Глубокое захоронение ядерных отходов
На сегодня, 80% отработанного ядерного горючего в мире находится под контролем США. А главные игроки на рынке переработки горючего – Англия и Франция. Перерабатывают его и японцы.
В Российской Федерации, в районе Озёрска действует единственный в стране завод Маяк по захоронению и переработке ядерных отходов. Их в том месте «остекловывают»: в печи расплавляют стекло, додают высокоактивные ядерные отходы и охлаждают. Получаются полупрозрачные цилиндры. После этого помещают в железные контейнеры, каковые заливают бетоном. А уж цементные блоки прячут под почву.
Получается, во-первых, дорого. А, во-вторых, до сих пор не смогут придумать достаточно надежного места для хранения этих контейнеров. У США собственное видение этого вопроса.
Но разработка хранилищ разрабатывалась еще в 70-х годах. За это время разработки бурения продвинулись достаточно, дабы глубокое бурение прекратило быть проблемой. Мысль глубокого захоронения ядерных отходов продвигается как на западе, так и у нас.
доктор наук Фергюс Гиббс
На западе одна из известный фигур — несколько Фергюса Гибба из Шеффилдского университета в Англии. Они предлагают поместить отходы в толщу земной коры, на глубине пяти километров. Для этого необходимо просверлить в скальном основании пятикилометровую скважину, кинуть в том направлении ядерные отходы и замуровать.
Как вычисляют исследователи, высокоактивный ядерный мусор разогреет могильник так, что расплавит конкретно окружающие его породы. А в то время, когда камень затвердеет, он заключит отходы в непроницаемую капсулу.
Другие геологи высказывали сомнение в том, что гранит может возвратиться к исходному сверхпрочному состоянию, в случае если охладится через чур скоро: так как первоначально эта порода формировалась в течение сотен тысяч лет. Но лабораторный опыт Гибба и его коллеги Филипа Аттрила продемонстрировал, что расплавленный гранит обретает прошлую сверхпрочную структуру на протяжении семи дней.
Для этого он обязан пребывать под действием большого давления, именно для того чтобы, которое конечно для пятикилометровой глубины. Сложность данной разработке в том, дабы просунуть несколько тонну отходов через отверстие в 20 см. При том, что речь заходит о манипуляциях с самой страшной и активной составляющей ядерных отходов.
Так же имеется неприятность убеждения места общественности и выбора бурения в безопасности этого метода захоронения.
«Никто неимеетвозможности отрицать, что имеется неприятности отходов, но мы над этим трудимся», говорит Фергус. «Заявить, что мы не знаем, что делать с ядерными отходами, есть полностью неверным. Имеется большое количество вариантов, это легко вопрос о том, какой лучший вариант для каждого типа отходов».
академик И. М. Халатников
У нас также в далеком прошлом имеется подобный проект. В первой половине 90-ых годов XX века была высказана мысль захоронения высокоактивных ядерных отходов в глубоких скважинах, заполненных легкоплавкой, инертной, водонерастворимой средой (А. В. Бялко, О. Б. Хаврошкин, И. М. Халатников, патент СССР № 1725667).
самый удачным заполнителем скважин была природная сера. особенности нового и Основные стадии способа пребывают в следующем. Диаметр скважины в скальных породах (гранитах) возможно сделан равным всего 0,3-0,4 м в ее главном сечении и вблизи дна. Бурение скважин для того чтобы диаметра на глубины до шести километров – достаточно освоенный технологический процесс. Следующая операция – заполнение скважины природной серой.
Эта операция ещене проводилась, нона пути ее осуществления не видно принципиальных трудностей. К примеру, возможно закачивать в скважину буровую жидкость с суспензией серы и осаждать серу начиная со дна, неспешно поднимая колонную труб, малые остаточные примеси воды в сере допустимы.
Загрузка ядерных отходов начинается по окончании того, как вся скважина заполнена серой. Тогда в устье скважины последовательно, с промежутками порядка часа опускают в серу герметичные капсулы с отходами. Их большой размер должен быть меньше нижнего диаметра скважины.
Температура плавления серы мала – 113 градусов Цельсия и, помимо этого теплопроводность серыпримерно на порядок меньше, чем теплопроводность горных пород.Исходя из этого при погружении капсул температура стенок скважины остается низкой, нигде не превышая температуры плавления серы. В случае если промежутки между последовательными капсулами с отходами менее 24 часов, то их погружение проходит в еще не застывшем канале жидкой серы.
Проплавление серного столба вероятно серией малых капсул с диаметром кроме того менее, чем 0,2м. Но при соответствующем повышении диаметра скважины принципиально вероятна загрузка и стандартных контейнеров с ядерными отходами.
Приблизительно через год по окончании начала загрузки скважины первые капсулы достигнут ее дна и начнут в том месте накапливаться. Температура вблизи дна еще через год возрастет до 300-500°С. Величину большой температуры нетрудно вычислить.
Она зависит, в основном, от диаметра скважины и времени предварительного хранения отходов.
За время работы в реакторе уран выгорает лишь на пара процентов. Использованное ядерное горючее по окончании нескольких лет хранения перерабатывают. Из него извлекают несгоревший уран и появившийся в реакторе плутоний, каковые опять годны чтобы получить энергию.
То, что остается при данной переработке, именуется высокоактивными ядерными отходами.
