Не навредит

В начале 2000-х Германия отказалась от строительства новых АЭС. К этому привела серия неудачных инициатив, в том числе введение ретроспективного налога в размере порядка 50 миллиардов немецких марок, который ударил по участникам рынка генерации энергии и ограничил срок службы действующих станций. Однако в 2010 году срок эксплуатации энергоблоков, построенных до 1980 года, продлили еще на 8 лет, а более новые получили возможность работать еще 14 лет после истечения срока эксплуатации.

Затем, в 2011 году, после катастрофы на АЭС «Фукусима», дискуссия об отказе от атомной энергетики возобновилась. Иррациональный страх, негативный информационный фон и недостаточная информированность населения вернули Германию на путь отказа от атомной энергетики. В результате страна закрыла семь наиболее возрастных станций, а к 2023 году остановила работу всех остальных. Прекратила свою работу и большая часть исследовательских реакторов — на данный момент вместо 30 штук действуют всего несколько.

Другие страны Европы отказываться от АЭС не спешат. Шведское правительство инициировало отмену закона 1980 года об отказе от ядерной энергетики. В 2022 году возобновилась работа двух реакторов АЭС «Рингхальс», а в дальнейшем планируется обновление действующих станций. В Бельгии запланированное закрытие АЭС откладывается. Польша и Нидерланды планируют расширение атомной энергетики. Франция, где АЭС отвечают за выработку примерно 70 процентов всей электроэнергии, не планирует снижать долю генерируемых на АЭС мощностей — она же остается важнейшим экспортером электроэнергии в Германию.

Международные организации считают, что для выполнения Парижского соглашения к 2050 году странам необходимо увеличить долю ядерной энергетики в генерации электроэнергии. В 2022 году Европарламент проголосовал за включение атомной и газовой энергетики в перечень экологически устойчивых видов генерации энергии. В этом материале вместе с госкорпорацией «Росатом» разбираемся, почему АЭС — один из самых чистых источников энергии.

Не фонит

Отходы атомных электростанций, в отличие от отходов других источников энергии, радиоактивны. Тем не менее атомная энергетика по-прежнему считается одной из самых экологичных. Например, по данным Института ядерной энергии (NEI), за 2020 год благодаря использованию АЭС удалось избежать 471 миллиона тонн выбросов углекислого газа.

Газообразные отходы, которые образуются в процессе эксплуатации АЭС, состоят в основном из благородных газов — химически инертных веществ, которые не вовлекаются в биологические процессы. Большая часть таких отходов улавливается фильтрами или распадается без ущерба для окружающей среды. Одним из главных маркеров, позволяющих отследить влияние АЭС на экологию, считается долгоживущий благородный газ криптон (⁸⁵Kr), который выделяется как в процессе работы реактора, так и в ходе переработки ядерного топлива. В 1970 году в атмосфере содержалось 0,4 беккереля на кубический метр. По оценкам ученых, к 2030 году концентрация может вырасти до 3 беккерелей на кубический метр.

Кроме газообразных в процессе работы АЭС образуются также жидкие и твердые радиоактивные отходы (РАО). Большинство содержащихся в них радиоактивных изотопов имеют малый период полураспада и не представляют серьезной опасности. Поэтому РАО можно безопасно перерабатывать и утилизировать. Подробнее об этом мы поговорим ниже.

В штатном режиме доля выбросов АЭС настолько мала, что радиационный фон вокруг атомных станций неотличим от естественного — их вклад в повышение радиационного фона не превышает 0,01 процента. При этом станции проектируются таким образом, чтобы при выходе за пределы нормальной эксплуатации оставался большой запас для их возвращения в эксплуатационные пределы. И только в том редком случае, когда это невозможно, может возникнуть риск аварийной ситуации. В 2021 году Росатом не зафиксировал ни одного события уровня «1» (аномальная ситуация, выходящая за пределы допустимого при эксплуатации) по Международной шкале ядерных событий (INES).

Если сопоставить атомную энергетику и другие источники энергии по влиянию на экологию, сравнение будет не в пользу последних. Например, тепловые электростанции (ТЭС), использующие для выработки энергии уголь, выбрасывают в атмосферу токсичные соединения свинца, тория, урана и других тяжелых металлов, которые способны накапливаться в организме. Выбросы ТЭС ученые считают более опасными, нежели другие источники загрязнения мелкими твердыми частицами, и связывают с повышенной смертностью.

