ПРОБЛЕМЫ ЗАХОРОНЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ОТХОДОВ

Обозреватель - Observer

Военно-политические проблемы

ПРОБЛЕМЫ ЗАХОРОНЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ОТХОДОВ

В.ЛОБОРЕВ, профессор

Л.ЕВТЕРЕВ,  профессор

Накопление радиоактивных отходов в России за последние годы приобрело характер неопреодолимого обстоятельства, если иметь в виду проблему их хранения (захоронения).

Только из состава Военно-Морского Флота к 1993 г. выведены 94 атомные подводные лодки, подготовлено же к временному хранению только 10 реакторных отсеков. В совокупности на Северном и Тихоокеанском флотах накопилось примерно 30 тыс. отработавших тепловыделяющих сборок, что соответствует содержимому примерно 140 активных зон реакторов. Свободные места во временных хранилищах остаются для приема лишь 3 активных зон. К 2000 г. количество выведенных из эксплуатации атомных подводных лодок планируется увеличить еще на 89 единиц. Ежегодно в результате эксплуатации кораблей и судов России с ядерными энергетическими установками образуется до 6000 т радиоактивных отходов, значительная часть которых в контейнерах накапливается, по сути дела, на открытых площадках. Большую проблему представляет планируемое в соответствии с требованиями Лондонской конвенции поднятие на поверхность сброшенных в мелководных заливах архипелага Новая Земля атомных реакторов с их последующим захоронением.

По прогнозам специалистов, к 2000 г. наступит период массовой замены и демонтажа загрязненного крупногабаритного оборудования старых атомных электростанций и предприятий ядерного топливного цикла (баков, компрессоров, насосов, труб теплообменников, кранов, арматуры, материалов оболочек ТВЭЛов, бетона биологической защиты реакторов и пр.). Массовое захоронение крупногабаритных твердых отходов представляет проблему, далекую от разрешения не только в России, но также в США и Западной Европе.

Закрытие выработавших ресурс атомных электростанций со всей остротой поставит вопрос о судьбе имеющихся там временных хранилищ облученного топлива. Надеяться на его переработку не приходится ввиду относительной маломощности соответствующих предприятий (в целом во всем мире). Перевести же в разряд захоронения подобный тип хранилища невозможно. Для этого необходимо передислоцировать топливо в сооружения принципиально другого типа, однако Россия ими не располагает.

Состояние дел в области хранения (захоронения) радиоактивных отходов хорошо известно в компетентных учреждениях и ведомствах России. Это нашло отражение при разработке целевой Государственной программы РФ по обращению с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами на период 1991-1995 гг. и на перспективу до 2005 г., а также в Постановлении Правительства Российской Федерации от 03.08.92 г. № 644-47.

Принятые Программа и Постановление ориентируются на традиционные методы подготовки отходов и их захоронения. По этим методам более богатый, длительный и масштабный опыт воплощения технологий в практику накоплен в странах Запада (США, Швеция, Швейцария, Испания, Канада, Финляндия). Его анализ позволяет зримо представить объемы материальных и финансовых затрат, уровень требуемых технологий, ощутить характер фактора времени.

В США и ряде страна Европы основным методом безопасного захоронения высокоактивных отходов или отработавшего реакторного топлива признано их размещение в глубинных геологических формациях. Начало работ в США по изучению свойств горных пород для возможного строительства подземных сооружений датируется 1957 г. В настоящее время начаты подготовительные работы на строительстве подземного хранения в туфовой формации (Юкка).

Хранилище в инженерном плане представляет систему горизонтальных штолен на глубине около 400 м (в Швеции аналогичное хранилище предполагается расположить на глубине 500 м в граните). В штольнях на определенном расстоянии друг от друга бурятся скважины, в которые и помещаются контейнеры с ос-теклованными отходами.

Проектная стоимость такого хранилища емкостью 160 000 контейнеров, содержащих около 70 000 т отработавшего топлива, составляет 4-5 млрд. долл. (в ценах 1993 г.), без стоимости остеклования, контейнеров, засыпки и транспортировки грузов. Стоимость всех контейнеров оценивается приблизительно в 5 млрд.долл.

