Ядерная энергетика: как утилизировать уран?

Разновидность энергии, которая высвобождается из центральной части атомов – ядер, состоящих из нейтронов и протонов, называется ядерной. Ее источником являются два физических процесса: деление – то есть распад атома на несколько частей и синтез –слияние атомов. Эти процессы используются для производства электроэнергии, без которой представить современную цивилизацию невозможно, ведь она необходима для создания электричества. Примечательно, что современные атомные электростанции производят возобновляемую, чистую энергию, которая не загрязняет воздух и не выделяет парниковых газов. Но как и во всех отраслях промышленности и производства, использование ядерной энергии приводит к образованию чрезвычайно токсичных материалов, контакт с которыми может привести к ожогам, повышенному риску развития рака, заболеваниям крови и разрушению костей.

Добыча урана опасна, а радиация вредит здоровью

Радиоактивный материал – совокупность нестабильных атомных ядер, которые теряют энергию и могут воздействовать на многие окружающие их материалы, включая живые организмы и окружающую среду.

Деление атомов как источник энергии

Идея ядерной энергетики зародилась в 1930-х годах, когда итальянский физик Энрико Ферми впервые показал, что нейтроны могут расщеплять атомы. Ферми был создателем первого в мире ядерного реактора «Чикагская поленница-1», созданного для проверки возможности осуществления управляемой цепной ядерной реакции.

Будучи одним из «отцов-основателей ядерной бомбы», Ферми внес большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, а также квантовой и статистической механики.

Ядерный реактор или электростанция – это машина, управляет ядерным делением для производства электроэнергии. Наиболее распространенным топливом является уран – металл, встречающийся во всем мире. После добычи уран перерабатывают а затем используют в качестве топлива. Причина такого выбора ясна – атомы урана легко расщепляются.

Уран также встречается в горных породах. Но конкретный тип урана, используемый для производства ядерной энергии называется U-235 и встречается редко.

Распадаясь внутри ядерного реактора атомы урана выделяют крошечные частицы – так называемые продукты деления. Именно они запускают цепную ядерную реакцию, в конечном итоге создавая тепло. Однако добыча и последующая переработка урана приводят к образованию радиоактивных отходов.

Ядерные отходы

С момента зарождения атомной энергетики ядерные отходы не причиняли вреда людям. Распространенное заблуждение заключается в том, что, поскольку определенные части ядерных отходов остаются радиоактивными в течение миллиардов лет, угроза должна сохраняться на протяжении всего периода. Но это не так.

Радиация является неизбежной частью жизни на нашей планете.

Ключевой фактор в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, связан с количеством материалов, которые были бы обнаружены в окружающей среде в случае утечки.

Радиоактивные отходы в основном представляют собой защитную одежду, инструменты и любые другие материалы, которые контактировали с радиоактивной пылью (90% от общего объема). Учитывая, что радиоактивные отходы долговечны, зараженная одежда и инструменты могут оставаться радиоактивными на протяжении тысяч лет. К счастью, эти отходы содержат всего 1% от общей радиоактивности.

Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области.

Всего исследователи выделяют три типа ядерных отходов, классифицируемых в соответствии с их радиоактивностью: низкий, средний и высокий уровни. Так, высокоактивные отходы в основном состоят из отработанного ядерного топлива и составляют всего 3% от общего объема отходов.

Утилизация ядерных отходов

В мире существуют две основные стратегии обращения с отходами: некоторые страны десятилетиями перерабатывают отработанное ядерное топливо; другие выбирают прямую утилизацию (об этом ниже). По сути, это стратегическое решение, принятое на национальном уровне и в основном обусловленное политическими и экономическими, а также технологическими соображениями.

В отличие от любой другой отрасли, производящей энергию, ядерный сектор берет на себя полную ответственность за утилизацию отходов. Так как ядерное топливо энергоемко, для производства огромного количества электроэнергии требуется его небольшой расход.

Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся управляемая цепная ядерная реакция деления.

Интересный факт
Типичный ядерный реактор использует около 200 тонн урана каждый год. Сложные процессы позволяют повторно обогащать или перерабатывать некоторое количество урана и плутония, что значительно сокращает объем добычи, извлечения и обработки.

В среднем отходы от реактора, обеспечивающего потребности человека в электроэнергии в течение года, размером примерно с кирпич. Для сравнения: угольная электростанция мощностью 1000 мегаватт ежегодно производит около 300 000 тонн золы и более 6 миллионов тонн углекислого газа.

Прямая утилизация и хранение

Прямая утилизация – это стратегия, при которой отработанное ядерное топливо классифицируется как отходы и утилизируется в подземных хранилищах без какой-либо переработки.

Отработанное топливо помещают в канистры, которые, в свою очередь, помещают в туннели и впоследствии запечатывают камнями и глиной. Отходы от переработки – так называемые продукты деления – также остаются в хранилище. Но свободных мест хранения остается все меньше (например, в Финляндии).

Что же до использованного урана, то его необходимо хранить в специальных контейнерах, похожих на большие плавательные бассейны. Вода охлаждает топливо и изолирует внешнюю поверхность от контакта с радиоактивностью, – уточняют специалисты.

Хранение и переработка ядерных отходов строго регулируется правительствами

На сегодняшний день переработка отходов в основном сосредоточена на извлечении плутония и урана, поскольку эти элементы можно использовать повторно в обычных реакторах. Отделенные плутоний и уран впоследствии можно смешивать со свежим ураном и превратить в новые топливные стержни.

Чтобы обеспечить людей необходимым для комфортной жизни электричеством, во всем мире работают тысячи электростанций.

Их оппоненты не столь оптимистичны, отмечая, что атомная энергетика не может рассматриваться в качестве «зеленого» источника энергии, поскольку ее использование сопряжено с рисками аварий, радиоактивным загрязнением и уязвимости в связи со стремительным изменением климата.