«Сухое» промежуточное контейнерное хранение ОЯТ как альтернатива его переработке
Дата: 11/05/2017
Тема: Обращение с РАО и ОЯТ



Клаус Янберг, инженер-атомщик, Франция


Фрэнк фон Хиппель, физик-атомщик, профессор Принстонского Университета, США

Отказавшись от строительства первого подземного хранилища для отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) – (Yucca Mountain), США стали беднее на 13,5 миллиардов долларов, которые уже были потрачены на это строительство, и оказались в ситуации, когда в стране отсутствовало единое мнение о дальнейших действиях с ОЯТ, возникающим на АЭС.



Правительство США не выполнило своих обязательств в части приёма ОЯТ от АЭС, хотя приём топлива был предусмотрен ещё в 1982 г. Законом об Обращении с Ядерными Отходами (Nuclear Waste Policy Act). Однако, серьёзных оснований для беспокойства не было, т. к. промежуточное хранение ОЯТ в «сухих» контейнерах повсеместно признано безопасным, а Правительство гарантировало возврат атомным станциям расходов, связанных с приобретением ими «сухих» контейнеров.

Раньше в аналогичной ситуации оказалась Германия, которая частично построила подземное хранилище, а затем строительство было прекращено по политическим соображениям. Единственной альтернативой оставалось размещение накопленного ОЯТ непосредственно на АЭС, использовав для этого «сухие» контейнеры.

Германией были уже созданы «сухие» контейнеры для хранения ОЯТ. Первые такие контейнеры — CASTOR V/21 были поставлены из Германии в США и направлены на АЭС Surry в штате Виргиния, после получения этой АЭС первой американской лицензии на строительство «сухого» контейнерного хранилища (1986 г.).

Рис.1. Контейнер для хранения ОЯТ Сastor V/21

Контейнеры из ковкого чугуна (чугун с шаровидным графитом) были созданы германской фирмой GNS, которой в период 1980–2000 г. г. руководил Klaus Janberg — соавтор этой статьи.

Утрата части рынка и жёсткая конкуренция с соперниками вынудили GNS полностью уйти с американского контейнерного рынка в 1990 годах. Вместе с тем, история о том, как впервые разрабатывалась и поддерживалась в Германии технология хранения ОЯТ в «сухих» контейнерах и как эта технология позволила Германии отказаться от не оправдавшей себя переработки ОЯТ и перейти к его промежуточному хранению в «сухих» контейнерах, весьма поучительна. Она позволила оценить затраты США, связанные с использованием нового решения в отношении их ОЯТ и ядерных отходов. При этом, не следует забывать, что многие Республиканские и часть Демократических членов Конгресса США активно поддерживали идею о необходимости переработки ОЯТ.

Долгое время многие специалисты во главе с Atomic Energy Commission (AEC), функционирующей в США, неутомимо пропагандировали идею о необходимости бережного отношения к плутонию («plutonium economy»), считая, что плутоний, полученный в реакторах размножителях на быстрых нейтронах, заменит низко обогащённое урановое топливо.

Предчувствуя и поддерживая эту идею, в Западной Германии в 1970-х годах было построено частное перерабатывающее предприятие для выделения плутония из ОЯТ, а также наработанного в малом экспериментальном реакторе размножителе. В стране было построено много легководных энергетических реакторов (≈30 шт.).

В соответствии с принятым ещё в 1960 г. Законом (Atomic Energy Act) Федеральное Правительство становилось ответственным за организацию окончательного захоронения возникших в стране радиоактивных отходов. В качестве ответных действий атомные станции гарантировали низкие цены за кВт·час электрической энергии, вырабатываемой на АЭС.

Во время первого эмбарго на нефть в начале 1970-х годов Правительственная коалиция в Германии была убеждена (как и многие другие национальные Правительства), что ядерная энергетика будет активно развиваться. Продвигался план, в соответствии с которым быстрые реакторы должны были создаваться как можно быстрее в связи с возможным уменьшением поставок дешёвого естественного урана. Это предположение позднее оказалось неверным. В соответствии с планом, плутоний, содержащийся в ОЯТ, выгруженном из легководных реакторов, мог быть извлечён при переработке ОЯТ и обеспечивал стартовый запас топлива для быстрых реакторов.

