Радиоактивная вода

Радиоактивная вода

Вода, содержащая радиоактивные вещества, не является большой редкостью. Радиоактивное загрязнение природной воды может происходить разными путями. В частности, подземные и поверхностные воды могут содержать уран, радий, торий, радон и др. Эти вещества могут выноситься из горных пород, содержащих радиоактивные элементы и продукты их распада, поступать из недр земли, попадать в водные объекты с метеоритами и в результате техногенной деятельности человека.
Надо сказать, что до настоящего времени нет достаточно эффективного и безопасного внедренного способа утилизации ядерных отходов. Наиболее часто применяется захоронение этих отходов в земле на различных глубинах. При этом в ядерных могильниках продолжается распад радиоактивных изотопов с выделением тепла, создавая опасность разрушения герметических оболочек и заражения окружающей среды, путем распространения радионуклидов подземными и поверхностными водами.
Кроме того, производственные сточные воды могут содержать радиоактивные вещества, которые поступают в водные объекты.
Следует отметить, что период полураспада различных радиоактивных изотопов колеблется от долей секунды до миллионов лет, т.е. радиоактивное загрязнение местности делает ее непригодной для жизни на многие годы, если не тысячелетия.
Таким образом, задача дезактивации радиоактивной воды является сложной, но необходимой и подлежит безотлагательному решению.
ООО «Экоцентр» предлагает технологию, применение которой позволит не только быстро и эффективно удалить из зараженной воды радиоактивные вещества, но и обезвредить полученный шлам, значительно сократив период распада радионуклидов.
Время, необходимое для очистки воды измеряется минутами, обезвреживание полученного отхода – сутками. Технология отработана и готова к промышленному внедрению.

Согласно приблизительным оценкам возраст Земли составляет около 6 млрд. лет. Около 2 млрд. лет тому назад на Земле зародилась жизнь. Существует мнение, что задержка в развитии жизни на Земле могла произойти из-за высокого уровня радиации, который господствовал на планете вскоре после ее возникновения, вследствие чего живые организмы появились лишь после значительного уменьшения радиоактивности земной коры и атмосферы.

Воды Мирового океана содержат миллиарды тонн калия, рубидия, урана, тория и радия. Естественная радиоактивность вод суши и океана в основном обусловлена радиоактивным изотопом калия (К 40). Количество радия в поверхностных водах океана составляет около 0,4·10 -10 %. В глубоководных осадках центральных частей океанов радия значительно больше, чем должно быть по условиям равновесия с имеющимся в осадках ураном. Воды природных источников содержат урана от 5·10 -7 до3·10 -5 г/л. В северных реках урана несколько меньше, в южных - больше. В бессточных водоемах засушливых районов концентрация урана может возрасти до 4·10 -2 г/л. Радиоактивность речной воды оценивается величиной порядка 10 -12 Кюри/л, озерной 10 -11 Кюри/л и морской 10 -10 Кюри/л, в то время как радиоактивность атмосферного воздуха составляет примерно 10 -16 Кюри/см 3 и радиоактивность атмосферных осадков у поверхности Земли около 2·10 -11 Кюри/г (сохраняется радиоактивность осадков в течение нескольких часов, причем снег более радиоактивен, чем дождь). Выпадение осадков способствует очищению атмосферы от радиоактивных загрязнений. Наибольшее количество радиоактивных веществ содержат туманы и морось.

В высоких слоях атмосферы, при бомбардировке ядер водорода космическими лучами, образуется тяжелый изотоп водорода - радиоактивный тритий, который затем входит в состав сверхтяжелой воды Т 2 О и вместе с осадками попадает на земную поверхность. Общее количество трития в водах Мирового океана составляет около 800 г, период его полураспада 12,2 года.. Когда в водах одного из подземных источников провинции Шампань (Франция) тритий не был обнаружен, ученые пришли к выводу, что в этот источник не попадала влага из атмосферы. В океанических водах трития меньше, чем в водах суши. Это обстоятельство использовано для решения вопроса о том, какая часть атмосферных осадков образовалась за счет испарения воды с поверхности океана и какая - за счет испарения вод суши. Разновидности тритиевой воды HTO, DTO и Т 2 О применяются в качестве радиоактивных индикаторов влагонепроницаемости вещества.