Представление о затратах на остеклование и существующих мощностях дают следующие факты. Завод AVM во Франции, лидирующей в этой области, может обрабатывать до 150 куб. м остеклованных отходов в год. Фирма BNFL построила завод такого типа в Великобритании. Стоимость строительства составила примерно 500 млн. долл. В бывшем СССР в 1988-1989 гг. проводились опытно-промышленные испытания установки по остекловыванию отходов. Было получено около 150 т исходного продукта.

Для заполнения описанного выше хранилища потребуется произвести около 32 000 куб. м остеклованных отходов, что равносильно двумстам годам работы завода типа AVM, или, что более реалистично, 20 годам работы 10 заводов этого типа. Стоимость их строительства составит около 5 млрд. долл. Это и будет оценкой снизу стоимости остеклования отходов, располагаемых в одном глубинном хранилище.

Подводя итог сказанному, можно прийти к ряду выводов.

Захоронение отходов ядерного топливного цикла в России не осуществляется. Стоимость реализации безопасного проекта захоронения в геологических формациях с использованием традиционных подходов такова, что в обозримом будущем не видится какой-либо реальной возможности на его осуществление в России. Ситуация стала надкритической. Резервы плавного регулирования событий, на наш взгляд, исчерпаны; требуются радикальные технические решения.

Одним из них является проект с использованием подземных ядерных взрывов. Идея использования в мирных целях различных физических полей, реализующихся в ближней зоне ядерного взрыва, равно как и остаточных геомеханических явлений после взрыва имеет давнюю историю. Достаточно вспомнить программу "Плаушер" (1957 г.), а также удачный опыт применения в бывшем СССР подземных ядерных взрывов для предотвращения загрязнения окружающей среды промышленными стоками. Эта же идеология лежит в основе предлагаемого нами проекта.

Его основными конструктивными элементами являются: транспортная штольня, по которой грузы поступают в терминал загрузки, представляющий группу из нескольких (например, пяти) коротких штолен, расположенных под разными углами к транспортной штольне; ядерный заряд, размещаемый в центре зарядной камеры; специальный забивочный комплекс, возводимый на определенном участке транспортной штольни, примыкающем к заряду и служащем для обеспечения радиационной безопасности при взрыве. В штольнях терминала размещаются отработавшие тепловыделяющие сборки реакторов, радиоактивные отходы предприятий в различной форме (кальцинат, суперкальцинат, супершлам, в жидком виде), крупногабаритные загрязненные конструкции, в том числе крупные фрагменты реакторных отсеков кораблей и судов.

Необходимо отметить, что все перечисленные операции по возведению подземных коммуникаций комплекса, транспортировке грузов, в том числе и специальных, засыпке дисперсным материалом являлись обыденной практикой испытательных полигонов Семипалатинска и Новой Земли. И в настоящее время единственный полигон России на Новой Земле располагает необходимыми технологиями, оборудованием и компетентными кадрами, причем, что важно, эти компоненты любой успешной работы существуют не разрознено, а в рамках организационной структуры, неоднократно доказывавшей в прошлом свою дееспособность.

Мощная ударная волна, порожденная выделившейся в заряде энергией, распространяясь по горной породе и объектам захоронения, приводит к их сильному сжатию, нагреву, испарению и плавлению, то есть к полной дезинтеграции исходной структуры.

После остывания расплава и его превращения в стекло возникнет захоронение, не отличающееся в своей главной сути от рукотворного. Действительно, и там и здесь отходы фиксируются в стеклянной матрице, и там и здесь есть контейнер, только его роль при взрыве играют толстые стенки стеклянной линзы (толщиной около 2 м). Оказывается, эту аналогию можно продолжить и дальше. А именно, сам взрыв одновременно решает и проблему засыпки захороненных радиоактивных отходов мелкодисперсным материалом.

