«Влажный» vs «сухой»: плюсы и минусы двух способов хранения ядерных отходов

Безопасная утилизация отходов остается одной из ключевых задач атомной энергетики. Мы исследуем преимущества сухого хранения с помощью бочек и систем хранения на основе канистр французского оператора Orano и сравниваем преимущества двух промежуточных методов – «влажного» и «сухого» хранения.

В связи с тем, что многие регионы мира готовятся к выводу из эксплуатации атомных станций, в отрасли растет спрос на эффективные средства обращения с отходами.

Недавнее исследование, проведенное Национальной лабораторией Ок-Риджа, показало, что различные типы промежуточных хранилищ необходимы для экономии Казначейству США $15 млрд к 2040 году, $30 млрд к 2050 году и $54 млрд к 2060 году, поскольку в ближайшие несколько десятилетий в стране планируется провести больше мероприятий по выводу из эксплуатации.

Когда отработанное топливо вынимается из реактора, оно одновременно горячее и радиоактивное и требует хранения в воде, чтобы дать топливу остыть. Затем топливо может долго храниться во влажном хранилище или перенесено в сухое хранилище после периода первоначального охлаждения.

Полная опора на влажное хранение отработавшего топлива в качестве промежуточного шага в борьбе с отработавшим ядерным топливом широко практикуется во всем мире, в том числе и в Великобритании, где страны реализуют стратегию «замкнутого топливного цикла», которая включает переработку и рециркуляцию во влажных условиях.

Некоторые страны, такие как Швеция и Финляндия, хранят все свои запасы отработавшего топлива во влажных условиях до тех пор, пока отработавшее топливо не удовлетворит требованиям окончательной утилизации. Другие страны, такие как США, Канада и Германия, переводят отработавшее топливо в сухое состояние после начального периода влажного охлаждения.

В то время как влажное хранение доказало свою ценность с течением времени, новый метод, сухое хранение, недавно приобрел большую популярность в некоторых регионах, несмотря на то, что все еще нуждается в доказательстве своих сильных сторон как безопасный и надежный метод хранения во всем мире.

Влажное хранение в Великобритании: демонстрация гибкости и надежности

Влажное хранение в качестве промежуточной стадии состоит из хранения отходов под водой, чтобы они были охлаждены и их радиоактивные свойства рассеяны, прежде чем быть утилизированными обычным способом.

Как рассказала главный операционный директор Sellafield Ребекка Уэстон во время научного форума МАГАТЭ 2020 года, Великобритания в настоящее время строит передовые газовые реакторы (AGR), которые представляют собой британские реакторы с газовым охлаждением второго поколения, разработанные на основе более ранних реакторов с газовым охлаждением Magnox I поколения.

В рамках управления по выводу из эксплуатации ядерных установок в Великобритании Селлафилд участвовал в подготовке приемных и складских прудов для термической переработки оксидов, реконфигурированных для выполнения функций временного хранилища оставшегося отработавшего топлива в Великобритании, где топливо AGR будет храниться в течение следующих 80 лет.

Влажное хранение не только поддерживает британскую стратегию хранения, разработанную Управлением по ядерному выводу из эксплуатации, но и демонстрирует другие значительные преимущества этого метода.

«Одно из преимуществ влажного хранения в пруду заключается в том, что есть более легкий доступ к топливу, в отличие от сухих хранилищ или новых объектов. Это позволяет легко получить доступ для обнаружения проблем. И это, безусловно, область, где Великобритания имеет значительный опыт и знания в области хранения этого топлива на сегодняшний день», — сказал Уэстон.

Кроме того, подход к мокрому хранению отличается гибкостью, и Уэстон добавляет: «Важно также, что мокрый подход и использование существующих объектов позволяют нам быть гибкими для будущих стратегий, будь то изменение позиции вокруг топливного цикла или открытость для будущих инноваций вокруг сушки или долгосрочного хранения ядерного топлива».

С точки зрения инноваций, поставляемых для поддержки стратегии влажного хранения, команда со временем изменила рН на более щелочную позицию в качестве ингибитора коррозии.

Во время своего выступления Уэстон также отметила, что условия облучения различаются между различными типами реакторов, например, легководным реактором и усовершенствованным газоохлаждаемым реакторным топливом. Это оказывает влияние не только на режимы хранения, но и на режимы мониторинга и отбора проб, которые применяются для различных видов топлива.

Orano совершенствует сухие ядерные хранилища

Несмотря на существующие проблемы, преимущества сухого хранения вышли на передний план за последние пару лет. Взяв другой подход к Великобритании, комиссия по ядерному регулированию США пришла к выводу, что хранение отработавшего топлива в бассейнах и бочках для хранения является безопасным и безопасным. По этой причине большая часть отработанного топлива США, более 70 000 тонн, в настоящее время хранится в промежуточных хранилищах и бочках на атомных электростанциях по всей стране. Сухое ядерное хранилище в настоящее время набирает популярность почти через четыре десятилетия после его создания.