В человеческом организме имеется около 3 10 -3 г радиоактивного калия и 6 10 -9 г радия. За счет этих веществ в теле человека ежесекундно происходит 6 тысяч бета-распадов и 220 альфа-распадов. Кроме того, в результате воздействия космических лучей в организме человека возникают искусственные радиоэлементы. Только благодаря радиоактивному углероду С 14 происходит 2 500 бета-распадов в секунду дополнительно. В общем итоге в теле человека ежесекундно происходит 10 000 актов распада. Поскольку окружающий нас воздух, вода и горные породы радиоактивны, человеческий организм по уровню своей радиоактивности приспособился к радиационному фону окружающей среды.

ПИР (природные источники радиации)

Существуют вещества, обладающие природной радиоактивностью , известные как природные источники радиации (ПИР). Бо́льшая часть этих веществ, образующихся в результате распада урана или тория , и испускающие альфа-частицы .

Главный побочный продукт обогащения - обедненный уран, состоящий главным образом из урана-238, с содержанием урана-235 менее 0,3 %. Он находится на хранении, так же, как UF 6 и U 3 O 8 . Эти вещества находят применение в областях, где ценится их крайне высокая плотность, например при изготовлении килей яхт и противотанковых снарядов. Также они используются (вместе с повторно используемым плутонием) для создания смешанного оксидного ядерного топлива и для разбавления переобогащенного урана, входящего ранее в состав ядерного оружия . Это разбавление, называемое также обеднением, означает, что любая страна или группировка, получившая в свое распоряжение ядерное топливо, должна будет повторить очень дорогой и сложный процесс обогащения, прежде чем сможет создать оружие.

Окончание цикла

Вещества, в которых подошел к концу ядерный топливный цикл (в основном это отработавшие топливные стержни), содержат продукты деления, испускающие бета- и гамма-лучи. Они также могут содержать актиноиды , испускающие альфа-частицы, к которым относятся уран (234 U), нептуний (237 Np), плутоний (238 Pu) и америций (241 Am), а иногда даже источники нейтронов, такие как калифорний (Cf). Эти изотопы образуются в ядерных реакторах.

Важно различать обработку урана с целью получения топлива и переработку использованного урана. Использованное горючее содержит высокорадиоактивные продукты деления (см. ниже Высокоактивные РАО). Многие из них являются поглотителями нейтронов, получив, таким образом, название «нейтронных ядов». В конечном итоге их количество возрастает до такой степени, что, улавливая нейтроны, они останавливают цепную реакцию даже при полном удалении стержней-поглотителей нейтронов . Достигшее этого состояния топливо необходимо заменить свежим, несмотря на по-прежнему достаточное количество урана-235 и плутония. В настоящее время в США использованное топливо отправляется на хранение. В других странах (в частности, в России, Великобритании, Франции и Японии), это топливо перерабатывается с целью удаления продуктов деления, затем после дообогащения возможно его повторное использование. В России такое топливо называется регенерированым. Процесс переработки включает работу с высокорадиоактивными веществами, а удаленные из топлива продукты деления - это концентрированная форма высокоактивных РАО, так же, как используемые в переработке химикаты.

Для замыкания ядерного топливного цикла предпологается использовать реакторы на быстрых нейтронах , который позволяет перерабатывать топливо являющееся отходами работы реакторов на тепловых нейтронах .

