Мыслить на века вперед
Решения по обращению с радиоактивными отходами как ключ к дальнейшему развитию атомной энергетики
Заместитель директора по научной работе Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН), профессор РАН, доктор химических наук, член Общественного совета «Росатома» Сергей Винокуров рассказал «Вестнику атомпрома» о том, какие работы институт выполняет для решения не только кратко-, средне- и долгосрочных задач, но и с перспективой на следующие геологические эпохи.
Сергей Винокуров
Заместитель директора по научной работе Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН)
— Сергей Евгеньевич, что связывает ГЕОХИ РАН и атомную отрасль?
— Наше взаимодействие началось с первых дней атомного проекта Советского Союза. Институт организован в 1947 году, создать его предложил еще Владимир Иванович Вернадский, основоположник исследований по атомной тематике. Но Вернадский умер в начале 1945-го, и его ученик Александр Павлович Виноградов, впоследствии академик и основоположник ряда научных направлений, создал и возглавил ГЕОХИ. Сам Виноградов являлся одним из столпов атомного проекта, работал вместе с Курчатовым и основателями отрасли над задачей обеспечения чистоты получаемого плутония. За эти и ряд других работ он стал лауреатом трех Сталинских и Ленинской премий, дважды Героем Социалистического Труда.
Основная заслуга Виноградова и коллектива института в том, что геохимия из описательной была превращена в точную науку. Еще в середине прошлого века геохимики больше занимались описанием минералов, но благодаря развитию лабораторных методов и аналитической химии специалисты научились получать точные данные о содержании тех или иных компонентов в образцах. В институте сегодня действует развитый аналитический центр, который занимается определением содержания металлов и других компонентов в различных образцах — от земных до космических, будь то метеориты или образцы лунного грунта. Именно в нашем институте были отработаны основы нейтронно-активационного анализа, создан первый советский масс-спектрограф, разработан ряд методов анализа. Сегодня нам доступны методы элементного, рентгеноспектрального микроанализа, электронной микроскопии, ионной и газовой хроматографии и ряд других. Надеемся, что новые исследовательские возможности для наших задач появятся с запуском комплекса синхротронного излучения СКИФ.
Институт изначально оказался вовлечен в задачи по обоснованию и сопровождению технологических процессов на предприятиях ядерного топливного цикла, обращению с РАО. Были обеспечены технологические процессы выделения плутония, исследовано поведение трансурановых элементов в разных степенях окисления. Это позволило совершенствовать методы разделения, создать новые технологии. В институте разработаны основы инновационных методов выделения делящихся компонентов из облученного топлива, фракционирования образующихся отходов для раздельного обращения с их компонентами.
— Какие прикладные задачи для атомной отрасли решает институт сегодня?
— Последние десятилетия тематика нашей работы связана с совершенствованием технологической базы и разработкой новых идей — это переработка минерального сырья, радиохимическая переработка топлива, кондиционирование РАО, решения для приповерхностного или глубинного захоронения радиоактивных отходов. В этом направлении работает целый блок академических институтов — кроме нас, это ИБРАЭ РАН, ИФХЭ РАН и другие. Также в эту кооперацию входят вузы, в том числе МГУ и РХТУ, и предприятия «Росатома». Работы ГЕОХИ РАН широко известны в «Росатоме».
Академик Борис Мясоедов — научный руководитель нашей лаборатории радиохимии, в которой уже более 70 лет проводятся работы как по решению практических задач отрасли, так и исследования на перспективу. Многие работы были начаты в инициативном порядке — например, исследование ториевого цикла, которое началось с монографии «Аналитическая химия протактиния». Этот элемент — важнейшая ступенька от тория-232 к образованию урана-233, целевого материала, пригодного для цепной ядерной реакции. Монография по протактинию вышла в 1968-м, но актуальна и сейчас. Буквально на днях появилась информация, что наши коллеги в Китае разрабатывают эту тему и добились на небольшом жидкосолевом экспериментальном реакторе конверсии тория в уран, причем добавление тория было осуществлено без остановки реактора. Если это подтвердится, то открывается путь для новой ветви атомной энергетики. Мы также продолжаем работы в этом направлении с Курчатовским институтом, Радиевым институтом, учеными и конструкторами.
