкам. Очень технологично, удобно и дешево, но иногда как-то некомфортно морально.
- Переработать. А! Вот наверное решение проблемы? Не совсем. Переработка в данном случае — это по сути концентрация/сортировка радиоактивности ОЯТ по степени вредности, но при этом сами радионуклиды никуда не деваются. Как бонус — сокращаются объемы под захоронение
- Захоронение. Изоляция под землей ОЯТ таким образом чтобы за следующие 100-500 тысяч лет оно там и осталось, никак не попадая в человеческий мир. Нужно также и для варианта 2, хотя тут есть свои нюансы.
Не смотря на очевидность решения 3, до сих пор нигде в мире захоронение ОЯТ на индустриальную основу не поставлено. Причина тому, как мне кажется, в том, что вместе с окончательностью захоронения, приходит и окончание перекладывания ответственности за этот шаг. Ответственность тут лежит прежде всего в том, что хранилище может оказаться ненадежным, и потечь не через 600 тысяч лет, а через 10 тысяч. И не то, что бы это сильно волновало менеджмент таких проектов — больше их волнует доказательства ненадежности хранилищ еще при их жизни. Ведь обоснования надежности на сотни тысяч лет требуют экстремальной экстраполяции — с экспериментальных наблюдений за потенциальной площадкой захоронения в пару десятков лет до, собственно, сотен тысяч, аналогично это касается вопросов коррозии. В последнем моменте ошибки округления при экспериментальных замерах могут означать выбор между результатами «проест через 5000 лет» и «простоит 500000.
Экспозиция площадки финского проекта Онкало — на переднем плане надземные сооружения и виден вход в туннель. На заднем плане трехблочная АЭС Олкилуото, которая, кстати, обладает своим подземным захоронением для средне и низкоактивных РАО
Второй момент, вокруг которого крутится мучения с реализацией проектов конечного захоронения — ценность ОЯТ. Потенциально каждая тонна ОЯТ содержит в себе полтора процента делящихся веществ (нечетных изотопов плутония и урана 235), а также порядка килограмма палладия и рутения — драгоценных металлов. На сегодня добыча этого из ОЯТ не окупает возни с радиохимией, но довольно долго существовало ощущение, что энергетический плутоний еще очень пригодится при запуске массовых програм ЗЯТЦ.
Пока хранение ОЯТ на финских АЭС Онкало и Ловииса осуществляется в мокрых хранилищах, как на картинке
В целом, на сегодня есть две страны, которые плюнули на эти метания и реализуют программы окончательного геологического захоронения — это Финляндия и Швеция и несколько стран, которые серьезно инвестируют в изучение конкретных площадок для окончательного захоронения ОЯТ (это США, Южная Корея, Тайвань и в какой-то мере Япония). В то же время в странах, где серьезно занимаются переработкой ОЯТ (Франция, Россия, Великобритания) присматриваются к геологическому захоронению высокоактивных остатков переработки ОЯТ — технологии, которую в принципе можно „переобуть“ в прямое захоронение ОЯТ при надобности.
После слегка затянувшегося предисловия, предлагаю посмотреть на финский подход к захоронению, реализуемый компанией Posiva Oy на площадке Онкало в паре километров от АЭС Олкилуото.
Схема существующих на сегодня подземных выработок Онкало. Примерно от позиции „Technical facilities“ будут расходится туннели для размещения ОЯТ
Захоронение предполагается выполнять в гранитном массиве на глубине около 420 метров в ходе проекта примерно столетней длительности (начало реального размещения — 2020е, окончание — не ранее 2120), предполагающего строительство довольно грандиозного подземного комплекса. Сейчас планы построены на существующие АЭС, что подразумевает размещение ~2800 пеналов для трех типов ТВС (которые есть в Финляндии — ВВЭР-440, ASEA BWR и еще не пущенный EPR-1600). В принципе „площадей“ захоронения может хватить и еще на все перспективные АЭС (в т.ч. Ханхикиви), но пока объем оставлен таким.
Онкало построен буровзрывным методом. В кадре как раз машина для забуривания шпуров
На захоронение будут поступать ТВС ОЯТ с минимальным сроком выдержки в 20 лет, что облегчает работу с ними. Проектно работа с ТВС выглядит так — выгрузка из транспортного контейнера, укладка в вакуумно-сушильное устройство захораниваемой в одном пенале партии (8 ТВС ВВЭР или BWR или 5 ТВС EPR-1600), затем перегрузка в пенал. Пенал представляет из себя литую чугунную конструкцию с пазами для ТВС, которая располагается в оболочки из 50-мм меди (которая в бескислородных условиях оказывается наиболее стойкой к длительной коррозии из промышленных металлов). Далее пенал вакуумируется и заполняется аргоном, перевозится в станцию заварки крышки (медной). Крышка заваривается, инспектируется, после чего пенал готов к захоронению.