Благодаря теплового расширения пород, диаметр скважины в ее активной нижней части будет вначале мало возрастать. Тепловое расширение приводит к напряжению в граните, и начиная приблизительно с 300°С они превысят предел его прочности. Помимо этого, при этих температурах начнутся химические реакции между серой и содержащимися в породе оксидами железа.
Они понижают предел прочности годной породы, что кроме этого содействует разрушению стенок скважины.
Само собой разумеется, возможно подобать условия так, дабы перегрева не было и цилиндр скважины сохранился. При малом и большом возрасте отходов нижнем диаметре скважины громадные деформации скважины не появятся, и захоронение будет медлительно остывать по падения распада активности и меря изотопов отходов. В следствии столб отходов остановится в геометрии, близкой к начальной.
Но в таком режиме захоронение не будет экономически действенным – нужный количество скважины не так велик, а бурение на пятикилометровые глубины недешево. Исходя из этого стационарный режим рассматривается лишь как вероятный опыт в малом масштабе.
Более увлекателен вариант, в то время, когда серная эрозия и тепловое расширение стенок приводят к деформации цилиндра и потеря стабильности скважины вблизи ее дна. В этом случае вся тяжелая колонна накопленных отходов (пара сот метров) начнет опускаться ко дну скважины. В том месте образуется ансамбль капсул, температура которого будет расти до температуры размягчения гранитов (около 1800°С),- появится тёплая капля.
Сейчас вся сера в данной капле будет уже израсходована на химические реакции, основной продукт которых – пирит FeS2.
Легкие промежуточные продукты реакций – диоксид серы SО2 и сероводород H2S – при таких давлениях и температурах являются не газы, а закритические жидкости. Вместе с еще одним промежуточным продуктом, растворимым сульфатом железа Fe(SO4)3, они мигрируют на протяжении столба скважины и по трещинам породы , пока кроме этого не прореагируют с содержащими в граните оксидами железа, образуя пирит.
Потому, что плотности и пирита (5,5 т/м3) и отходов выше плотности гранита (2,7 т/м3), тёплая капля отделится от серной колонны и начнет погружаться, проплавляя горные породы, на данной стадии вероятна частичная утечка радиоактивных составляющих из пиритовой капли и контейнеров в окружающую породу. Но это происходит на таковой громадной глубине, что опасности длязагрязнения земной поверхности кроме того в самом далеком будущем не воображает.
Основная масса отходов погружается, неспешно замедляясь по остывания распада капли и меря изотопов, по окончании ее охлаждения затвердевший водонерастворимый пирит образует вторичную жёсткую матрицу, предохраняющую утечку радионуклидов в подземные воды в течение трех миллионов лет активного периода захоронения. Глубина дополнительного погружения зависит от размера капли (другими словами от величины загрузки на скважину) и может быть около десятка километров. Этого более чем достаточно для безопасности захоронения, но процесс самопогружения сам по себе может стать инструментом мантии глубины и исследования коры.
Сейчас представим себе сценарий, нехороший из вероятных: на пути тёплой капли оказывается водная линза, которую не нашли при геофизической разведке. Не приведет ли это к вулканическому извержению через серную скважину? Нет, серный гейзер неосуществим. Рост давления на пятикилометровой глубине вправду может привести к потоку серы вверх по узкому каналу скважины.
Но вязкость серы весьма быстро растет с увеличением температуры: при 180°С она в 2000 раза больше, чем сразу после плавления. Исходя из этого, не смотря на то, что рост количества на глубине и может привести к частичному вытеканию серы через устье скважины, но данный процесс саморегулируем: когда сера разогреется трением о стены скважины, скорость ее течения быстро замедлится.
В обычном сценарии температура в основной части скважины остается близкой к начальной температуре на данной глубине. Исходя из этого любая скважина возможно использована многократно, в ней возможно организовать пара тёплых капель. Лишь за времена порядка столетия в стволе пройдут медленные реакции серы с оксидами железа и запечатают скважину новой скальной породой из пирита.
Тем самым захоронение окажется дополнительно изолировано, а процесс самозапечатывания скважины при жажде возможно ускорен.
Количество отходов, генерируемое ядерными державами.
Оценим эффективность таковой схемы захоронения. Расстояния между захоронениями в соседних скважинах смогут не быть больше одного километра. Потому, что расплав серы за капсулой самоцентрируется, то небольшой (до 10°) наклон скважины не мешает загрузке отходов.
Исходя из этого один центр загрузки может осуществлять захоронение целого куста наклонных скважин. Емкость захоронения на одну скважину при образовании одной тёплой капли может быть около величины, которая соответствует 500-1000 тысячь киллограм отработанного ядерного горючего либо 20 °?109 кВт*ч = 2кВт(э)год, что равняется 1/10 современного годового производства ядерной энергии Японии либо бывшего СССР. В случае если каждую скважину применять, скажем, три раза, то приблизительно ста скважин, десяти центров загрузки будет достаточно для захоронения всех накопленных на сегодня в мире ядерных отходов.
Напоследок хочется подметить, что ядерная энергетика – единственная отрасль, которая берет полную ответственность за все собственные отходы и всецело оплачивает затраты по их утилизации и содержанию. Так же Вы имеете возможность почитать близкую идею по отправке зонда к центру Почвы.