После того, как отработавшее ядерное топливо уже охлаждалось в топливном бассейне в течение по меньшей мере одного года, а часто и целых десяти лет, оно затем помещалось в сухие хранилища. Эта взаимодополняемость влажного и сухого хранения позволила закрыть и безопасно вывести из эксплуатации несколько атомных станций начиная с 2000-х годов. 

Некоторые из стран, которые включили некоторые формы хранения сухих отходов на сегодняшний день, включают: США, Канаду, Германию, Швейцарию, Испанию, Бельгию, Швецию, Японию, Армению, Аргентину, Болгарию, Чехию, Венгрию, Южную Корею и Литву.

Одна из ведущих компаний по сухому хранению ядерных материалов в мире и первый конструктор сухого хранения, работающий с Комиссией по ядерному регулированию США, Orano разрабатывает технологии сухого хранения отработавших ядерных тепловыделяющих сборок уже около 40 лет.

Компания успешно разработала и сертифицировала как металлические бочки для хранения, так и системы хранения на основе канистр. Это все вместе с их новейшей системой NUHOMS из индивидуально хранимых и сваренных канистр, которые горизонтально помещаются внутри сильно экранированных квадратных бетонных модулей на использованных площадках хранения топлива на реакторных площадках.

Самые современные канистры Orano с увеличенной емкостью и оптимизацией для хранения теперь имеют лицензию на хранение отработанного топлива с высокими характеристиками выгорания и высокой тепловой нагрузкой до 50 кВт, что является самым высоким показателем в отрасли (предыдущий уровень составлял 34 кВт). Поскольку временное сухое хранение отработанного топлива на площадках реакторов было продлено сверх первоначального 20-летнего лицензионного периода, компания Orano успешно продлила лицензионный период для системы сухого хранения NUHOMS до 60 лет. Наряду с этим, Orano также сократила объем необходимого места на площадках для сухого хранения на 45% для того же количества топлива, разработав двухуровневые модули сухого хранения MATRIX, которые помогают заказчикам коммунальных предприятий избегать расширения своих сухих складских помещений, экономя дополнительную расходы.

Преимущества и проблемы влажного и сухого ядерного хранения

Хотя наличие сухого бочкового хранилища не устраняет необходимости в первоначальном резервуарном хранении на действующих коммерческих реакторах, включение сухого хранилища в качестве дополнительной промежуточной стадии перед постоянной утилизацией, по мнению экспертов, может быть намного дешевле.

Давно известно, что для влажного хранения используется значительное количество энергии, и в сравнительном исследовании, опубликованном в журнале Annals of Nuclear Energy , «Сравнение затрат на влажные и сухие промежуточные хранилища отработавшего ядерного топлива PWR в Корее» было установлено, что влажное хранение может быть самым дорогим решением для вывода из эксплуатации отработавшего ядерного топлива реактора с водой под давлением по сравнению с тремя концепциями сухого хранения.

Это показывает, что если добавить дополнительный этап сухого хранения, компании могут извлечь выгоду из снижения затрат на техническое обслуживание.

Главный технический директор Orano Пракаш Нараянан делится тем, что еще одним значительным преимуществом сухого хранения является его расширяемая способность: «Емкость влажного хранения на атомных электростанциях ограничена и не может быть значительно увеличена».

«Сухое хранение предлагает важное преимущество с модульным, расширяемым хранилищем для поддержки непрерывной, долгосрочной эксплуатации объекта ядерной энергетики. Перенос количества отработавших ядерных тепловыделяющих сборок из влажного хранилища в бассейне реакторного здания в большие емкости, герметичные сухие контейнеры для хранения, а затем размещение этих контейнеров в сухие модули хранения в отдельном сухом хранилище дает много преимуществ энергетической компании и окружающему сообществу».

Однако противники метода сухого хранения высказывали опасения по поводу опасности транспортировки летучих ядерных отходов для сухого хранения и уровней радиоактивности, которым подвергаются рабочие, а также риска вскрытия канистр и утечки содержимого.

Для сравнения, влажное хранение не требует перемещения отработавшего топлива, поскольку оно остается в пруду в течение длительного времени, обеспечивая более легкий доступ к топливу, что позволяет быстро обнаруживать проблемы.

В ответ сторонники сухого хранения настаивают на том, что топливо не очень летуче, канистры закрываются сваркой, а для безопасного контроля канистр в сухом хранении разрабатываются передовые инструменты управления старением.

Заглядывая в будущее вывода из эксплуатации, Нараянан говорит, что: «Для большей экономической эффективности конструкции тепловыделяющих сборок становятся более надежными и менее подверженными отказу топлива, [чтобы] обеспечить повышенную рабочую мощность с повышенным первоначальным обогащением и более высоким выгоранием».

Хотя это может создать новые проблемы для управления этими сборками, он уверен, что новые системы сухого хранения уже способны удовлетворить эту будущую потребность отрасли.

Будет ли сухое хранение приобретать достаточную известность, чтобы стать столь же популярным, как и влажное хранение во всем мире, остается неясным. Однако одно можно сказать наверняка: решение проблемы ядерных отходов станет одним из важнейших шагов на пути к будущему чистой энергетики, что потребует значительных усилий, регулирования и финансирования.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