Пенал типа OL-1 для хранения кассет от реакторов BWR. Медная крышка после сборки будет завариваться электронно-лучевой сваркой, роботами в вакууме — Финляндия, как всегда, славится своим вакуумом, роботами и электронными лучами...
После спуска на горизонт захоронения пенал перевозят в туннель размещения — размерами 3,5х4 метра, в полу которого через каждые 10 метров высверлен колодец глубиной 8 и диаметром 1,8 метров. Сами пеналы имеют диаметр чугунной сердцевины в 1052 мм, длину от 4 до 6 метров (для разных видов ТВС) и вес 30-40 тонн. Все пространство между пеналом и стенками колодца заполняется прессованными блоками из бентонита (которые, насколько можно понять, выполняют роль поглотителя влаги), а в последствии и сам туннель должен быть заполнен сухим бентонитом, а по полному исчерпанию мест в начале туннеля заливается большая бетонная пробка.
Вообще, судя по толщине крышки пенала, ослабление гамма-излучения ОЯТ будет не таким и большим, поэтому установка пеналов под землей будет довольно непростой с т.з. инженерии задачей
Для перемещения пеналов и бентонитовых блоков разрабатывается соответствующая подземная техника
На этом видео демонстрируется работа системы по установке бентонитовых пробок. Лазерное позиционирование и повсеместная механизация подсказывает, что технические требования к барьерам нераспространения (плотности и прочности в т.ч.) весьма непросты.
Машина для сверления колодцев захоронения.
В настоящее время подземная инфраструктура практически достроена и готова… к началу эксперимента по захоронению — в течении следующего года будет проведена экспериментальная отработка процедуры „похорон“, а затем, с 2018 по 2023-27 годы пойдет контролируемый эксперимент по измерению реальной ситуации вокруг пенала, для валидации всех обоснований безопасности, которые Posiva разработала за последние 40 лет (да-да, именно столько лет идут исследования по этой теме), и подала в финский атомнадзор STUK. Если все будет хорошо, то будет получена эксплуатационная лицензия и начнется реальная работа по сокращению количества ОЯТ в Финляндии.
Планируемые объемы подъемных выработок впечатляют
Кстати, начала 80х по 1996 года Финляндия отправляла ОЯТ АЭС Ловииса с реакторами ВВЭР-440 в СССР/Россию на переработку, и насколько я могу понять, ВАО от этой переработки до сих пор хранится на Маяке. Затем эта деятельность была оценена финами, как невыгодная. Сложно сказать, во сколько обходилась переработка ВАО на Маяке в 80х, но сейчас обычно оперируют цифрами в 1000-1500 долларов за кг переработанных тяжелых металлов. При этом с каждой тонны ОЯТ получается около 150 кг высокоактивных остеклованных отходов, которые так же надо захоранивать.
Онкало
В тоже время проект Онкало оценивается сейчас в 1,1 млрд евро (не ясно, впрочем, на какой период), планируется захоронить 1000 тонн ОЯТ в самой ближайшей перспективе и 6500 тонн всего, что дает затраты меньше, чем на переработку + захоронение. Существует так же оценка общих затрат в 3,1 млрд евро (очевидно в сегодняшних ценах) до 2114 года. Расходы будут покрываться отчислениями финских АЭС в размере 0,17 цента за кВт*ч (т.е. составлять незначительную часть цены продажи э/э).
Подводя итог, хочется сказать, что старт реального захоронения (не раньше 2024 года, впрочем) может дать ощутимый толчок этому направлению и удешевлению его в будущем. Это хорошо, потому что наряду с проблематичным ЗЯТЦ выстраивается альтернативная, малозатратная ветка атомной энергетики — с добычей урана в море при его стоимости около 300-400 долларов за кг (а скорее меньше в будущем) и захоронением ОЯТ вышеописанным способом — из сердца вон и с глаз долой. Стоимость такой электроэнергии может быть сравнимой со перспективной стоимостью э/Э ВИЭ с балансировкой, при этом никаких революционных разработок не потребуется.