В 1977 г. Германия усилила свои обязательства в отношении переработки. Было принято решение о том, что новые лицензии не будут выдаваться владельцам ядерных ректоров, если не будут заключены контракты на переработку их отработавшего топлива. Однако проекты перерабатывающих предприятий, которые германское Правительство хотело иметь, в это время только создавались. Между тем АЭС должны были где-то хранить накопленное ОЯТ.

Аналогичная проблема возникла и в США, причём было решено увеличить вместимость приреакторных бассейнов хранения за счёт загрузки в них дополнительного количества отработавшего топлива, хотя это не учитывалось исходными проектами бассейнов.

Германия не могла использовать такой подход, т. к. было необходимо узаконить серьёзные изменения лицензий, что требовало публичного обсуждения, причём в условиях, когда мнение населения Германии в отношении ядерной энергетики становилось негативным. Существовало опасение, что обсуждение лицензий может затруднить продолжение эксплуатации германских энергетических реакторов.

АЭС должны были найти другие решения. Отягощали ситуацию малые размеры используемых в Германии бассейнов выдержки ОЯТ, которые были размещены внутри реакторных контайнментов, главной задачей которых была защита от падения самолётов и атак с использованием противотанкового оружия.

Германские реакторные бассейны выдержки вмещают от трёх до пяти годовых выгрузок ОЯТ. Этого времени было недостаточно для того, чтобы начало функционировать лицензированное германское производство по переработке ОЯТ.

Для того чтобы решить эту проблему немецкие АЭС в 1976 г. решили построить промежуточное хранилище-бассейн в Ахаузе вместимостью 1500т ОЯТ и бассейн на 3000т для планируемого германского предприятия по переработке в Горлебене (Нижняя Саксония). Здесь предполагалось сконцентрировать основные германские предприятия топливного цикла. Горлебенские предприятия должны были быть размещены на поверхности земли непосредственно над солевым куполом, внутри которого предполагалось разместить твёрдые радиоактивные отходы, возникающие при переработке ОЯТ.

Германская Компания по переработке отработавшего ядерного топлива (DWK) была создана атомными электростанциями страны для строительства и эксплуатации Горлебенского перерабатывающего комплекса. DWK также была заинтересована в работах, по созданию контейнеров для транспортирования и хранения ОЯТ (двухцелевые контейнеры).

В 1970 годах единственным таким контейнером был бетонный контейнер, применяемый в Канаде для хранения небольших сборок от реакторов «CANDU», использующих тяжёлую воду.

В Германии cуществовали контейнеры для транспортирования ОЯТ от легководных реакторов (LWR), но они не предназначались для хранения ОЯТ. Корпуса этих контейнеров были изготовлены из стали, причём производство корпусов было связано с продолжительными и дорогими сварочными работами.

В этой ситуации DWK проявила большой интерес к предложению GNS, сделанному в конце 1970, о создании контейнеров CASTOR с корпусами из ковкого чугуна для транспортирования и хранения ОЯТ. Использование чугуна позволяло снизить стоимость контейнеров и обеспечивало производство контейнеров бóльшего объёма. В случае лицензирования контейнеров типа CASTOR облегчались перевозки отработавшего топлива на предприятия по переработке в Горлебене.

CASTOR V, высотой 5,8м, диаметром 2,4 м, эксплуатируемый по сей день, имеет толщину стенки более 38 см и весит без топлива около 105 т. Конструкция контейнера позволяет противостоять удару от падающего самолёта, и атаке с использованием реактивного снаряда. Полость контейнера заполняется гелием, что облегчает выявление течи. Кроме того обеспечивается передача тепла, связанного с радиоактивным распадом ОЯТ, за счёт тепловой радиации и конвекции гелия к его массивным стенкам. Далее тепло передаётся за счёт естественной конвекции к наружному воздуху. Так как толстые стенки корпуса обеспечивают защиту от радиации, CASTOR может быть использован для транспортирования и хранения ОЯТ без дополнительной защиты.