Преимущество предлагаемого способа захоронения перед традиционным заключено в масштабном эффекте, суть которого в том, что при использовании ядерной взрывной технологии радионуклиды распределяются в едином куске стекла объемом приблизительно 10 000 куб.м (при q = 100 килотонн). В случае традиционного захоронения для этого потребовалось бы около 50 000 контейнеров. Суммарная боковая поверхность контейнеров, через которую будут мигрировать радионуклиды, окажется минимум в 40 раз больше, чем у линзы захоронения. Другими словами, при той же средней скорости миграции выход радионуклидов в геологическую формацию за равные промежутки времени окажется для рукотворного хранилища в десятки раз больше. О масштабности предлагаемой технологии свидетельствует и такое сравнение. Потребуется не меньше 20 лет работы трех заводов типа AVM, чтобы выработать то же количество стекла, которое создается при одном взрыве.

Перейдем к рассмотрению стоимостных аспектов проекта.

Одним взрывом может быть захоронено около 700 куб. м радиоактивных отходов (в случае, если площадь вертикального сечения боковых штолен равна 10 кв. м) и 1400 куб. м (если площадь этого сечения составляет 20 кв. м).

Указанные и даже большие площади сечений достигаются в практике обычных горнопроходческих работ. Увеличение общей стоимости проекта при использовании боковых штолен с повышенной площадью сечения незначительно, поскольку речь идет об участке проходки суммарной длиной 70 м. В наших последующих оценках будем исходить из минимального разового объема захоронения в 750 куб. м.

Сопоставление исходного суммарного объема захоронения (750 куб.м) с объемом линзы захоронения (10 000 куб.м) выявляет еще одно преимущество ядерной взрывной технологии - высокое (1:14) и недостижимое при традиционных подходах разбавление радионуклидов в процессе остеклования.

По нашим расчетам, которые включали стоимость проходки 1 пог. м штольни стандартного сечения, стоимость возведения 1 куб. м забивочного комплекса штольни и стоимость ядерного заряда, реализация захоронения 1 куб.м радиоактивных отходов составит 3000 долл.

Интересно сравнить эту цифру с оценкой стоимости захоронения.

Стоимость же захоронения 1 исходного куб.м отходов в рукотворном хранилище без учета стоимости транспортировки, контейнеров и засыпки составит величину примерно 50 000-100 000 долл. При этом, естественно, предполагалось, что удельная (на 1 л) активность отходов для двух сравниваемых проектов одинакова.

Обсуждение вопросов безопасности проекта и предпосылок к его практическому осуществлению было бы целесообразно проводить, отталкиваясь от того факта, что полигон на Новой Земле - единственное место в России, где можно проводить ядерные взрывы.

Средства массовой информации бывшего СССР и России, реализуя объективно назревшую потребность в гласности по вопросам ядерных испытаний, за последние годы сформировали в общественном мнении искаженное представление об опасности подземных ядерных взрывов.

Не вдаваясь в обсуждение причин, укажем лишь на одну - вольное или невольное смешение последствий наземных и воздушных взрывов, проводившихся до 1963 г., с возможными последствиями подземных ядерных взрывов. Последние оказались как бы в широкой тени справедливого отрицательного отношения к фактам радиоактивного загрязнения регионов и субрегионов, подавляющий вклад в которое был обусловлен наземными и воздушными ядерными взрывами.

Анализ многочисленных опытных данных позволил группе экспертов прийти к следующему заключению. "Радиационно-экологическое состояние островов Новая Земля и прилегающих районов Крайнего Севера определяется главным образом глобальным радиоактивным загрязнением атмосферы северного полушария - последствием испытаний в атмосфере ядерного оружия. Проведение с 1964 г. 42 подземных взрывов не внесло выделяемого на существующем фоне вклада в радиоактивное загрязнение архипелага и тем более прилегающих территорий".

В соответствии с данными средний уровень поверхностного загрязнения территории островов Новая Земля цезием-137 составил 0,09 кюри на кв. км, что мало отличается от уровней загрязнения в средних широтах северного полушария и значительно ниже допустимых уровней загрязнения.

В среднем уровень дозы гамма-излучения на территории островов Новая Земля составляет 10-12 мкР/ч (на высоте 1 м), то есть не выше, чем в Москве. Исследование пищевых цепочек в районах Крайнего Севера показало, что для "набора" по цезию-13 7 предельно допустимой годовой нормы необходимо употребить в пищу около 6 т мяса оленя. Анализ проб воды выявил, что концентрация стронция-90, цезия-137 и трития по крайней мере в 100 и более раз ниже допустимых концентраций для открытых водоемов.