К вопросу о распространении ядерного оружия

При работе с ураном и плутонием часто рассматривается возможность их использования при создании ядерного оружия. Активные ядерные реакторы и запасы ядерного оружия тщательно охраняются. Однако, высокоактивные РАО из ядерных реакторов могут содержать плутоний. Он идентичен плутонию, используемому в реакторах, и состоит из 239 Pu (идеально подходящего для создания ядерного оружия) и 240 Pu (нежелательный компонент, крайне радиоактивен); эти два изотопа очень тяжело разделить. Более того, высокоактивные РАО из реакторов полны высокорадиоактивных продуктов деления; впрочем, их большая часть - короткоживущие изотопы . Это означает, что возможно захоронение отходов, и через много лет продукты деления распадутся, уменьшив радиоактивность отходов и облегчив работу с плутонием. Более того, нежелательный изотоп 240 Pu распадается быстрее, чем 239 Pu, таким образом, качество сырья для создания оружия со временем растет (несмотря на уменьшение количества). Это вызывает споры о том, что с течением времени хранилища отходов могут превратиться в своеобразные «рудники плутония», из которых относительно легко можно будет добыть сырье для оружия. Против этих предположений говорит тот факт, что период полураспада 240 Pu составляет 6560 лет, а период полураспада 239 Pu - 24110 лет, таким образом, сравнительное обогащение одного изотопа относительно другого произойдет только через 9000 лет (это означает, что в течение этого времени доля 240 Pu в веществе, состоящем из нескольких изотопов самостоятельно уменьшится вдвое - типичное превращение реакторного плутония в оружейный плутоний). Следовательно, «рудники оружейного плутония» станут проблемой в очень отдаленном будущем; так что есть еще много времени для решения этой проблемы при помощи современных технологий, прежде чем она станет актуальной.

Одно из решений этой проблемы - повторно использовать переработанный плутоний в качестве топлива, например, в быстрых ядерных реакторах. Однако само существование фабрик по регенерации ядерного топлива, необходимой для отделения плутония от других элементов, создает возможность для распространения ядерного оружия. В пирометаллургических быстрых реакторах получаемые отходы имеют актиноидную структуру, что не позволяет использовать их для создания оружия.

Переработка ядерного оружия

Отходы от переработки ядерного оружия (в отличие от его изготовления, которое требует первичного сырья из реакторного топлива), не содержат источников бета- и гамма-лучей, за исключением трития и америция. В них содержится гораздо большее число актиноидов, испускающих альфа-лучи, таких как плутоний-239, подвергающийся ядерной реакции в бомбах, а также некоторые вещества с большой удельной радиоактивностью, такие как плутоний-238 или полоний .

В прошлом в качестве ядерного заряда в бомбах предлагались бериллий и высокоактивные альфа-излучатели, такие как полоний. Сейчас альтернативой полонию является плутоний-238. По причинам государственной безопасности, подробные конструкции современных бомб не освещаются в литературе, доступной широкому кругу читателей.

Некоторые модели также содержат (РИТЭГ), в котором в качестве долговечного источника электрической мощности для работы электроники бомбы используется плутоний-238.

Возможно, что расщепляющееся вещество старой бомбы, подлежащее замене, будет содержать продукты распада изотопов плутония. К ним относятся альфа-излучающий нептуний-236, образовавшийся из включений плутония-240, а также некоторое количество урана-235, полученного из плутония-239. Количество этих отходов радиоактивного распада ядра бомбы будет очень мало, и в любом случае они гораздо менее опасны (даже в переводе на радиоактивность как таковую), чем сам плутоний-239.

В результате бета-распада плутония-241 образуется америций-241, увеличение количества америция - большая проблема, чем распад плутония-239 и плутония-240, так как америций является гамма-излучателем (возрастает его внешнее воздействие на рабочих) и альфа-излучателем, способным вызвать выделение тепла. Плутоний может быть отделен от америция различными путями, среди которых - пирометрическая обработка и извлечение при помощи водного/органического растворителя. Видоизмененная технология извлечения плутония из облучённого урана (PUREX) - также один из возможных методов разделения.

Общий обзор

Подвести итог вышесказанному можно фразой «Изолировать от людей и окружающей среды», пока отходы полностью не распадутся и не перестанут представлять угрозу.

