Безопасное удаление отходов реактора и регенерации ядерного топлива — одна из основных проблем широкого использования ядерной энергии. Вероятно, к 2000 г., хотя существуют различные оценки, только в США ежемесячная радиоактивность, вызываемая образованием Sr90 и Cs137 в качестве побочных продуктов атомной промышленности, будет составлять несколько десятков миллионов кюри. Значение проблемы удаления радиоактивных отходов можно представить, если учесть, что радиоактивность величиной 1 кюри, вызываемая Sr90 при растворении в воде, может, согласно стандартам Службы здравоохранения США, сделать 100 млрд. л воды непригодными к потреблению. Очевидно, что одно лишь простое разбавление радиоактивных веществ даже в крупнейших озерах и реках недостаточно для удаления радиоактивных отходов. Более того, вод океанов недостаточно для этой цели, даже если бы они были равномерно перемешаны, поскольку многие опасные радиоизотопы накапливаются морскими организмами.
Рис. 5.3. Распространение радиоизотопов из подземного поглощающего устройства, используемого для сброса радиоактивных отходов в Ханфорде, штат Вашингтон.
Две наблюдательные скважины, проходящие вблизи поглощающего устройства, были пробурены после того, как прекратили пользоваться устройством.
Эффективное удаление радиоактивных отходов зависит от радиоактивности отходов, их общей характеристики и физико-географических условий местности, где производится удаление отходов. Радиоактивность жидких отходов в целом считается малой, если в 1 галл воды содержатся доли микрокюри, средней, если она составляет менее нескольких кюри, и высокой при содержании более чем несколько кюри в 1 галл воды Некоторые отходы первоначально содержат несколько сотен кюри в 1 галл воды.
Малоактивные отходы образуются в процессе использования ядерной энергии. Мельчайшие количества радиоактивной пыли в промывочной воде, летучие радиоизотопы в конденсате пара и активность примесей в воде, служащей для охлаждения реакторов, составляют значительную часть малоактивных отходов. Некоторые установки выделяют более миллиона галлонов малоактивных отходов ежесуточно. Например, на Национальной станции испытания реакторов в штате Айдахо в течение 1958 г. в Одну скважину было закачано почти 500 млн. галл жидких отходов. Гораздо большее количество отходов было сброшено в естественные понижения рельефа в районе Ханфорда, штат Вашингтон. Здесь сбрасывалась главным образом вода, использованная для охлаждения с содержанием менее 10-5 мккюри/мл за счет бета-активности. Конденсат пара, который может содержать от 10-13 до 10-1 мккюри/мл, помещали в подземные поглощающие устройства, представляющие собой деревянный сруб (рис. 5.3). Вода, имеющая высокое содержание химических продуктов, отрицательно действующих на сорбцию ионов, сбрасывалась в траншеи, которые использовались лишь в течение ограниченного времени.
Общая активность продуктов деления, удаленных в Ханфорде путем разлива и с помощью поглощающих устройств и траншей, составила почти 3 млн. кюри. Большая часть радиоизотопов сорбируется на поверхности частиц почвы. Небольшое количество их уносится инфильтрующейся водой. Были проведены обширные исследования с целью определения способности почвы накапливать радиоизотопы. Было пробурено более 600 скважин для изучения природной циркуляции подземных вод и контролирования миграции радиоизотопов в воде. На участке удаления радиоактивных отходов температура воды, а также анализы более подвижных радиоизотопов дают наглядное представление о движении жидких радиоактивных отходов. В результате искусственного питания подземных вод в районе Ханфорда изменилось естественное движение воды и образовался большой бугор подземных вод (рис. 5.4, 5.5). Установившиеся градиенты и местные различия водопроводимости определили направление движения радиоактивных отходов.
Рис. 5.4. Уровни подземных вод в районе Ханфорда, штат Вашингтон.
Рис. 5.5. Изменения уровней подземных вод, вызванные сбросом сточных вод в районе Ханфорда, штат Вашингтон.
В районе Ханфорда наиболее подвижными радиоизотопами оказались Ru103 и Ru106. Поскольку у Ru106 период полураспада превышает примерно в десять раз период полураспада Ru103, Ru106 имеет гораздо большее значение как потенциальное загрязняющее вещество. Следующее место по подвижности занимает радиоизотоп Sr90. Наименее подвижным оказался Cs137, который очень сильно сорбируется поверхностью глин (рис. 5.3).
В районе атомного предприятия, расположенного на реке Саванна, штат Южная Каролина, подвижность сбрасываемых загрязнений определяется другими геологическими условиями и, возможно, химическими свойствами загрязнений. Здесь радиоактивные отходы сбрасываются в большие фильтрационные бассейны, отрытые в породах формации Таскалуса, представленные здесь песками, алевритами и глинами, в основном каолиновыми. Наиболее подвижным радиоизотопом оказался тритий, следующий по подвижности — Sr90. В пробах воды, отобранных из верховодки около бассейнов, содержатся Н3, Sr89, Sr90, Се141, Се144, Cs137, Ru103, Ru106 и Zr — Nb95. Вследствие сорбции и распада этих радиоизотопов, имеющих короткий период полураспада, все они, за исключением Н3 и Sr90, не проникли в более глубокие подземные воды. Утечка Рu239 за пределы фильтрационных бассейнов не наблюдается. На рис. 5.6 показаны границы распространения радиоизотопов за пределами трех бассейнов.
Рис. 5.6. Проникновение H3 и Sr90 в подземные воды в результате сброса сточных вод атомного предприятия на реке Саванна, штат Южная Каролина (январь — февраль 1962 г.).
Большая часть высокоактивных отходов образуется в результате регенерации ядерного топлива. Кроме радиоактивности, многие из этих отходов имеют нежелательные химические свойства. Один из распространенных видов отходов — кислотные отходы с высоким содержанием NO3 и Al. В настоящее время большинство высокоактивных отходов помещают в емкости, расположенные на земной поверхности или неглубоко в земле. Изучается ряд проектов окончательного удаления этих отходов. Такие отходы накапливаются очень быстро, и их удаление представляет значительную статью расхода по программе использования атомной энергии. Высокоактивные отходы удаляют путем захоронения в шахтах и специально вырытых ямах, а также цементируют. Все планы захоронения радиоактивных отходов в земле предусматривают необходимость проведения тщательных гидрогеологических исследований с целью охраны водных ресурсов от радиоактивных загрязнений в настоящем и будущем.
Перед установкой всех реакторов, находящихся в ведении Комиссии по атомной энергии США, проводится полная оценка возможной радиационной опасности. Изучение подземных вод в определенной местности — важная составная часть этой оценки. Хотя в большинстве аварий с реакторами не высвобождаются большие количества радиоактивных веществ и известно всего лишь несколько случаев утечки радиоактивных веществ из зданий, где расположены реакторы, желательна совершенная охрана подземных вод от радиоактивного загрязнения даже в случае самой крупной аварии реактора или при стихийных бедствиях. Обычно при работе реактора высвобождается незначительная радиация, поскольку все использованное ядерное топливо доставляется к местам его регенерации.
