Захоронение ядерных отходов

На минувшей неделе в Германии чуть ли не все выпуски новостей начинались сообщениями о том, как железнодорожный состав с радиоактивными отходами продвигается от границы с Францией к временному хранилищу "Горлебен" в Нижней Саксонии. Как всегда, это продвижение то и дело прерывалось отчаянными акциями протеста со стороны противников атомной энергетики. От 1200 демонстрантов поезд охраняли 17 тысяч полицейских, но полностью избежать эксцессов всё же не удалось. Конечно, приковывать себя цепями к рельсам – это не выход. Однако вопрос о том, как быть с радиоактивными отходами, стоит весьма остро и требует быстрого решения. Германия отправляет отработавшее ядерное топливо со своих АЭС на переработку во Францию (Ла-Хаг) или в Великобританию (Селлафилд). Там оно компактируется, кондиционируется, перегружается в специальные контейнеры "Castor" и доставляется обратно в Германию для захоронения. Нынешний состав из 12-ти железнодорожных платформ с контейнерами "Castor" представлял собой самую крупную в истории страны одноразовую порцию радиоактивных отходов, подлежащих захоронению. Пока же все эти отходы попадают во временное хранилище. Между тем, проблема устройства надёжных могильников, способных обеспечить практически вечное хранение, уже давно занимает специалистов. В частности, некоторые эксперты ставят под сомнение надёжность широко распространённой сегодня в Европе технологии остекловывания. Она состоит в том, что радиоактивные отходы измельчают в порошок, смешивают со стеклообразующими материалами, нагревают до 1000 градусов Цельсия и разливают полученный продукт в толстостенные стальные контейнеры для застывания и последующего захоронения. Профессор Рето Гире (Reto Gieré), долгие годы работавший в Швейцарии, в Институте минералогии и петрографии при Базельском университете, а сегодня ведущий исследования в США, в Университете Пердью в Западном Лафайетте, штат Индиана, поясняет:

- Стекло недостаточно стабильно в условиях реальной окружающей среды, об этом свидетельствует масса исторических примеров, будь то археологические находки или, скажем, предметы обихода из старинных европейских замков: мы видим, что стекло мутнеет, теряет былую прозрачность, а это верный признак нестабильности.

Учёный уже давно ищет альтернативы стеклу как упаковочному материалу для радиоактивных отходов. Требуемая долговечность – десятки и даже сотни тысяч лет – не поддаётся проверке в лабораторных условиях. Приходится заимствовать идеи у природы. Профессор Гире:

- В природе радиоактивные элементы всегда окружены кристаллическими структурами, и эти кристаллы на протяжении многих тысяч и даже миллионов лет надёжно удерживают заключённые в них опасные субстанции, препятствуют их проникновению в грунтовые воды.

Типичный пример таких кристаллов – моноцит, минерал сложного химического состава, содержащий большое количество радиоактивного элемента тория (Th). Гире поясняет:

- Обычно атомы тория распределены в кристаллической структуре довольно равномерно. Они находятся в определённых местах в окружении определённого количества других атомов. То есть атомы радиоактивного элемента оказываются заключены в кристаллической решётке как в клетке, состоящей из безвредных атомов.

Этот принцип Гире намерен использовать для фиксации радиоактивных отходов, выбирая – или искусственно создавая – для разных радионуклидов оптимальные кристаллические структуры:

- Если мы внедряем атом тория с положительной валентностью в 4 единицы в кристаллическую структуру, мы должны соответственно встроить в неё и 4 отрицательные связи или, наоборот, изъять из неё соответствующее количество атомов, с тем, чтобы вся структура в целом осталась электрически нейтральной. Точно так же для фиксации плутония можно использовать в качестве матрицы минерал циркон, заменяя в нём нерадиоактивные атомы циркония радиоактивными атомами плутония.

Правда, после химической переработки отработавшего ядерного топлива и извлечения из него урана и плутония остаётся ещё и большое количество высокоактивных жидких отходов, также подлежащих захоронению, и их приходится отверждать. Рето Гире:

- К этим жидкостям добавляются порошки различных окислов – кальция, циркония, титана. Полученная смесь сушится, а затем в условиях высоких температур и высокого давления плавится, заливается в специальные – как правило, стальные, – контейнеры и там кристаллизуется. В конечном счёте образуется твёрдая керамическая структура, в которой радионуклиды прочно зафиксированы.

В такой упаковке отходы могут храниться практически вечно - если только не подвергнутся физическому разрушению, воздействию агрессивных сред или высоких температур. Нужны надёжные и безопасные могильники. Профессор Гире говорит:

- Сейчас планируется создавать могильники в самых сухих геологических породах, поскольку существуют серьёзные опасения, что грунтовые воды будут негативно влиять на надёжность захоронения отходов, вымывать радиоактивные и ядовитые вещества и разносить их на значительные расстояния.