Удаление малоактивных РАО

Низкоактивные РАО

Низкоактивные РАО - результат деятельности больниц, промышленных предприятий, а также ядерного топливного цикла. К ним относятся бумага, ветошь, инструменты, одежда, фильтры и т. д., содержащие малое количество преимущественно короткоживущих изотопов. Обычно эти предметы определяют как малоактивные отходы в качестве меры предосторожности, если они находились в любой области т. н. «активной зоны», часто включающей офисные помещения с крайне незначительной возможностью заражения радиоактивными веществами. Низкоактивные РАО обычно обладают не большей радиоактивностью, нежели те же предметы, отправленные на свалку из нерадиоактивных зон, например, обычных офисов. Данный тип отходов не требует изоляции во время транспортировки и пригоден для поверхностного захоронения. Чтобы уменьшить объем отходов, их обычно прессуют или сжигают перед захоронением. Низкоактивные РАО делятся на четыре класса: A, B, C и GTCC (самый опасный).

Среднеактивные РАО

Среднеактивные РАО обладают большей радиоактивностью и в некоторых случаях нуждаются в экранировании. К данному классу отходов относятся смолы , химический осадок, металлические оболочки тепловыделяющих элементов реакторов, а также загрязненные вещества из выведенных из эксплуатации АЭС . При транспортировке эти отходы могут закатываться в бетон или битум . Как правило, отходы с коротким периодом полураспада (в основном вещества из реакторов, не имеющие отношения к топливу) сжигают в поверхностных хранилищах, отходы с долгим периодом полураспада (топливо и продукты его переработки) размещают в глубоких подземных хранилищах. Законодательство США не выделяет этот тип РАО в отдельный класс; термин в основном используется в странах Европы.

Перевозка опок с высокоактивными РАО на поезде, Великобритания

Высокоактивные РАО

Высокоактивные РАО - результат работы ядерных реакторов. Они содержат продукты деления и трансурановые элементы , полученные в ядре реактора. Эти отходы крайне радиоактивны и часто имеют высокую температуру. На долю высокоактивных РАО приходится до 95 % общей радиоактивности, образующейся в результате процесса генерации электрической энергии в реакторе.

Трансурановые РАО

По определению законодательства США к этому классу относятся отходы, загрязненные альфа-излучающими трансурановыми радионуклидами, с периодами полураспада более 20 лет и концентрацией большей 100 нКи/г, вне зависимости от их формы или происхождения, исключая высокоактивные РАО. Элементы с атомными числами , большими, чем у урана, получили название «трансурановых». В связи с долгим периодом распада трансурановых отходов их захоронение проходит тщательнее, чем захоронение малоактивных и среднеактивных отходов. В США трансурановые РАО образуются в основном в результате производства оружия, к ним относится одежда, инструменты, ветошь, побочные продукты химических реакций, различного рода мусор и другие предметы, загрязненные небольшим количеством радиоактивных веществ (главным образом, плутония).

В соответствии с законодательством США, трансурановые РАО подразделяются на отходы, допускающие контактное обращение и отходы, требующие дистанционного обращения. Деление основывается на уровне радиации, измеренном на поверхности контейнера с отходами. Первый подкласс включает отходы с поверхностным уровнем радиации не более 200 миллибэр в час, второй - более опасные отходы, радиоактивность которых может достигать 1000 миллибэр в час. В настоящее время постоянное место захоронения трансурановых отходов деятельности силовых установок и военных заводов в США - первая в мире опытная установка для изоляции РАО.

Обращение со среднеактивными РАО

Обычно в ядерной индустрии среднеактивные РАО подвергаются ионообмену или другим методам, целью которых является концентрация радиоактивности в малом объёме. После обработки уже гораздо менее радиоактивное тело полностью обезвреживают. Существует возможность использовать гидроксид железа в качестве флокулянта для удаления радиоактивных металлов из водных растворов. После абсорбции радиоизотопов гидроксидом железа полученный осадок помещают в металлический барабан, где он перемешивается с цементом, образуя твердую смесь. Для большей стабильности и долговечности цемент изготовляют из зольной пыли или печного шлака и портландцемента (в отличие от обычного цемента, который состоит из портландцемента, гравия и песка).