В истории подземных испытаний были аварийные опыты, когда радиоактивные продукты попадали в атмосферу в течение первых минут. Анализ банка накопленных нами соответствующих данных показывает, что в каждом из аварийных случаев, а их очень немного, была конкретная, вполне устраняемая причина. Это либо ошибки в оценке газовости пород и расположении крупных разломов горного массива, либо недостатки конструкции забивочного комплекса в процессе его отработки, либо недопустимое занижение концентрации энергии в зарядной камере (концевом боксе).

На основе обобщения богатого опыта испытаний нами сформулирован перечень необходимых и достаточных требований к инженерно-геологическим условиям горного массива, конструкции забивочного комплекса штольни. Выполнение требований не только обеспечит предупреждение аварийных ситуаций, но и существенно снизит тот незначительный выход в атмосферу короткоживущих инертных газов, который обычно сопровождал штатные испытания.

Повышение радиационной безопасности при реализации проекта ядерного взрывного захоронения радиоактивных отходов будет следствием не только тщательного изучения опыта подземных испытаний и внедрения технических усовершенствований, но также изменения основной доктрины. Это будут не испытания ядерного оружия, а осуществление производственной программы. Казалось бы, что может принести замена одних слов другими. Изменения, однако, весьма существенны. Во-первых, произойдет устранение некоторых элементов забивочного комплекса штольни, необходимых только при испытании оружия и снижающих радиационную безопасность. Во-вторых, появится возможность выбора оптимального ("чистого") заряда с предельно низкой суммарной активностью образующихся при взрыве радионуклидов на единицу мощности (с очень высоким коэффициентом термоядерности). Опыт создания и применения таких зарядов в мирных целях имеется.

Новая Земля в этом отношении является уникальным местом для реализации проекта захоронения. Гидрогеология участков проведения испытаний обусловлена наличием многолетней мерзлоты мощностью до 600 м в горах. Температура вечномерзлых пород не выше -4° С. Естественно, что водные потоки в толще этих пород просто отсутствуют. Свободная вода имеется под многолетнемерзлыми породами, но ее дебиты очень незначительны.

Таким образом, на Новой Земле отсутствуют водоносные горизонты в пределах зоны воздействия ядерного взрыва. После взрыва может быть растоплено небольшое количество льда в обломках пород, но миграция образовавшейся воды быстро прервется по причине ее превращения снова в лед в трещинах мерзлых пород. Даже если за 100 лет климат Новой Земли станет субтропическим, прогрев больших толщ мерзлых пород займет не одно столетие.

Преимуществом Новой Земли является то, что она окружена Ледовитым океаном. Поэтому, когда за тысячи лет часть долгоживущих радионуклидов из захоронения преодолеет геологический барьер, она будет разбавлена в огромном количестве воды. По этой же причине в шведском варианте рукотворного хранилища его предполагается разместить под морским дном.

Несомненным преимуществом Новой Земли является ее удаленность от населенных пунктов, удобное расположение с точки зрения транспортировки радиоактивных отходов Северного флота и Мурманского морского пароходства. Интенсивность сейсмического воздействия ядерных взрывов на Новой Земле на материк, острова Шпицберген, Земля Франца Иосифа и большую часть самой Новой Земли столь низка, что не может быть оценена по сейсмологической шкале.

Новая Земля относится к региону с очень слабой сейсмичностью по землетрясениям.

Полигон на Новой Земле располагает службой радиационного контроля на территории полигона и за его пределами с широкой сетью дозиметрических станций, метеорологической службой, обеспечивающей важный при проведении подземных взрывов прогноз погодных условий, геофизическим подразделением для определения свойств массивов пород методами сейсмоакустики, электро- и магниторазведки, радиохимическим подразделением, инженерной службой по разведке и проходке штолен и другими.

Подводя итог сказанному, можно прийти к выводу, что вся совокупность сложившихся обстоятельств говорит как о необходимости принятия радикальных, то есть быстро осуществимых и недорогих, мер по надежному захоронению радиоактивных отходов, так и о потенциальной возможности их реализации на основе предполагаемого проекта с использованием ядерной взрывной технологии.