Вот только каким будет климат в районе могильника через десятки тысяч лет, никто сказать не может, – продолжает Рето Гире:

- Поэтому мы изучили образцы кристаллических пород из Африки. Этим минералам уже 33 миллиона лет, они содержат некоторое количество урана с момента своего возникновения, и за всё это время содержание урана в них не изменилось – несмотря на весьма разнообразные и интенсивные химические воздействия в экстремальных условиях тропического климата.

Что же, звучит обнадёживающе. Однако в Германии к решению проблемы долговременного захоронения радиоактивных отходов, по сути дела, ещё не приступили, хотя жаркие дебаты и весьма бурные дискуссии идут уже давно. Правда, в 1999-м году по инициативе Федерального министерства экологии была образована рабочая группа из 16-ти экспертов – представителей разных ведомств, университетов и научно-исследовательских институтов. Однако эти эксперты не ищут подходящие места для могильника. Их главная задача состоит в другом: в выработке тех критериев, которыми следует руководствоваться при оценке местности для размещения будущего могильника, тех условий, которым должен отвечать этот самый могильник, и тех процедур, которые необходимо будет соблюдать при согласовании этого вопроса в инстанциях и с местным населением. Пока, во всяком случае, эксперты стараются избегать каких бы то ни было упоминаний о конкретных местах, ещё недавно фигурировавших в качестве потенциальных кандидатов на эту незавидную роль, будь то соляные копи "Морслебен" в Саксонии-Анхальт на территории бывшей ГДР, шахта "Конрад" в окрестностях города Зальцгиттера в Нижней Саксонии или ныне действующее временное хранилище "Горлебен", также в Нижней Саксонии.

Собственно, требования немецких экспертов к безопасности формулируются крайне просто: могильник должен обеспечивать надёжное хранение отходов на протяжении миллиона лет. Насколько реалистичны подобные требования, никто не знает. Специалисты полагают, что реализовать такое практически вечное захоронение могут лишь плотные однородные геологические структуры площадью не менее 12-ти квадратных километров. При этом массив должен быть такой толщины, чтобы могильник можно было разместить на глубине от 500 метров до 1,5 километров. Это не только надёжно защитит местное население от излучения, но и сделает радиоактивные отходы недоступными для террористов. Но наиболее распространённая глубинная горная порода – гранит – мало подходит для этой цели, поскольку склонна к растрескиванию, так что изоляция могильника, способная предотвратить проникновение влаги извне и просачивание опасных веществ наружу, обошлась бы слишком дорого. Поэтому внимание немецких экспертов сосредоточено на соляных формациях и залежах глин. Опыт эксплуатации временного хранилища "Горлебен" свидетельствует о реалистичности такого подхода. А значит, к потенциальным кандидатам на то, чтобы принять у себя на вечное хранение радиоактивные отходы, относится целый ряд регионов в Северной, Центральной и Южной Германии. Есть и ещё одна проблема: до сих пор Министерство экологии исходило из того, что для всех радиоактивных отходов страны будет достаточно одного могильника. Между тем, эксперты с этим не согласны. Так, Вернт Бревитц (Wernt Brewitz), руководитель научно-исследовательского отдела Общества по обеспечению безопасности промышленных установок и реакторов, говорит:

- Мы – я имею в виду специалистов в области защиты от излучения и кондиционирования радиоактивных отходов – испытываем серьёзные сомнения в том, что касается безопасности захоронения газообразующих низко- и среднеактивных отходов в очень плотных горных породах. Мы считаем, что в результате выделения газов самими отходами в могильнике может произойти значительное повышение давление. Для такой ситуации компьютерные модели, на основе которых мы прогнозировали надёжность и безопасность захоронения, уже не пригодны, а достоверными данными, позволяющими произвести новые расчёты, мы не располагаем.

Иными словами, высокоактивные отходы не должны храниться вместе с низко- и среднеактивными, а значит, могильников в стране должно быть, как минимум, два. Между тем, время поджимает. Уже к концу нынешнего года все процедуры и критерии должны быть разработаны, согласованы и утверждены, в 2004-м году предстоит начать поиск на местности. Могильник должен быть готов не позднее 2030-го года.

Надо сказать, что могильников для окончательного захоронения радиоактивных отходов пока нет нигде, хотя работы в этом направлении активно ведутся. Так, Швеция намерена построить могильник в гранитной породе уже к 2010-му году. Финляндия тоже делает ставку на гранит. Бельгия отдала предпочтение глине и планирует завершить могильник к 2035-му году. Франция пока не сделала выбор между глиной и гранитом. А Великобритания приняла решение на ближайшие 50 лет ограничиться временными хранилищами.