Обращение с высокоактивными РАО

Хранение

Для временного хранения высокоактивных РАО предназначены резервуары для хранения отработанного ядерного топлива и хранилища с сухотарными бочками, позволяющие распасться короткоживущим изотопам перед дальнейшей переработкой.

Геологическое захоронение

Поиски подходящих мест для глубокого окончательного захоронения отходов в настоящее время ведутся в нескольких странах; ожидается, что первые подобные хранилища вступят в эксплуатацию после 2010 года. Международная исследовательская лаборатория в швейцарском Гримзеле занимается вопросами, посвященными захоронению РАО. Швеция говорит о своих планах по прямому захоронению использованного топлива с использованием технологии KBS-3, после того, как шведский парламент счел ее достаточно безопасной. В Германии в настоящее время ведутся дискуссии о поисках места для постоянного хранения РАО, активные протесты заявляют жители деревни Горлебен региона Вендланд. Это место вплоть до 1990 года казалось идеальным для захоронения РАО благодаря своей близости к границам бывшей Германской демократической республики . Сейчас РАО находятся в Горлебене на временном хранении, решение о месте их окончательного захоронения пока не принято. Власти США выбрали местом захоронения Юкка-Маунтин, штат Невада , однако данный проект встретил сильное противодействие и стал темой жарких дискуссий. Существует проект создания международного хранилища высокоактивных РАО, в качестве возможных мест захоронения предлагаются Австралия и Россия . Однако власти Австралии выступают против подобного предложения.

Существуют проекты захоронения РАО в океанах, среди которых - захоронение под абиссальной зоной морского дна, захоронение в зоне субдукции , в результате чего отходы будут медленно опускаться к земной мантии , а также захоронение под природным или искусственным островом. данные проекты имеют очевидные достоинства и позволят решить на международном уровне неприятную проблему захоронения РАО, но, несмотря на это, в настоящее время они заморожены из-за запрещающих положений морского права. Другая причина состоит в том, что в Европе и Северной Америке всерьез опасаются утечки из подобного хранилища, что приведет к экологической катастрофе. Реальная возможность подобной опасности не доказана; тем не менее, запреты были усилены после сброса РАО с кораблей. Однако, в будущем о создании океанских хранилищ РАО всерьез способны задуматься страны, которые не смогут найти других решений данной проблемы.

Более реальным выглядит проект под названием «Remix & Return» (Перемешивание и возврат), суть которого состоит в том, что высокоактивные РАО, смешанные с отходами из урановых рудников и обогатительных фабрик до первоначального уровня радиоактивности урановой руды , будут затем помещены в пустые урановые рудники. Достоинства данного проекта: исчезновение проблемы высокоактивных РАО, возврат вещества на место, предназначенное ему природой, обеспечение работой горняков, и обеспечение цикла удаления и обезвреживания для всех радиоактивных материалов.

См. также

Экзотические проекты удаления радиоактивных отходов

Установлено, что основной радиационный фон на нашей планете (по крайней мере, пока) создается за счет естественных источников излучения. По данным ученых доля естественных источников радиации в суммарной дозе, накапливаемой среднестатистическим человеком на протяжении всей жизни, составляет 87%. Оставшиеся 13% приходятся на источники, созданные человеком. Из них 11.5% (или почти 88.5% "искусственной" составляющей дозы облучения) формируется за счет использования радиоизотопов в медицинской практике. И только оставшиеся 1.5% являются результатом последствий ядерных взрывов, выбросов с атомных электростанций, утечек из хранилищ ядерных отходов и т.п.

Среди естественных источников радиации "пальму первенства" уверенно держит радон, обуславливающий до 32% общей радиационной дозы.

