![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6cb/fcf/b6e/6cbfcfb6ece19e29e2c80e7f1648102d.jpg)
В этой статье я попытаюсь ознакомить читателя с лидирующей, на данный момент, технологией хранения отработавшего ядерного топлива – так называемым, «сухим» хранением. Ну и конечно доказать, почему хранение ОЯТ это не «свалка отходов» и не «ядерный могильник».
Пролог
На данный момент в мире ядерной энергетики сложилась ситуация, которую вряд ли ожидали увидеть ещё 30-40 лет тому назад.
Создатели «мирного атома» верили не только в получение большого количества тепла при использовании достаточного малого количества топлива, но также «изюминкой» считалась возможность наработки этого самого топлива в реакторах-бридерах, либо же выделение полезных продуктов деления из отработавшего ядерного топлива для дальнейшего повторного вовлечения их в ядерный топливный цикл. Не зря, первое в мире электричество (не путайте с Первой АЭС, которая была подключена к энергосети) было получено как раз с помощью реактора на быстрых нейтронах, такого, который может не только генерировать электричество, но и топливо для последующих загрузок.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/19e/451/a73/19e451a73b857bb47c6bafc6f822c681.jpg)
Первое электричество, подходящее по параметрам для использования, было получено 20 декабря 1951 года. Реактор EBR-1 запитал 4 лампочки по 200 Ватт.
Но, к сожалению, на деле не все было так радужно, как в теории. Наш EBR-1 столкнулся с некоторыми проблемами, а развитие атомной промышленности в основном ушло от тематики быстрых реакторов, дав дорогу реакторам на тепловых нейтронах.
Переработку ОЯТ с целью извлечения полезных продуктов деления и снижения остаточной активности также постигла трудная участь.
С экономической точки зрения переработка выгодна только в больших объёмах, а также из-за сложности технологического процесса и вопросов контроля ядерного материала, её смогли в итоге позволить лишь немногие страны.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/960/441/5b6/9604415b6c242dbe96036fbc4552d70f.jpg)
Всего выходит 2940 т/год, и это при том, что выгружается из всех действующих реакторов около 10000 т/год.
Учитывая постоянно увеличивающиеся объемы накопления отработавшего топлива, во многих (почти во всех) странах, использующих ядерную энергию, быстро возник вопрос о способе обращения и утилизации отработавшего ядерного топлива.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/a03/32e/6eb/a0332e6eb375c4de173b9cf30f9535f2.jpg)
Как видно, количество ОЯТ, которое подлежит временному хранению, постоянно растёт (МАГАТЭ).
На данный момент, все страны, использующие ядерную энергию, условно разделились на три лагеря:
- Страны, полностью либо частично перерабатывающие ОЯТ с целью использования продуктов деления для изготовления MOX-топлива.
- Страны, заявившие о желании окончательно захоронить своё ОЯТ, и активно занимающиеся разработкой проектов по окончательному захоронению.
- Страны, отложившие окончательное решение вопроса по обращению ОЯТ на потом («wait and see» позиция).
И последних стран, конечно же, абсолютное множество. Проблемы, связанные с хранением ОЯТ с каждым годом становятся всё глобальнее. Даже если страна отказывается от дальнейших планов по развитию атомной отрасли, то вопрос по обеспечению безопасного обращения с ОЯТ будет актуален как минимум несколько десятилетий.
Немного истории
Изначально превалирующее большинство хранилищ отработавшего топлива, были так называемого «мокрого» типа. Но учитывая их недостатки, а также прогресс инженерной мысли, постепенно, начиная с 80-х годов прошлого века, начали появляться именно «сухие» хранилища.
Они обладают весомыми преимуществами, которые и послужили толчком к развитию всей технологии:
- возможность строительства очередями и более низкие начальные инвестиции в сооружение;
- пассивная система отвода остаточных тепловыделений от ОТВС;
- незначительное образование РАО при эксплуатации хранилища, почти полное отсутствие образования жидких РАО;
- низкие эксплуатационные затраты (намного ниже, чем затраты при хранении ОТВС в бассейнах).
Что же такое «сухое» хранилище ОЯТ?
Принципиально можно выделить следующие типы технологий сухого хранения ОЯТ: технологию контейнерного хранения и технологию модульного хранения. Остановлюсь я именно на контейнерном хранении.
История контейнерных хранилищ, пожалуй, начинается в 1986 году, когда ядерный регулятор США выдал лицензию на эксплуатацию сухого контейнерного хранилища ОЯТ на площадке АЭС Сарри в штате Вирджиния.
Общий принцип контейнерного хранения ОЯТ заключается в том, что наше отработавшее топливо хранится в герметичных металлических корзинах, заполненных инертным газом, обычно гелием, а сами корзины располагаются в корпусе защитного контейнера. Прочная конструкция корпуса контейнера служит в качестве радиационной защиты, а также предотвращает повреждение металлической корзины. Контейнер может быть как бетонный, так и металлический. Теплоотвод осуществляется за счет естественной конвекции окружающего воздуха.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/0d7/637/310/0d763731085df87f91b9055352b7da20.jpg)
Операции сначала производятся на площадке АЭС, а после контейнер с топливом (количество ТВС зависит от типа реактора и конструкции контейнера) отправляется на площадку хранения.