Кроме того, добыча ископаемых видов топлива сама по себе сопряжена с рисками радиационного заражения. Основная угроза для здоровья людей связана с применением изотопных источников и увеличением концентрации природного радиоактивного газа радона. Он является одной из ведущих причин рака легких, вызывая от 3 до 14 процентов всех случаев этого заболевания.

Много тепла

Согласно второму закону термодинамики, коэффициент преобразования тепла в реакторе АЭС в электрическую мощность составляет около 30–40 процентов. Поэтому 60–70 процентов , которое генерирует реактор, приходится утилизировать через пруд-охладитель или специальные охладительные башни (градирни). Системы, которые отводят тепло в окружающую среду, не контактируют с радиоактивным топливом. Всего у АЭС может быть одна или две, а в три замкнутых системы труб (контуров), по которым циркулирует теплоноситель.

Первый контур необходим для передачи тепла от реактора к парогенераторам: он нагревает теплоноситель (воду) во втором контуре до состояния пара, который толкает лопасти турбины и приводит в движение электрогенератор. Энергия от вращения преобразуется в электричество. Затем отработавший пар конденсируется, отдавая оставшееся тепло в окружающую среду, и снова поступает в парогенератор.

В теплоносителе второго контура неизбежно содержится некоторое количество растворенных газов. Их источниками в наиболее распространенном типе реактора с водяным охлаждением могут быть добавки, необходимые для поддержания оптимальных характеристик теплоносителя, и процессы, которые приводят к изменению его состава: вынесенные капельками из лопаток турбины металлы, коррозия конструкций, радиолиз и наведение радиоактивности. Некоторую роль играет также диффузия газов, которые образуются в результате ядерного деления.

Выброс большого количества тепла в атмосферу может влиять на термодинамический баланс экосистем. В частности, увеличение температуры воды понижает растворимость кислорода и может сказываться на биоразнообразии расположенных поблизости водоемов. Поэтому на водоемах-охладителях различных АЭС, в том числе Кольской, Калининской, Балаковской и Курской, для борьбы с последствиями теплового загрязнения проводятся мероприятия по зарыблению и организуются форелевые хозяйства. Росатом отдает приоритет стимуляции естественных способов очистки водоемов для поддержания их функциональности и природоохранности.

Переработка и захоронение

После использования в реакторе топливо превращается в радиоактивный материал. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) на протяжении нескольких лет хранится на территории атомной станции в бассейнах выдержки. Когда радиоактивность и температура ОЯТ снижаются, а остаточное энерговыделение перестаеттребовать принудительного отвода тепла, его отправляют на переработку.

В большинстве стран с атомной энергетикой реализован так называемый открытый топливный цикл (ОТЦ): отработавшее топливо не участвует в производстве новых тепловыделяющих сборок (ТВС) и отправляется на долговременное хранение либо захоранивается, если выделить оставшиеся в топливе нуклиды невозможно или нецелесообразно.

Россия, напротив, вкладывается в переработку ядерных материалов и на данный момент является лидером по использованию этой технологии. После выделения делящихся нуклидов из ОЯТ формируются новые топливные сборки для дальнейшей эксплуатации. Они частично состоят из оксидов урана и плутония, такое топливо называют МОКС (от англ. MOX — Mixed Oxide Fuel).

Повторное использование делящихся нуклидов из отработавшего топлива — это первый шаг к замкнутому ядерному топливному циклу (ЗТЦ), который подразумевает переработку топлива и повторное использование «несгоревших» делящихся нуклидов. Наиболее ценным компонентом для атомной энергетики считается неиспользованный уран-235, а также делящиеся изотопы плутония-239 и плутония-241.

Однако в полной мере использовать делящиеся нуклиды в ядерном топливе пока невозможно. Дело в том, что внутри реактора накапливаются продукты деления, способные захватывать свободные нейтроны. Это снижает вероятность деления урана-235, а также изотопов плутония, который образуется в топливе и создает трудности для поддержания нейтронного баланса. В реакторе типа ВВЭР доля неиспользованного урана-235 составляет порядка 50 процентов, а количество наработанного плутония — порядка 50 процентов от выгоревшего урана, то есть в топливе оказывается порядка одного процента плутония-239 и плутония-241.

Радиоактивные материалы, использование которых не считается целесообразным или связано с неоправданными рисками для человека и окружающей среды, называют просто отходами.