Рис.2. CASTOR V (Interim storage facility Surry)

Несколько лет этот CASTOR оставался единственным в мире двухцелевым контейнером.

Типичный «сухой» контейнер для хранения и транспортирования ОЯТ вмещает до 10т ОЯТ и стоит 1—2 миллиона долларов. Стоимость CASTOR V ближе к верхнему пределу.

В отличие от самих реакторов и бассейнов выдержки топлива контейнеры CASTOR нечувствительны к потере охладителя, т. к. при полной утечке гелия и заполнении полости контейнера воздухом сохраняется адекватная передача тепла от ОТВС к внутренней поверхности стенки корпуса.

Толстые стенки CASTOR обеспечивают защиту содержимого за исключением случая, когда при атаке используется специальное бронебойное снаряжение.

В 1978 г. были выполнены предварительные испытания, характеризующие надёжность контейнеров типа CASTOR, которые включали:

• Падение с высоты равной 30-ти футам (около 10,0 м) без установки дополнительных торцевых демпферов, причём контейнер был предварительно охлаждён до минус 40 ºС;

• Удары валом турбины при аварии истребителя-бомбардировщика, когда скорость вала была равна 312 м/с (был нанесён боковой удар, причём погнулось всего несколько охлаждающих рёбер корпуса; при вертикальном ударе в крышку произошла незначительная утечка гелия);

• Попадание в очаг пожара, когда для горения использовался керосин;

• Воздействие противотанкового оружия.

Позитивные результаты испытаний CASTOR убедили DWK в 1979 г. отказаться от строительства охлаждающих бассейнов и перейти к строительству централизованных хранилищ для размещения «сухих» контейнеров.

«Сухие» контейнеры стоили меньше и обеспечивали превосходную защиту при «нулевой утечке» газов, возникающих в процессах деления ядер.

Всё это существенно улучшило отношение населения Германии к созданию Централизованного Хранилища ОЯТ, что позволяло Правительству продолжить строительство хранилищ «сухих» контейнеров в Горлебене и Ахаузе.

В это время у GNS не было германских покупателей контейнеров CASTOR, т. к. всё ОЯТ от АЭС Германии транспортировалось для переработки во Францию и Британию, при этом была исключена возможность использования для этих перевозок контейнеров, разработанных в Германии.

В рассматриваемых условиях фирма GNS нашла следующих зарубежных покупателей контейнеров:

  • 1983 г. — в Швейцарии;
  • 1984 г. — в США (Национальная Инженерная Лаборатория в штате Айдахо);
  • 1985 г. — в США (АЭС Surry в штате Виргиния);
  • Середина 80-х годов — в России (Ново-Воронежская АЭС).

Рис.3. Топливная корзина CASTOR WWER 1000

Наконец в начале 1990-х годов появился весомый Германский заказ на 420 шт. небольших контейнеров CASTOR THTR для размещения отработавших шаровых графитовых топливных элементов.

Рис.4. Контейнер Сastor X

К 1980 г. переработка ОЯТ уже не рассматривалась многими странами, как единственно возможное решение проблемы обращения с отработавшим топливом.

США раньше других отказались от переработки ОЯТ. Стоимость переработки во Франции и Британии росла немыслимыми (космическими) темпами. Большинство надёжных экономических сравнений показало ценовое преимущество прямого размещения ОЯТ в хранилищах (direct disposal) по сравнению с его переработкой.

Размещение ОЯТ в хранилищах изначально серьёзно рассматривалось Германией.

