Радиоактивные отходы. Технологические основы. Владимир Игоревич Ушаков
ядерным топливом для работы ядерных реакторов является природный уран, обогащенный одним из изотопов урана, а именно – ураном-235. Самоподдерживающаяся реакция деления происходит только в уране-235. Ядро урана-235 распадается под действием поглощенного нейтрона, в результате чего образуются два – три новых нейтрона, продолжающих реакцию. Однако естественное содержание урана-235 в природном уране (0,71% по массе) мало и не достаточно для развития цепной реакции. Только при увеличении этого содержания (обогащении) до определенного уровня (более 2 – 3%) создаются условия для начала реакции, ее развития и выделения ядерной энергии.
Вместе с тем по мере работы реактора количество урана в нем уменьшается, качество ядерного топлива ухудшается за счет его загрязнения продуктами деления, в том числе радиоактивными.
Примечание. Оценки показывают, что в ядерном реакторе мощностью 1 МВт ежедневно расщепляется около 100 г делящихся материалов; столько же образуется радиоактивных продуктов деления (РПД), в том числе около 740 ПБк (20 МКи) радионуклида йод-131, 440 ПБк (12 МКи) инертных радиоактивных газов и 7,4 ПБк (0,2 МКи) стронция-90. При этом на газообразную форму приходится около 20% РПД, из которых примерно 0,1 – 1% попадает в ОС.
При этом возрастают потери нейтронов, эффективность процессов деления ядер урана и энергоотдачи реактора в целом падает. Поэтому через определенное время ядерное топливо подлежит замене. В среднем ежегодно необходимо менять примерно одну третью часть общего количества ядерного топлива реактора (то есть полная замена должна идти через 3 – 4 года). Извлеченная из реактора остаточная часть отработавшего ядерного топлива и составляет основу реакторных РАО. Конечно, стремятся к тому, чтобы она была возможно меньшей, но пока она является неизбежной.
Таким образом, основным видом реакторных РАО является ОЯТ, обладающее огромной активностью и высокой радиационной опасностью. В реакторах, работающих по схеме открытого (разомкнутого) ЯТЦ, отработавшее ядерное топливо вместе с остаточными делящимися материалами исключаются из дальнейшего использования и подлежат хранению или захоронению как РАО. Поэтому разомкнутый ЯТЦ характеризуется низкой эффективностью использования природного урана (до 1%).
Однако, как отмечалось, безоговорочно относить ОЯТ к категории РАО нельзя. Оно содержит «невыгоревший» уран, накопленный плутоний и многие другие полезные компоненты. Возможность повышения эффективности использования урана и вовлечения в ЯТЦ плутония как нового энергоносителя являются основными аргументами в пользу закрытого (замкнутого) цикла. В реакторах, работающих по схеме закрытого ЯТЦ, отработавшее топливо поступает на переработку для повторного использования. В этом случае оно уже не является РАО.
Переработка ОЯТ обходится дорого и связана с большими трудностями, необходимостью его длительной выдержки для заданного спада активности, с повышенной радиационной опасностью технологических