Существуют различные подходы для классификации радиоактивных отходов (РАО), однако главными критериями считаются удельная радиоактивность и выделяемая теплота. По активности РАО делятся на высокоактивные (ВАС), среднеактивные (САО) и низкоактивные отходы (НАО). Также существует классификация по агрегатному состоянию: твердые (ТРО) и жидкие (ЖРО). Иногда также выделяют газообразные отходы (ГРО), которые после оседания на фильтрах переходят в разряд твердых отходов.

Обращение с ЖРО и ТРО средней и низкой активности, как правило, не вызывает трудностей. Их объем уменьшается с помощью выпаривания и, где это возможно, или сжигания. Затем отходы остекловывают или цементируют, помещают в контейнеры и захоранивают. Чаще всего для этого используется закрытое хранилище на глубине сотен метров под землей, которое создается с расчетом на то, чтобы захороненные отходы не контактировали с грунтовыми водами и поверхностью. Программы по глубинному геологическому захоронению ОЯТ разрабатываются, например, в Канаде, США и Японии.

Сложнее с высокоактивными отходами. Если они состоят преимущественно из короткоживущих изотопов, то выдерживаются до тех пор, когда их можно перевести в категорию САО или даже РАО. Отходы из долгоживущих изотопов выдерживают, пока энерговыделение не снизится настолько, что им более не потребуется охлаждение. После они также остекловываются или цементируются и отправляются в захоронения глубоко под землей.

Планы на будущее

Существует несколько вариантов по безвредному обращению с ядерным топливом, ОЯТ и РАО в будущем:

• Во-первых, запуск большего количества реакторов на быстрых нейтронах. Этот тип реакторов совместим с переработанным топливом и производит больше плутония, который можно использовать при создании топлива для реакторов на медленных нейтронах типа ВВЭР. В перспективе это позволит снизить эксплуатацию существующих месторождений урана, а также более эффективно сжигать топливо, а значит, снизить объем высокоактивных РАО и уменьшить потенциальное число глубинных захоронений.
  
• Во-вторых, максимальное использование топлива с минимальной переработкой в реакторах с тяжелой водой в качестве замедлителя. Наиболее подходящими для этого являются реакторы типа CANDU. Такой подход позволяет существенно увеличить глубину выгорания топлива, используя отработавшее топливо реакторов с водой под давлением (PWR, ВВЭР), и увеличить наработку плутония, который можно возвращать в цикл после переработки ОЯТ.

Не исключено, что электроэнергия будет добываться с использованием так называемых «реакторов-утилизаторов». В качестве топлива они используют солевые расплавы, включающие элементы отработавшего топлива с АЭС: торий, плутоний и другие. Подобные разработки ведет, например, компания Terrestrial Energy.

Кроме того, существуют проекты, которые используют эффект бегущей волны. Это принципиально новая технология, которая в перспективе может позволить утилизировать обедненный уран (хвосты, получаемые в результате обогащения топлива). Реактор на бегущей волне не использует весь объем топлива. Энергия генерируется за счет постепенного превращения урана-238 в плутоний, который делится с высвобождением тепла и превращает оставшийся уран в плутоний до тех пор, пока не израсходуется весь объем топлива.

В качестве долгосрочной замены урана-235 энергетики рассматривают ториевое топливо. Торий встречается чаще и сам по себе не является делящимся нуклидом, однако может превратиться в изотоп урана-233. Реактор для реализации ториевого ядерного топливного цикла, который должен снизить количество долгоживущих высокоактивных элементов, разрабатывают в Индии.

Наконец, государства и частные инвесторы вкладывают значительные деньги в развитие термоядерного синтеза, даже несмотря на то, что освоить эту технологию не могут уже более 50 лет. Она не производит вредных выбросов и способна генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива. Россия участвует в проекте международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР). Его цель — получить больше энергии, чем необходимо затратить на запуск термоядерной реакции. В 2022 году это удалось сделать ученым из Ливерморской национальной лаборатории. Правда, при затратах в 3,5 миллиарда долларов энергии хватило только на то, чтобы вскипятить чайник.

***

Усилия атомщиков всего мира направлены на снижение количества существующих отходов и ОЯТ благодаря их повторному использованию, переработке и захоронению. Также ведется работа по модернизации топливных циклов и ядерных технологий, которые способствуют развитию безотходной атомной энергетики. Все это позволяет снижать и без того малое влияние АЭС как безуглеродного источника тепла и электроэнергии на население и окружающую среду.

Реклама: Частное Учреждение «Центр Коммуникаций», ИНН 9705152344, erid: LjN8KPG5q