Около 1985 г. DWK начала производить стальные контейнеры Pollux, предназначенные для подземного размещения ОЯТ. Эти контейнеры меньше и более лёгкие, чем CASTOR, что упрощало обращение с ними. Контейнеры имеют приварную крышку, т. к. их открытие после загрузки ОЯТ не предполагается. В отличие от контейнеров CASTOR, в которых устанавливаются цельные топливные сборки, в контейнерах Pollux размещают топливо в виде отдельных стержней совместно со снятыми металлическими элементами, фиксирующими сборки в активной зоне реактора.

Около 1984 г. DWK приступила к разработке перерабатывающего производства стоимостью около 2,4 миллиардов долларов (цены за доллар — 2007 г.) в Баварии. Решение о разработке было принято после отказа по политическим соображениям от строительства такого производства в Горлебене, хотя последний должен был использоваться для размещения хранилищ ОЯТ. К 1989 г. стоимость строительства перерабатывающего производства взлетела очень высоко и составила приблизительно 9 миллиардов долларов, хотя конца строительства видно не было.

На ситуацию тех лет оказывали сильное влияние авария на Чернобыльской АЭС и более ранний инцидент (1979 г.) на Three Mile Island, приведшие к возникновению большой оппозиции в Германии в отношении атомной энергетики. Даже Социалистическая партия Германии, которая была движущей силой в отношении развития ядерной энергетики и переработки ОЯТ, полностью пересмотрела своё к ним отношение. АЭС Германии решили далее не поддерживать проект отечественного предприятия по переработке ОЯТ, но, учитывая наличие долговременного контракта, продолжали отправлять ОЯТ на переработку во Францию и Британию вплоть до 2005 г. После этого запрет об отправке ОЯТ АЭС за рубеж с целью переработки вступил в силу.

В этот период во многих странах стала ослабевать коммерческая привлекательность «быстрых» реакторов.

В 1983 г. Конгресс США принял решение о прекращении деятельности быстрого демонстрационного реактора на 350 МВт («Clinch river» reactor).

В 1986 г. в Германии был создан «быстрый» демонстрационный реактор на 300 МВт стоимостью 5 миллиардов долларов, однако реактор не был запущен, а к 1991 г. интерес к нему быт утрачен.

Во Франции в 1985 г. был введён в эксплуатацию реактор «Суперфеникс», но при его работе одна за другой возникали проблемы, и реактор был окончательно остановлен в 1998 г. Французский оператор АЭС «Electricité de France» (EDF) не возражал, т. к. капитальные и топливные затраты для реактора «Суперфеникс» были очень высокими по сравнению с традиционными легководными реакторами. Надежды на то, что в ближайшие десятилетия этот реактор или любые другие большие коммерческие «быстрые» реакторы станут конкурентоспособными, стали минимальными. Стараясь сохранить предприятия по переработке ОЯТ, EDF обратилось к выделению плутония из ОЯТ легководных реакторов и производству для них МОХ топлива. Экономия урана при этом была низкой (около 20 %), а его стоимость на много более высокой, чем при добыче природного урана и его обогащения.

Ситуация с переработкой ОЯТ в Германии изменилась после того как в 1994 г. правительство позволило использовать прямое размещение ОЯТ в качестве альтернативы его переработке.

GNS после закрытия проекта по переработке унаследовало многие производства DWK и, соответственно, ответственности. Было построено предприятие по разборке ОТВС и упаковке топливных стержней, а также других частей сборок в контейнеры Pollux. Производство было создано в Горлебене, который превратился в Национальное предприятие для накопления, кондиционирования и размещения германского отработавшего топлива.

Германские противники атомной энергетики противодействовали такому развитию Горлебена, блокируя и повреждая железнодорожные пути, чтобы предотвратить доставку ОЯТ и высокоактивных остеклованных отходов. Для предотвращения таких действий пришлось привлекать значительные полицейские силы. В 1994 г. атмосфера накалилась до прямых угроз Кл. Янбергу и его семье. Несмотря на угрозы, Кл. Янберг находился в первом эшелоне специалистов, доставившем в 1995 г. хранилище ОЯТ в Горлебен.