В настоящее время генеральная линия наших исследований для «Росатома» — это все, что касается обращения с отходами. Именно тема отходов становится ключевой на пути развития атомной отрасли и повышения доли производимой энергии, чего мы ждем от атомной энергетики к 2042 году. Проблема отходов в наибольшей мере определяет и цену замкнутого цикла. Чем более экономически обоснованные и безопасные технологии кондиционирования получаемых радиоактивных отходов будут предложены, тем в большей степени будет обеспечен безопасный замкнутый топливный цикл, на который ориентируется «Росатом».
Эти работы проводятся по разным направлениям. Классификация образующихся радиоактивных отходов становится все шире, для их кондиционирования уже недостаточно тех материалов (стекла и цемента), которые используются в отрасли как основные. Отходами может быть металл, органика, отработавшие сорбенты и масса других материалов. В числе разработок ГЕОХИ РАН — минералоподобные матрицы для финальной изоляции РАО. Так, магний-калий-фосфатную матрицу можно получить в результате простой химической реакции, при комнатной температуре и без громоздких, энергоемких стекловаренных печей. Для получения такого компаунда можно использовать доступное, распространенное минеральное сырье, например доломит или серпентинит, которое является источником оксида магния (MgO) — связующего компонента для образования матрицы. Получаемый компаунд обладает свойствами, соответствующими российским нормативным требованиям к материалам для отверждения РАО. Например, мы подтвердили возможность получения этого материала из доломита Таензинского месторождения в Кемеровской области, кроме того, лабораторно подтвердили возможность отверждения имитаторов жидких радиоактивных отходов.
Также работаем в области радиофармацевтики, в ГЕОХИ РАН это направление развивается в сотрудничестве с коллегами — биологами и врачами: например, проведены обсуждения решений со специалистами из НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина. В настоящее время переходим от традиционных химических работ к большей привязке исследований к медицинской практике, уточняем приоритеты исходя из потребностей клиницистов.
— Участвует ли институт в исследованиях окружающей среды?
— Да, к примеру, институт активно участвовал в радиоэкологических исследованиях мест захоронения ядерных материалов и объектов, изучении последствий ядерных испытаний и радиационных аварий на Южном Урале и на Чернобыльской АЭС. Разработаны методы ландшафтно-геохимического и радиоэкологического картографирования, радиоэкологического мониторинга загрязненных территорий и акваторий, моделирования поведения и прогноза миграции радионуклидов в окружающей среде и пищевых цепях. Все это обеспечило поддержку принятия решений по организации необходимых мероприятий для профилактики заболеваний населения.
В ходе исследований северных морей и прибрежных территорий выявлены закономерности распределения техногенных радионуклидов в воде, донных отложениях, их оборот в биосфере. Особенность работы института в том, что геологическое картирование мы проводили одновременно с биогеохимическими исследованиями. Отмечу, что установленное количество радионуклидов в Карском море не превышает допустимых значений. Также установлены закономерности формирования полей техногенного радионуклидного загрязнения в различных природных зонах. Определены ландшафтные механизмы изменения полей загрязнения, причины миграции химических элементов.
— Задействован ли ГЕОХИ РАН в разработке технологий переработки минерального сырья, в частности развития добычи урана, редкоземельных элементов, иных востребованных компонентов?
— Последние десятилетия мы вплотную не занимались урановой проблематикой, эта тематика полностью перешла в атомную отрасль. Но работа с редкоземельными металлами, поиск технологий разделения минерального сырья — это классическое направление нашей деятельности. Для «Росатома» может быть актуальна предложенная нашим институтом технология добычи лития, более безопасная и ресурсосберегающая по сравнению с традиционными методами производства. Традиционная технология заключается в длительном прокаливании измельченной руды и затем обработке серной кислотой, затем раствор очищается от примесей. Но в ГЕОХИ на примерах сырья месторождений Дагестана и Кольского полуострова предложили природосберегающую технологию — использовать вместо серной кислоты бисульфат аммония. Этого реагента надо немного, поскольку он регенерируется в замкнутом процессе и возвращается в голову технологии. Метод более безопасный, в отличие от кислоты этот компонент легче перевозить, хранить его можно в обычной таре. То есть технологию извлечения можно существенно упростить, расположить глубокую переработку при месторождении — таким образом намного упростится задача транспортировки сырья. Разработанный нашими специалистами метод позволяет получить карбонат лития чистотой 99,5%, что соответствует требованиям для аккумуляторного сорта. По нашим подсчетам, в случае внедрения эта технология сократит затраты на полный цикл добычи лития почти в два раза.