Первой страной, решившей проблему захоронения отработавшего ядерного топлива и прочих радиоактивных отходов, станут, видимо, США. Потратив более 20-ти лет и свыше 4-х миллиардов долларов на научные изыскания, связанные с поиском подходящего места для такого могильника, американские специалисты остановили свой выбор на горе Якка на юге штата Невада, недалеко от границы со штатом Калифорния и в полутора сотнях километров от Лас-Вегаса. Конгресс это решение утвердил, так что проекту, можно считать, уже дан зелёный свет. Предполагается, что строительство могильника займёт 8 лет, а его ёмкость составит около 77 тысяч тонн. Примечательно, что месторасположение будущего американского могильника не отвечает критериям, которыми в этом вопросе руководствуются немецкие специалисты. Если в Германии ставка делается на наиболее плотные скальные породы, то в США вполне подходящим признан вулканический туф, составляющий основу горы Якка, несмотря на то, что туф – порода скорее рыхлая. Более того, американские эксперты полагают, что высокий уровень безопасности будет реализован, прежде всего, именно за счёт геологии как таковой, а всякого рода инженерным сооружениям и прочим искусственным средствам защиты отводят второстепенную роль. Такой подход предполагает безусловную надёжность горной породы, а в ней-то как раз многие независимые специалисты и сомневаются. Почему американская администрация выбрала именно гору Якка и чем так уж хорош тамошний туф, объясняет Зелл Питермэн (Zell E. Peterman), научный сотрудник Службы геологии, геодезии и картографии Министерства внутренних дел США в Денвере, штат Колорадо:

- Эти породы являются элементом единой геологической и гидрологической системы. Важную роль играет наличие здесь мощного и практически не содержащего влаги горного массива толщиной более 700 метров. В середине этого пласта и предполагается соорудить могильник, то есть примерно на 200-300 метров выше уровня грунтовых вод. Такое удачное сочетание геологических и гидрологических параметров делает это место наиболее подходящим для захоронения здесь радиоактивных отходов. Есть и ещё один положительный фактор, являющийся важным аргументом в пользу размещения могильника именно здесь: это климат. Ведь тут пустыня, дожди случаются крайне редко, так что в эту саму по себе очень сухую систему вода извне практически не поступает.

Но и в те редкие моменты, когда дождь всё же идёт, вода не застаивается, она тотчас стекает по многочисленным порам и трещинам, пронизывающим туф словно дренаж. А уж проникновение воды вглубь горы до самого могильника эксперты и вовсе считают невероятным. Когда рыхлая порода так пересушена, как местный туф, вся влага остаётся в поверхностном слое уже хотя бы за счёт капиллярных явлений. Впрочем, даже если все эти механизмы не сработают, всё равно ничего страшного не случится, – полагает Зелл Питермэн:

- В более широком масштабе гора Якка и её окрестности являются частью Долины смерти – практически безводной межгорной впадины в пустыне Мохаве. Долина смерти представляет собой совершенно изолированную гидрологическую систему, из которой влага, даже если она как-то проникнет в могильник, просочится насквозь и попадёт в грунтовые воды, никогда не выйдет наружу. Эта вода просто не может оказаться в реке или в океане.

Проектный срок службы этого могильника составляет 10 тысяч лет – с точки зрения немецких экспертов, несуразно мало. Однако американские эксперты не видят смысла заглядывать ещё дальше в будущее, хотя и полагают, что реально такое захоронение сможет выполнять свою функцию во много раз дольше. По крайне мере, изотопный анализ местности показал, что нынешний сухой климат здесь царил уже 600 тысяч лет назад. Возраст местных туфов учёные оценивают и вовсе в 10 миллионов лет, причём за всё это время они, похоже, не претерпели никаких изменений. Совершенно очевидно, что внутренняя структура горы надёжно защищена от каких бы то ни было изменений на поверхности. И всё же, – признаёт Зелл Питермэн, – существуют и факторы риска.

- Первый – это сейсмическая активность. Она внимательно изучалась нами на протяжении последних 15-ти лет. И всё это время здесь имели место лёгкие землетрясения. Второй фактор риска связан с возможностью нового извержения вулкана. В окрестностях Якки в радиусе около 50-ти километров в изобилии встречаются магматические горные породы, базальты, которые на протяжении последних 10-ти миллионов лет регулярно извергались на поверхность. Самое последнее извержение вулкана здесь произошло от 80-ти до ста тысяч лет назад.

Землетрясения с магнитудой до 7 единиц считаются в этих местах хоть и маловероятными, но теоретически возможными. Окончательно ли угасла вулканическая активность, никто не знает. Но поскольку интервалы между извержениями до сих пор всегда составляли несколько сотен тысяч лет, такой риск сочли приемлемым. Однако вполне может оказаться, что реальная вероятность нового извержения вулкана гораздо выше. Новейшие геомагнитные исследования позволили обнаружить в окрестностях будущего могильника более дюжины ранее неизвестных вулканов, скрытых под слоем осадочных пород. Впрочем, на Службу геологии, геодезии и картографии США это не произвело никакого впечатления. Вероятность того, что извержение затронет могильник, там считают пренебрежимо малой.