След изгаряне на ЯГ в реактора, то трябва да се извади и замени със свежо гориво. Отработеното ядрено гориво (системата от ТОЕ и касетите) е източник на мощна радиоактивност и топлина.
В следващата таблица са сумирани данни за топлоотделянето на една касета от ВВЕР-1000 при дълбочина на изгаряне 40GW.d/tU (която съответствува на тригодишен цикъл):
|
отстояване [a] |
0.5a |
1a |
2a |
3a |
10a |
|
топлоотделяне [kW] |
11 |
6 |
3 |
1.7 |
0.6 |
Представа за активността на ОЯГ може да се добие от следната таблица, отнасяща се до активността при дълбочина на изгаряне 30 GW.d/tU:
|
отстояване |
150d |
1a |
10a |
|
Активност [Ci/kg] |
4.6.103 |
2.3.103 |
3.2.102 |
Поради това ОЯГ трябва да бъде съхранявано при специални условия в течение на дълго време.
Различните страни имат различни стратегии по отношение съдбата на ОЯГ в близък и по-далечен план. Някои страни вече преработват ОЯГ, макар и в количества, които не са достатъчни за компенсиране на неговото натрупване (Франция, Великобритания, Русия, Япония). Други страни разглеждат възможността за окончателно съхранение (погребване) на ОЯГ без преработка (Канада, Финландия, Швеция, Испания). Възможностите за преработка на ОЯГ се обсъждат и изследват още в Аржентина, Белгия, Китай, Италия, Швейцария и др. Трети страни, които нямат икономическа възможност за преработване на ОЯГ, нито за окончателното му погребване, съхраняват ОЯГ временно, изчаквайки развитието и поевтиняването на технологиите за преработка и за погребване. Това е така нареченото "отложено решение". При него се строят или предвиждат хранилища за средносрочно съхраняване на ОЯГ (т.нар. "междинно съхраняване" за период 50-100 години), като едновременно се натрупват средства за окончателното погребване на горивото, с или без преработка. Такива страни са напр. България, Литва, Мексико, Словакия, Словения, Чехия, ЮАР, Южна Корея.
Ние ще разгледаме последователно различните методи за съхранение на ОЯГ.
То е задължителен етап от всички стратегии за третиране на ОЯГ с цел изчакване на разпадането на късоживеещите радионуклиди и оттам намаляване на радиоактивността и на остатъчното топлоотделяне. Кратковременното съхранение е в началния етап след изваждане на горивото от реактора. Тогава радиоактивността и остатъчното енергоотделяне са големи; поради това се налага съхранението на ЯГ да се извършва под вода.
Водата като среда за съхраняване на ОЯГ има следните предимства:
· тя е много добър охладител;
· осигурява добра защита от гама-лъчението и неутроните;
· лесно се пречиства и рециклира;
· прозрачна е и позволява оптичен контрол по време на съхранението.
Технологиите за съхраняване на ОЯГ под вода са много добре разработени. Продължаващите изследвания имат за цел усъвършенствуването на тези технологии, напр. уплътняване на ОЯГ в басейните, удължаване срока на съхраняване, подобряване на ядрената безопасност и контрола и пр.
При всички реактори има басейни за отлежаване на касетите (БОК). Те са предназначени за безопасно съхранение на ядреното гориво за срок от 1 до 5г., което позволява остатъчното топлоотделяне и активността на касетите да спаднат до ниво, достатъчно за транспортирането им до хранилища за по-дълговременно съхранение или към заводите за преработка. Касетите там се съхраняват обикновено в стелажи във вертикално положение. През последните години се разработват технологии за уплътняване на касетите с цел увеличаване капацитета на БОК. Това се постига чрез поставяне между стелажите на разделителни прегради (от борирана стомана) с цел допълнително поглъщане на неутроните.
БОК се изграждат като елемент от щатното оборудване на АЕЦ. Капацитетът на БОК за ВВЕР-440 е около 500-600 касети и място за контейнер за транспорт. За ВВЕР-1000 капацитетът е (в зависимост от прилагането или не на технологии за уплътняване) от 350-540 касети и място за транспортен контейнер. И в двата случая в БОК има инсталация за контрол на херметичността на ТОЕ, както и херметизирани гнезда за съхраняване на нехерметични касети.
БОК са свързани чрез коридор, запълнен с вода, с шахтата на реактора. Това позволява придвижването на касетите между БОК и активната зона на реактора да става изцяло под вода. БОК се използуват както за кратковременно съхраняване на ОЯГ, така и за съхраняване на свежо ЯГ. В последния случай се използува вода с високо съдържание на борна киселина (за подтискане на евентуална верижна реакция).
Междинното съхраняване е необходим етап както за страните, които са приели "отложено решение" (за периода на изчакване), така и за страните с ориентация към погребване с преработка или без преработка (за изчакване на реда за преработка или за изчакване построяването на хранилището за окончателно погребване).