Еще один пример разработанной технологии — производство оксида магния из силикатных минералов. Обычно источник магния — карбонатные породы, но до 30% магния может присутствовать и в силикатах. Это одно из интересных направлений, перспективных, например, для получения магния и фосфатных удобрений в едином процессе. Из широко распространенного серпентинита благодаря этому способу можно получать популярные минеральные удобрения. На основе серпентинита также возможны решения для кондиционирования жидких радиоактивных отходов, ранее я упоминал МКФ-матрицу.
— Сегодня технологические решения по выделению минорных актинидов из облученного топлива определены не окончательно. С позиции ГЕОХИ РАН, возможно ли безопасное захоронение на те периоды распада, что характерны для отходов из облученного топлива?
— Мы придерживаемся позиции, что как бы сложна задача ни была, перерабатывать и дожигать минорные актиниды необходимо: хранить столь опасные компоненты, как америций и кюрий, на поверхности или при неглубокой изоляции крайне опасно, а глубоко под землей — очень дорого. Научно обосновать безопасность захоронений на длительную перспективу — сложнейшая задача. Требования к обоснованию безопасности очень высоки, и даже в Европе, где продвинулись в вопросах создания хранилищ дальше нас и уже создали глубинные исследовательские лаборатории, обосновать их сохранность на такую перспективу (вплоть до миллиона лет) не могут. Главная проблема в том, что любое хранилище на горизонте в 10 тыс. лет или более может быть затоплено водами, а вода может разрушить тару с радиоактивными материалами, что приведет к миграции опасных радионуклидов в окружающую среду. Даже для отходов, которые ранее остеклованы и будут переведены в будущее глубинное хранилище, сложно обосновать их сохранность и гарантировать, что не произойдет их постепенное растворение на горизонте сотен тысяч лет.
Даже при гарантированной безопасности таких хранилищ каждое из них будет иметь свой конечный объем. Рассчитывая на увеличение количества АЭС, нужно уже начинать строить целый парк таких подземелий. Поэтому, чтобы максимально сократить объем изолируемых глубоко под землей отходов, без глубокого фракционирования высокоактивных отходов не обойтись. Когда мы оцениваем стоимость глубокой переработки топлива с извлечением ценных компонентов и возвратом их в цикл, а это непросто и недешево, следует понимать, что альтернатива одна — строительство многочисленных глубинных захоронений, очень дорогостоящих, с непременным сложным научным обоснованием их безопасности на требуемую историческую перспективу. При этом и физики, и технологи подтверждают, что минорные актиниды можно вернуть в цикл и переработать.
— Нужно ли эту проблематику доносить до общественности, в том числе с площадки Общественного совета «Росатома»?
— Очевидно, что любые наши технологические решения нужно объяснять. Потому что любые объекты, будь то глубинное захоронение, радиохимическое производство или реактор для дожигания, должны быть согласованы с общественностью и приняты ею. Для отрасли, которая создает такие объекты, нужно привлекать к диалогу авторитетных ученых, чтобы предметно разговаривать с экологическими организациями и доносить мысль, что атомная энергетика действительно зеленая и с минимальным количеством отходов. Сложность такой работы в том, что любая заминка в объяснениях со стороны атомной индустрии сразу «поднимается на флаг» оппонентами, не обязательно погруженными в тему, — собирая протесты, можно решить сиюминутные задачи. Противостоять этому нужно, последовательно обосновывая безопасные решения и разъясняя их смысл. И нужно постоянно напоминать, что атомная энергетика намного чище для окружающей среды, чем традиционные и новые виды генерации, а самое главное — только она может удовлетворить растущий спрос на энергию.