Что же такое радон? Это радиоактивный природный газ, абсолютно прозрачный, не имеющий ни вкуса, ни запаха. Газообразный радионуклид радон-222 (наряду с йодом-131, тритием (3 Н) и углеродом-14) не обнаруживаются стандартными методами. При наличии обоснованного подозрения на наличие вышеперечисленных радионуклидов, в частности радона, необходимо использовать для измерений специальное оборудование.

В чем опасность радона? Будучи газом, он попадает в организм человека при дыхании и может вызвать пагубные для здоровья последствия, прежде всего - рак легких. По данным Службы Общественного Здоровья США (US Public Health service) радон - вторая по серьезности причина возникновения у людей рака легких после курения.

Радон образуется в недрах Земли в результате распада урана, который, хоть и в незначительных количествах, но входит в состав практически всех видов грунтов и горных пород. В процессе радиоактивного распада уран превращается в радий-226, из которого, в свою очередь, и образуется радон-222. Особенно велико содержание урана (до 2 мг/л) в гранитных породах. Соответственно в районах, где преимущественным породообразующим элементом является гранит, можно ожидать и повышенное содержание радона. Радон постепенно просачивается из недр на поверхность, где сразу рассеивается в воздухе, в результате чего его концентрация остается ничтожной и не представляет опасности.

Проблемы возникают в случае, если отсутствует достаточный воздухообмен, например, в домах и других помещениях. В этом случае содержание радона в замкнутом помещении может достичь опасных концентраций. Так как радон попадает в здания из земли, то на западе при строительстве фундаментов в "радоноопасных" районах широко применяют специальные защитные мембраны, препятствующие просачиванию радона. Однако даже применение этих мембран не дает стопроцентной защиты. В случае, когда для снабжения дома водой используются скважины, радон попадает в дом с водой и также может скапливаться в значительных количествах в кухнях и ванных комнатах. Дело в том, что радон очень хорошо растворяется в воде и при контакте подземных вод с радоном, они очень быстро насыщаются последним. В США уровень содержания радона в грунтовых водах колеблется от 10 до 100 Беккерелей на литр, в отдельных районах доходя до сотен и даже тысяч Бк/л.

Растворенный в воде радон действует двояко. С одной стороны, он вместе с водой попадает в пищеварительную систему, а с другой стороны, люди вдыхают выделяемый водой радон при ее использовании. Дело в том, что в тот момент, когда вода вытекает из крана, радон выделяется из нее, в результате чего концентрация радона в кухне или ванной комнате может в 30-40 раз превышать его уровень в других помещениях (например, в жилых комнатах). Второй (ингаляционный) способ воздействия рабона считается более опасным для здоровья.

Агентство по охране окружающей среды США (USEPA) рекомендует в качестве рекомендованной предельную величину содержания радона в воде на уровне 300 pCi/l (что составляет 11.1 Бк/л - см. "Единицы измерения"), что однако не нашло пока отражения в американском национальном стандарте качества воды (этот параметр не нормируется). В недавно вышедших российских Нормах Радиационной Безопасности (НРБ-99) предельный уровень содержания радона в воде, при котором уже требуется вмешательство, установлен на уровне 60 Бк/кг.

Можно ли бороться с радоном в воде? Да и достаточно эффективно. Один из наиболее результативных методов борьбы с радоном - аэрирование воды ("пробулькивание" воды пузырьками воздуха, при котором практически весь радон в прямом смысле "улетает на ветер"). Поэтому тем, кто пользуется муниципальной водой беспокоиться практически не о чем, так как аэрирование входит в стандартную процедуру водоподготовки на городских водоочистных станциях. Что же касается индивидуальных пользователей скважинной воды, то исследования, проведенные USEPA, показали достаточно высокую эффективность активированного угля. Фильтр на основе качественного активированного угля способен удалить до 99.7% радона. Правда со временем этот показатель падает до 79%. Использование же перед угольным фильтром умягчителя воды на ионообменных смолах позволяет повысить последний показатель до 85%.