Хранилищата за междинно съхраняване се планират за период от 50 и повече години. През последните години има тенденция този срок да се увеличава.
Технологиите за междинно съхраняване са два вида: съхраняване под вода и сухо съхраняване.
БОК имат ограничен капацитет. Поради това, за по-дълговременно (междинно) съхраняване на ОЯГ се използуват хранилища за отработено гориво (ХОГ), намиращи се обикновено на територията на площадката на АЕЦ, но извън помещението на реактора.
Тъй като в ХОГ става дума за по-дълговременно съхраняване (от порядъка на 50 и дори повече години), основно внимание се обръща на контрола на състоянието на водата с цел минимизиране на скоростта на корозионните процеси на ТОЕ. Следят се непрекъснато концентрациите на примесите (Na, Mg, Cr, Fe, Cu и др.), които трябва да бъдат в границите на десети и стотни части от ppm. Прозрачността на водата е също важен фактор за концентрацията на примеси. Намаляването на прозрачността на водата може да е предизвикано от образуване на водорасли, наличието на които пък може да увеличи скоростта на корозията.
Поддържането на качествата на водата (която тук се използува като поглътител на лъчението и като охладител) става чрез:
· йонообменни инсталации;
· филтри за механично пречистване на водата от продукти на корозия;
· системи за почистване на вътрешните стени на ХОГ и на границата вода - въздух;
· подводни системи за почистване на дъното и стелажите от утайки.
Температурата на водата в зависимост от типа на ХОГ и степента на неговото запълване варира от 30-60 0С. Обикновено проектната температура е за 40-45 0С.
При проектирането и експлоатацията на ХОГ трябва да се имат предвид следните съображения:
· недопускане на възникване на критичност. Подкритичността трябва да се осигури и при най-неблагоприятни външни условия;
· ХОГ да може да устоява на физични и химични въздействия, което може да застраши целостта на басейните за съхранение;
· да е в състояние да осигури топлоотнемане при всякакви условия, като се осигури достатъчно време преди настъпването на критични събития дори и при отпадане на охлаждащата система;
· да има съоръжения за постоянно следене състоянието на горивото;
· да се следят непрекъснато системите за охлаждане, за радиационен контрол и за физическата защита;
· постоянна физическа защита (враждебни действия, тероризъм, зашита срещу неразпространение на ядрени материали и др.);
· защита от природни бедствия (земетресения, наводнения);
· наличие на водни източници и на електроенергия;
· близост до транспортни съоръжения с оглед по-нататъшния транспорт на горивото.
Понякога ХОГ се строи с надземна и подземна част, като касетите се съхраняват под земята, а транспортирането им до стелажите става с асансьори.
Обезводняването на ХОГ е най-сериозният потенциален проблем. При проектирането се предвижда при пълна загуба на вода за охлаждане температурата на наличната вода да достигне 100 0С след няколко дни, а спадането на вода до горния край на касетите да стане след месец. През това време се предвижда да се поднови подаването на охлаждаща вода.
Друг основен проблем на ХОГ е поддържането на подкритичност през цялото време на престояване на горивото. Това условие ограничава капацитета на хранилището и определя минималните му размери, както и разпределението на касетите в него. Обикновено ХОГ се проектира да осигурява коефициент на размножаване по-малък от 0.95 дори за свежо ядрено гориво.
ХОГ оказват влияние върху околната среда чрез изхвърляните от тях вещества. Във въздуха могат да попаднат неголеми количества радионуклиди, главно 85Kr, 60Co, 54Mn. Teхните концентрации са близо до границите на детектиране. Изпусканата чрез водата радиоактивност може да съдържа освен горните нуклиди още 3H, 65Zn, 125Sb, 137Cs. В охлаждащата вода на ХОГ доминира 60Co, чиято активност е от порядъка на няколко хиляди Bq/l. (в ХОГ на АЕЦ "Козлодуй" концентрацията на радионуклиди във водата е в границите на 10-1000 Bq/l). В ХОГ се прилага дистанционен контрол на процесите, поради което дозите, получавани от персонала, не надвишават допустимите норми.
Основните РАО от работата на ХОГ са йонообменните смоли за пречистване на водата. Тези отпадъци се втвърдяват чрез циментиране. Годишният обем на тези отпадъци е стотина тона и е в зависимост от капацитета на ХОГ. Земите, отнети за построяването на ХОГ, се смятат за постоянно заети територии.
Водата има добри качества като среда за съхраняване на ОЯГ, но тя има също и недостатъци, които се усилват при дълговременен престой.
Съхранението под вода изисква активни системи за поддържане качествата на водата (пречистване, поддържане на басейните), а също и за охлаждане. С увеличаването на срока за съхраняване под вода тези системи могат да породят значителни проблеми. Вероятността за предизвикване на верижна ядрена реакция е също по-голяма при съхранение под вода (поради опасност от обезточване на басейна). Това може да доведе до разрушаване на ТОЕ и касети с гориво и попадането на радиоактивни вещества в околната среда.
