Дом хрустальный: зачем радиоактивные отходы запечатывают в стекле

Превращение жидких отходов с высокой радиационной активностью в боросиликатное стекло не ново. В мире подобные технологии применяют с начала 60-х. По-русски этот процесс называют остекловыванием, по-умному — витрификацией. И это чуть ли не единственный промышленный способ перевода жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в твердое состояние, причем стабильный и безопасный для окружающей среды.

Об универсальности, видах и перспективах промышленного остекловывания рассказали начальник центральной заводской лаборатории «Маяка» Павел Козлов и заведующий лабораторией радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН член-корреспондент РАН Сергей Юдинцев.

А зачем все это?

Сама по себе атомная промышленность не несет вреда для экологии, окружающей среды и человека. Радиационный фон современных АЭС почти равен естественному излучению природных радионуклидов, рассеянных по всем сферам Земли.

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН, для выработки 1 кВт·ч АЭС выбрасывают порядка 12 г СO₂. Например, у природного газа этот показатель составляет 490 г/кВт·ч, а у угля — 820 г/кВт·ч.

В АЭС используются два изотопа урана — редкий и хорошо делящийся уран-235 — и так называемое сырье — слаборадиоактивный уран-238. Реакторы атомных станций для выработки энергии в основном расщепляют уран-235.

Срок эксплуатации топлива заканчивается полной выработкой этого высокорадиоактивного компонента, который составляет лишь 3–5% всего топливного материала.

ОЯТ представляет собой весьма сложную смесь, содержащую менее 1% урана-235, примерно столько же плутония-239, а также многочисленные радиоактивные продукты деления — широкий спектр самых разных изотопов.

С этим коктейлем и предстоят дальнейшие мытарства. Концентрированные ЖРО — наиболее опасные из всех видов радиоактивных отходов. Иначе их называют высокоактивные радиоактивные отходы (ВАО). Собственно, дальнейшее обращение с ними и формирует целый ряд промышленно-логистических задачек.

Сложности тут не только в принципе захоронения, но и в достижении потенциальной экологической безопасности. Из-за своей высокой радиоактивности жидкие ВАО способны нагреваться. Поэтому от них требуется непрерывно отводить тепло, в противном случае есть риски расплава и радиационного загрязнения атмосферы, почв и воды — всего, что будет находиться в условной близости.

Истина — в стекле!

Бескомпромиссным с точки зрения безопасности стал метод остекловывания. Заключение ЖРО в матрицу из алюмофосфатного стекла снижает активность опасных компонентов, решая вопрос и непрерывного саморазогрева, и проблем долгосрочного захоронения.

«Остекловывание — это процесс перевода концентрированных жидких радиоактивных отходов в твердое стеклоподобное состояние. При этом ЖРО дозируют в специальную электропечь, где они подвергаются полному обезвоживанию и перемешиванию со стеклообразующими добавками», — говорит начальник центральной заводской лаборатории «Маяка» Павел Козлов («Маяк» — крупнейший центр по переработке высокоактивных материалов в России).

Так, из водного высокоактивного раствора образуется жидкий расплав стекла, содержащий радиоактивные элементы. Расплав из печи разливают в стальные бидоны, где он застывает в стеклоблоки, пригодные для безопасного хранения и захоронения.

«Радионуклиды распределяются в объеме стекломатрицы и фиксируются в ее структуре, — говорит Козлов. — Все процессы осуществляются дистанционно. В настоящее время это единственный в мире промышленно реализованный способ отверждения жидких высокоактивных отходов».

Силикатные стекла представляют собой наиболее изученный и распространенный класс оксидных стекол, применяемых для иммобилизации (запечатывания) радиоактивных отходов.

После получения твердой стеклоподобной матрицы переработанные отходы десятки лет хранят в приповерхностном хранилище, а на этапе захоронения размещают в глубинах горных пород.

Активность отвержденных в стекло отходов снижается не сразу, радионуклиды распределяются и фиксируются в объеме стекла. «С течением времени активность радионуклидов постепенно снижается за счет естественного процесса их радиоактивного распада», — комментирует эксперт. 

Холодный и горячий

В России используют два типа остекловывания жидких отходов — индукционной плавки в холодном и горячем тигле специальных печей (ИПХТ и ИПГТ).

Обе технологии подразумевают нагрев материала за счет индукционных электромагнитных полей, но разной частоты. При остекловывании по технологии горячего и холодного тигля принципиальная разница состоит в том, какой объект разогревается в индукционном поле.

«В случае горячего тигля применяется электромагнитное поле средних частот, нагревающее металлические стенки тигля, от которых тепло затем передается вовнутрь отходам и стекломатериалу. В случае холодного тигля применяется электромагнитное поле высоких частот, нагревающее непосредственно содержимое тигля (отходы и стекломатериал), а стенки остаются холодными за счет того, что их дополнительно охлаждают пропусканием воды через встроенные в корпус тигля трубки. При этом уменьшается контакт стенок с раскаленным стеклом и обеспечивается долговечность конструкции», — уточняет Козлов.

В России в основном используется метод холодного тигля. Его преимуществом является низкая стоимость, высокая удельная производительность, также технологичность в изготовлении и обслуживании, что очень важно при обращении с РАО.

Технологии горячего тигля у нас только развиваются. Этот метод разработали в Радиевом институте для радиохимического завода Сибирского химкомбината. В ноябре 2024 года прошли успешные испытания установки. Причем результаты заключительных испытаний на действующем производстве показали увеличение производительности. Также были доработаны системы контроля температуры расплава для улучшения безопасности и управляемости процесса. Сейчас выполняется подготовка установки к вводу в опытно-промышленную эксплуатацию, которая запланирована на 2025 год. 

«В нашей стране метод ИПХТ используется с 1970-х годов для получения тугоплавких оксидов для лазеров и ювелирной промышленности (ФИАН), а с 1980-х годов и для получения матриц радиоактивных отходов. Работы в этой области ведутся во ВНИИНМ, «Радоне», ВНИИХТ, Радиевом институте, ЛЭТИ, ПО «Маяк», ИФХЭ РАН. При этом использовался метод ИПХТ», — добавляет заведующий лабораторией радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН член-корреспондент РАН Сергей Юдинцев.

По его словам, технология индукционного плавления в горячем тигле для отверждения радиоактивных отходов в нашей стране достаточно новая, хотя за рубежом она используется уже более 60 лет.

Перспективы

Перспективы технологии остекловывания, безусловно, есть, поскольку она обеспечивает максимально безопасное хранение радиоактивных отходов в минимальном объеме, говорит Павел Козлов. 

При этом других промышленно разработанных технологий отверждения наиболее опасной группы отходов — высокоактивных отходов — в настоящее время не существует. Варианты реализации установок остекловывания (горячий и холодный тигель, печи прямого электрического нагрева) имеют индивидуальные особенности. Свое место для применения найдет каждый из методов.

Попутно на радиохимическом заводе идет подготовка к строительству нового комплекса остекловывания. Комплекс войдет в состав участка остекловывания. В связи с расширением производства планируется набрать специалистов. В комплексе планируют построить две электропечи типа ЭП-500 и малогабаритный плавитель. Принцип нагрева у него такой же, как у печей, — с помощью электродов. За год плавитель сможет производить 90 т стекломассы.