Нам представляется возможным осуществить при некотором усилении мощностей полигона и определенном объеме финансирования следующую программу работ (в случае принятия принципиального решения). Разработка типового проекта (1994-1995 гг.); выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (1994-1996 гг.); модернизация погрузочно-разгрузочного терминала полигона (1994-1995 гг.); разведка штолен (1994 г.); проходка и обустройство штолен (1994-2000 гг.); захоронение радиоактивных отходов, производство взрывов (1996-2000 гг.); научно-техническое сопровождение производственного процесса (1994-2000 гг.); маркетинг проекта (1994- 2000 гг.).

За указанное время должно быть построено 5 производственных модулей (штолен) и произведено 20 взрывов, что составит 4% от всей реализованной в бывшем СССР программы подземных ядерных испытаний. В итоге за короткое время будет произведено надежное захоронение в глубинных геологических формациях 15 000 куб.м высокоактивных отходов ядерного топливного цикла и загрязненных крупногабаритных конструкций, например крупных фрагментов реакторных отсеков атомных подводных лодок с общей суммарной активностью более 15 млн. кюри.

За это время может быть полностью решена проблема хранения и захоронения отработавшего топлива всех уже выведенных из эксплуатации в Северном и Тихоокеанском регионах реакторных кораблей, судов и планируемых к 2000 г. (здесь нужно принимать во внимание, что перед захоронением необходима определенная выдержка отработавшего топлива в хранилищах поверхностного типа). Имеющиеся резервы позволяют начать решение проблемы захоронения высокоактивных отходов атомных электростанций и радиохимических предприятий, расположенных в глубинных регионах континента. Никаким другим способом невозможно, на наш взгляд, решить за такое короткое время столь масштабную задачу.

Финансирование указанной программы работ на период 1994-2000 гг., по нашим оценкам, должно составить 60 млрд. руб. Имеется соответствующий бизнес-план. Для сравнения укажем, что глубинное захоронение такого же количества отходов в США традиционными методами обошлось бы примерно в 1 млрд. долл. Таким образом, налицо колоссальный экономический эффект.

Источники финансирования проекта могут быть, на наш взгляд, следующими:

• госбюджет (например, в рамках Государственной программы по обращению с радиоактивными отходами);

• инвестиции при совместном предпринимательстве;

• кредитование;

• продажа металла после разделки атомных подводных лодок и кораблей с ядерными энергетическими установками.

Прокомментируем последний пункт. Списанные плавсредства - крупный источник черных и цветных металлов. Так, выход металла с одной атомной подводной лодки колеблется от 4000 до 25 000 т. Суммарный вес металла всех списанных лодок и планируемых к списанию до 2000 г. составит более 700 000 т. В настоящее время разработан и проверен наиболее эффективный, быстрый и недорогостоящий способ разделки кораблей взрывами удлиненных кумулятивных зарядов. В частности, отделение реакторного отсека корабля этим методом-самое удачное решение инженерной проблемы, проверенное при аварии реактора на атомном ледоколе "Ленин". Разделка кораблей и судов в широких масштабах не может быть осуществлена, поскольку в большинстве реакторов находится невыгруженное топливо. Предлагаемый проект захоронения поможет решить эту проблему, и утилизация металла списанных плавсредств станет одним из источников его финансирования.

Конкретная реализация проекта захоронения радиоактивных отходов с использованием ядерной взрывной технологии имеет на своем пути множество трудностей. Это мораторий на подземные испытания, негативное отношение общественного мнения к ядерным взрывам и другие трудности. Открытое провозглашение указанных общечеловеческих целей подземных ядерных взрывов, готовность к тщательной и многосторонней экспертизе проекта, соответствующая пропаганда в средствах массовой информации, подключение к проекту международных организаций, возможно, помогут преодолеть имеющиеся трудности и реализовать в будущем идею технополиса на основе ядерной взрывной технологии захоронения и ликвидации опасных веществ и конструкций. Восторжествует некая высшая справедливость, когда столкновение двух зол приведет к их взаимной аннигиляции и будут оправданы те затраты и жертвы, которые легли в фундамент проектов создания ядерного оружия.