Затова се разработват и реализират технологии за сухо съхраняване на ОЯГ. При тях се предвижда съхраняване за период от 50 до 100 и дори повече години.
"Сухо съхраняване" означава съхраняване в газова среда с използуване на пасивно охлаждане. При сухото съхраняване не са необходими активни системи за поддръжка състоянието на хранилището или за охлаждане. Това води до намаляване на вероятността за отказ на тези системи и свързаните с това последствия.
Основен недостатък на сухото съхраняване на гориво от UO2 е възможността за доокисляването му до U3O8. Това зависи от температурата на съхраняване и от продължителността на срока на съхранение.
U3O8 има по-малка плътност от UO2 и поради това горивото увеличава обема си, откъдето следва възможна разхерметизация при наличие на дефекти в обвивката на ТОЕ и замърсяване с продукти на делене и актиниди.
При по-ниски температури и по-ниско съдържание на кислород в атмосферата UO2 се доокислява да междинния оксид U3O7 . При такова доокисляване обемът на горивото не се променя, тъй като масовата плътност на двата оксида е близка. Поради това не настъпват промени в обвивката на ТОЕ. Кристалната решетка обаче се изменя и в двата случая и при това се намалява значително способността на горивото да задържа продуктите на делене, които са спрени в решетката.
Засега се смята, че безопасната температура на сухо съхранение е в границите на 135-160 0С във въздушна атмосфера дори и за повредени ТОЕ. Има разработки за съхраняване на ОЯГ в инертна атмосфера. Тогава температурата на съхранение може да бъде около 210-220 0С. Според някои оценки за херметични ТОЕ съхранението може да бъде във въздух с температура до 330 0С.
Възможни са следните пътища за преодоляване на тези недостатъци на сухото съхранение:
· ОЯГ да се помести в херметични контейнери с инертна атмосфера, които да бъдат поставени във въздушна среда с пасивно охлаждане;
· да се открият дефектните ТОЕ и те да се поставят в инертна атмосфера;
· ОЯГ да се съхранява на въздух при температури под прага на значителното му окисляване.
Тези технологии могат да се разделят на две групи:
1. технологии едновременно за транспорт и за съхранение. Тъй като транспортът на ОЯГ се извършва във въздушна среда, има разработени контейнери, които са подвижни и могат да се използуват и за транспорт, и за съхранение;
2. технологии само за съхранение. Съответните съоръжения представляват хранилища, силози или кладенци.
Охлаждането във всички случаи се осигурява от работен газ. Това може да е въздух, азот, въглероден диоксид, а могат да се използуват и благородни газове (хелий, неон, аргон). Циркулацията на работния газ обикновено е пасивна (като се разчита на конвекция) или активна (принудителна).
Основните принципи, които трябва да се спазват при проектиране и експлоатация на съоръжения за сухо съхранение са:
· наличие на поне две независими прегради (бариери) за задържане попадането на РАВ в околната среда;
· контрол на състоянието на ОЯГ за целия период на експлоатация;
· да съществува техническа възможност за обратно изваждане на касетите с ОЯГ от мястото на съхранение.
Тъй като газовата среда при сухото съхранение е по-лош топлоносител от водата, изискванията за максимално допустима топлинна мощност при сухото съхранение са по-строги. Това означава, че преди сухото съхранение ОЯГ трябва да бъде съхранявано по-дълго време под вода (при нормалните дълбочини на изгаряне за реактори ВВЕР това значи 5 и повече години).
Видовете съоръжения за сухо съхраняване на ОЯГ са:
· контейнер. Той може да служи освен за съхранение и за транспорт. Съдържа една или няколко клетки, всяка с по няколко касети. Материалът на контейнера е стомана или чугун. Тяхната топлопроводност се използува за отвеждане на температурата към външната среда. Тази конструкция осигурява херметичността и радиационната защита; в някои контейнери са взети мерки и за частична защита от неутрони;
· силоз. Той е монолитно съоръжение от железобетон със стоманен съд вътре или пък изработен изцяло от метал. Служи за съхраняване на неголямо количество ОЯГ. Радиационната защита се осигурява от външния бетонен корпус, а херметичността - от вътрешния съд. Някои силози могат да се пренасят на къси разстояния;
· сух кладенец, сух кесон. Това е кухина в земята, която е облицована отвътре. Могат да се съхраняват ограничено количество горивни елементи. Радиационната защита се осигурява от земната маса и от капака върху съоръжението, а херметичността - от металната облицовка. Между облицовката и земята около кладенеца има топлинен контакт за отвеждане на топлината;
хранилище. Това е съоръжение за съхранение на големи количества ОЯГ. Горивото може да бъде под формата на касети в стелажи, или в контейнери или силози.