Рис.5. Хранилище ОЯТ Gorleben

В 2001 г. соглашение, запрещающее Германским АЭС отправлять после 2004 г. своё ОЯТ на переработку за рубеж, было подписано. АЭС неохотно согласились отключать свои реакторы непосредственно после 32-летней суммарной работы конкретного реактора на полную мощность (на АЭС Германии вырабатывалось около 30 % электрической энергии, потребляемой страной).

Это давало время, необходимое для превращения (конвертирования) плутония, полученного из германского ОЯТ на зарубежных перерабатывающих предприятиях, в МОХ топливо и использования этого топлива в Германских легководных реакторах, прежде чем они будут остановлены. При ревизии в Германии в 2002 г. («Germany′s Atomic Energy Act») было согласовано, что каждая АЭС будет хранить своё ОЯТ в контейнерах CASTOR или в других лицензированных контейнерах непосредственно на АЭС.

Предполагалось, что остеклованные высокоактивные отходы, поступающие в Германию от перерабатывающих предприятий Франции и Британии, будут транспортироваться в центральное наземное хранилище «сухих» контейнеров в Горлебене.

Начатые в 1998 г. работы по созданию подземного хранилища высокоактивных отходов и ОЯТ в Горлебене были замедлены, а в 2001 г. приостановлены.

Хранилища «сухих» контейнеров на Германских АЭС начали действовать в 2006 и 2007 годах. Всё это имело место, хотя в самом солевом куполе на глубине 900 м было проложено несколько миль галерей, которые показали отсутствие препятствий созданию в Горлебене надёжного геологического подземного хранилища. В это же время бывшие железорудные копи в Нижней Саксонии были лицензированы, как хранилища для низко — и среднеактивных отходов и успешно противостояли легальным вызовам.

Что касается центральных наземных контейнерных хранилищ в Горлебене и Ахаузе, то в них дополнительно отработавшее топливо практически не вывозилось за исключением нескольких контейнеров с топливом от выведенного из эксплуатации исследовательского реактора Дрезденского Исследовательского Центра Rossendorf.

Рис.6. Хранилище ОЯТ Ahaus

До момента, когда Правительство отказалось от строительства постоянного подземного хранилища в Горлебене, уже было затрачено более миллиарда долларов.

Многое из сказанного выше было использовано при оценке ситуаций, имевших место в США.

В любой стране политически сложно найти место для хранилища радиоактивных отходов. Неудачи, имевшие место в США и других странах, показали, что хранилище не может быть создано на территориях, население которых выступает против их размещения. Напротив, позитивный опыт Финляндии и Швеции, где этот вопрос успешно решён, показал, что всегда можно найти место для хранилища, если осуществляются серьёзные консультации с населением.

Хранение в «сухих» контейнерах непосредственно на АЭС является промежуточной фазой, которая между тем даёт странам около 50 лет, необходимых для разработки и выбора месторасположения будущих хранилищ. Хранение в «сухих» контейнерах значительно дешевле, чем переработка, которая активно продвигается в США конгломератом AREVA, который состоит из французских ядерных фирм.

Переработка ОЯТ осуществляется при этом во Франции, т. к. она утверждена соответствующим Законом.

В Японии переработка производится, т. к. правительства префектур, где размещены АЭС, не разрешают создание промежуточных хранилищ ОЯТ в «сухих» контейнерах непосредственно на АЭС, причём ни одна из префектур не хочет размещать у себя централизованное промежуточное контейнерное хранилище.


Сведения об авторах

Клаус Янберг – инженер-атомщик, начал свою карьеру, как участник разработки плутониевого быстрого реактора, а завершил её, будучи руководителем GNS. Эта компания разрабатывала и изготавливала контейнеры, которые обеспечили промежуточное хранение отработавшего ядерного топлива в Германии и в большом числе других стран. В настоящее время Кл. Янберг живёт во Франции, участвуя в дебатах, относящихся к политике в сфере атомной энергии.