Транспортирование осуществляется либо вертикальным транспортером (если хранилище пристанционное), либо автотранспортом или специальным поездом, путешествуя по железным дорогам общего пользования.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/d27/17b/4c2/d2717b4c282a754a38f4d6b125d81c47.jpg)
Производится загрузка корзины отработавшими тепловыделяющими сборками, далее осуществляется заварка, осушка и заполнение корзины гелием и её перегрузка в бетонный контейнер.
В настоящее время принято различать контейнеры одноцелевого назначения (single-purpose system), двухцелевые контейнеры (dual-purpose system) и контейнеры многоцелевого назначения (multi-purpose system). Разница состоит в количестве операции, для которых может быть использован данный контейнер: хранение, транспортировка, долгосрочное захоронение.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/ffa/0d5/d58/ffa0d5d58b50170868e2a546a913efbc.jpg)
Общий вид металлического контейнера для хранения ОЯТ представлю на примере контейнера для ОТВС ВВЭР 1000.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/abf/fb4/718/abffb471892e067d4560fe71318d4c24.jpg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/091/214/7dc/0912147dc60876bb1363e701ddf910cf.jpg)
- Та самая корзина, предназначенная для загрузки в нее ОТВС (видно шестигранные чехлы, в которые помещаются ОТВС).
- Каналы для установки нейтронного поглотителя (стальные или алюминиевые стержни легированные бором). Устанавливаются для того, чтобы система была подкритична, то есть отсутствовала возможность возникновения цепной реакции деления.
- Цапфы для транспортных операций с контейнером.
- Толстостенная металлическая оболочка. Обеспечивает физическую и радиационную безопасность.
- Крышки, закрывающие канистру (1 крышка) и внешний металлический контейнер (2 крышки), для обеспечения как можно лучшей радиационной обстановки вблизи контейнера. Так же комплектуются отверствиями для установки гелиевых клапанов, для заполнения корзины гелием, который обеспечивает теплоотвод и инертность среды в корзине.
На контейнеры с ОЯТ, устанавливаются датчики температурного контроля, а сами контейнеры устанавливаются на штатное место на площадке хранения.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/637/5ce/d8f/6375ced8f6b4b0f743746a89c60d90a5.jpg)
Как видите, даже шаг между контейнерами установлен специально. Делается это для обеспечения ядерной и радиационной безопасности персонала.
Площадки бывают пристанционные, и находящиеся отдельно от площадок АЭС. Топливо туда доставляется в специальных транспортных контейнерах.
Так и стоит наше топливо, в течении нескольких десятков лет (от 50 до 100), ожидая своей участи (будет ли это переработка или захоронение – каждая страна решит сама для себя).
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c6d/70f/4a2/c6d70f4a2b2781965c49adc03b532d4a.jpg)
Обеспечение безопасности
Хранилище ОЯТ, согласно стандартам МАГАТЭ, является ядерной установкой. Соответственно, требования к безопасности почти такие же, как и к безопасности АЭС.
При проектировании контейнеров выполняются расчеты на прочность для аварийных ситуаций (падение транспортного контейнера с высоты 9 м.), расчеты тепловых режимов для нормальной эксплуатации и аварий. Конечно же, большое внимание уделяется нейтронно-физическим расчетам для обеспечения подкритичности и расчетам биологической защиты.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/289/66f/861/28966f861852202d1421bcbcd4bca827.gif)
Падение контейнера с высоты 9 метров (всего лишь тест).
С развитием инженерных расчётных программ объёмы всевозможных анализов безопасности постоянно увеличиваются. Отдельным пунктом выступают лабораторные испытания и натурные тесты.
![image](http:///pp.vk.me/c837722/v837722349/175b2/KYv0-HMhov8.jpg)
Моделирование падения Boeing 767 на группу контейнеров.
На данном этапе ведутся исследования по определению характеристик топлива при долгосрочном хранении для обоснования ресурса контейнеров более чем на 100 лет. Проектируются контейнеры с использованием материалов и геометрии для возможности выгружать ОТВС с меньшем временем выдержки в приреакторном бассейне либо для MOX-топлива. Транспортные контейнеры проектируются для железной дороги, автотранспорта и даже самолётов.
В итоге, можно заметить, что контейнерное хранилище ОЯТ, это сложный с инженерной точки зрения проект, а сами контейнеры, являются плодом долгих лет работы инженеров. Обеспечение безопасности является основной задачей при обращении с отработавшим топливом. Следовательно, современные системы хранения и обращения с ОЯТ никак не могут быть сравнимы с обычными бочками.