Фрэнк фон Хиппель – физик-атомщик, профессор Принстонского Университета и сооснователь Университетской Программы по Научной и Глобальной Безопасности. В настоящее время является сопредседателем Совещания Международной Группы Специалистов по Делящимся Материалам. С конца 1970-х годов участвует в дебатах, проводимых США, по переработке отработавшего ядерного топлива.

PS. Идея о публикации этой статьи на русском языке возникла при подготовке интервью с доктором Клаусом Янбергом. Сегодня особенно интересны и актуальны для российских специалистов публикации, подготовленные Клаусом Янбергом и Фрэнком фон Хиппелем. Это выдающиеся специалисты с огромным опытом, и они достаточно подробно рассмотрели события, имевшие место в Германии в период с начала 70-х годов вплоть до 2006–2007 г. г., и менее подробно — в США.

События были связаны с созданием контейнеров для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также с осуществлёнными и приостановленными проектами хранилищ ОЯТ и радиоактивных отходов. В их статьях рассмотрены сложные отношения, возникшие между АЭС, действующими обычно совместно с фирмами, производящими оборудование, с одной стороны и правительством страны с другой. При этом действия политических организаций зачастую не способствовали принятию экономически и технически обоснованных решений.

Публикация этой статьи в журнале «Атомная стратегия» сегодня целесообразна, несмотря на то, что в ней рассматриваются события до 2007 г., т. к.:

• хранение ОЯТ в «сухих» контейнерах или «сухих» хранилищах является промежуточным решением, и странам необходимо разрабатывать последующие операции по обращению с ОЯТ;

• эти действия должны принимать во внимание особенности, существующие в разных государствах. Речь идёт о наличии или отсутствии в стране Предприятий по переработке ОЯТ. Необходимо кроме того учитывать тип и количество существующих хранилищ, а также мест, пригодных для их размещения.

Прямых аналогий, конечно, нет, например, в отличие от Германии, правительство России поддерживает развитие ядерных технологий. Кроме того, необходимо учитывать наличие переработки ОЯТ на ПО «МАЯК», и существование на Красноярском ГХК централизованного камерного сухого хранилища ОЯТ. Это хранилище вместит всё ОЯТ, которое возникает на 11-ти блоках с реакторами РБМК-1000, а также ОЯТ от блоков с реакторами типа ВВЭР-1000.

Вместимость части камерного сухого хранилища, предназначенной для ОТВС типа ВВЭР-1000, больше, чем можно разместить в 1100 шт. сухих контейнерах (каждый на 18-ть ОТВС).

Так как во Франции переработка ОЯТ осуществляется в соответствии с действующим Законом, а в Германии переработка ОЯТ вообще не производится, причём предполагается постепенное закрытие всех АЭС, свидетельствует о том, что ни технический уровень, ни географическое положение страны не оказали влияние на принятие решений о переработке ОЯТ и на отношение в стране к атомной энергетике. Очевидно, действовали другие факторы.

В статье Клауса Янберга и Фрэнка фон Хиппеля в отличие от подавляющего большинства статей отечественных специалистов, в которых рассматриваются завершающие этапы топливного цикла, приводятся величины затрат, имевших место в США и Германии:

• За работы уже выполненные на прекращённом строительстве хранилища ОЯТ в Yocca Mountain (США);

• Стоимость типичного «сухого» контейнера типа «CASTOR» (Германия);

• За работы, выполненные при создании незавершённого производства по переработке ОЯТ в Баварии (Германия).

Кроме того, приведены затраты, связанные с разработкой и изготовлением так и не запущенного «быстрого» демонстрационного реактора (Германия).

В СССР считалось, что подобные затраты, как и затраты на «оборонку», не должны интересовать общественность, и такой подход зачастую сохраняется в настоящее время.

По мнению авторов статьи во многих странах давно ослабла коммерческая привлекательность «быстрых» реакторов (представлены примеры), однако в России на них все еще возлагают надежды, и это тоже накладывает определенную специфику на развитие контейнерного парка.


Е. Д. Федорович, В.Н. Фромзель, В. А. Шлейфер









Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7476