По данным японской газеты Asahi Shimbun, ранее сообщалось, что источник в правительстве Японии утверждает, что японское правительство планирует начать выпуск обработанной радиоактивно загрязненной воды из Фукусимской ядерной электростанции в море, ранее всего в конце августа.

План Японии по выпуску радиоактивно загрязненной воды в океан вызвал ожесточенные дискуссии в научном сообществе и среди общественности, придавая вопросу обработки ядерных отходов особое значение. Как правило, основные компоненты ядерно загрязненной воды включают радиоактивные изотопы стронция, цезия, плутония, урана и триития. Ранее компания Tepco использовала системы адсорбции цезия и многокомпонентные системы адсорбции ALPS для удаления 62 видов ядерных изотопов, включая цезий. В 2014 году они добавили установку для адсорбции стронция. После удаления цезия и стронция и обратного осмотического обеззараживания, сточные воды направляются в трех направлениях: около 280 кубических метров воды возвращаются в реакторные блоки в качестве циркуляционной воды для охлаждения реакторов; остальные поступают в блоки ALPS или мобильные установки для удаления стронция, а обработанная вода накапливается в резервуарах хранения. Однако некоторые изотопы, включая триитий, остаются в воде после прохождения через систему ALPS и не могут быть очищены до стандартов.

Что такое триитий (chuān)?

Тритий (chuān) - это изотоп водорода, который существует в природе, и его воздействие на организм человека относительно низкое, но высокие концентрации при употреблении могут представлять опасность для здоровья. Вода с тритием в обычных ядерных электростанциях образуется изотопами водорода в системе охлаждения, подвергшимися нейтронному облучению, или из-за проникновения расщепляющихся продуктов топлива в систему.

Фактически, в Японии было проведено много исследований и работ по удалению трития. В сентябре 2014 года Министерство экономики, торговли и промышленности Японии выбрало американскую компанию Kurion, дочернюю компанию RosRAO государственной корпорации атомной энергии Росатом из России и канадскую компанию GE-Hitachi Nuclear Energy для реализации демонстрационного проекта по удалению трития. Каким образом была разработана такая сложная система удаления трития? Известно, что обе компании, Veolia (Kurion была поглощена Veolia) и Rosatom, используют технологию комбинированного электролизно-каталитического обмена (CECE - Combined Electrolysis Catalytic Exchange).

Совместная электролизно-каталитическая обменная технология была выбрана Международным экспериментальным термоядерным реактором (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) в качестве важного технологического пути для удаления триития из охлаждающей воды из-за своих характеристик, таких как низкая рабочая температура и легкость контроля условий процесса. Также после японской ядерной катастрофы в Фукусиме компания Tokyo Electric Power Company (TEPCO) рассматривает совместную электролизно-каталитическую обменную технологию как один из важных альтернативных технологических путей для удаления триития из большого объема ядерных отходов. В совместной электролизно-каталитической обменной технологии после обработки отходов с триитием лишь небольшая часть проходит через процесс обогащения и концентрации перед последующей обработкой и утилизацией, а большинство превращается в газообразный водород для выброса. Выбрасываемый водород содержит насыщенный пар воды, в котором триитий присутствует в оксидной форме HTO. Его биологическая токсичность в 10000 раз выше, чем у элементарного газообразного состояния. Поэтому перед выбросом водорода необходимо глубоко очищать водяные пары, обычно это делается путем конденсации водяных паров, и конденсат подается обратно в технологическую систему.

Схема процесса удаления трития в системе MDS от KURION

Система удаления трития MDS от KURION в основном состоит из двух частей: единицы жидкофазного каталитического обмена и единицы электролиза для производства водорода. В единице жидкофазного каталитического обмена заполнены катализаторы с драгоценными металлами и гидрофильные наполнители. Водород, произведенный в единице электролиза, обменивается с водой, текущей вниз по единице жидкофазного каталитического обмена, ионы трития обогащаются в жидкой фазе, а в газообразной фазе водорода ионы трития обедняются. Место ввода воды с содержанием трития делит каталитический обменник на два сегмента: верхний сегмент - сегмент обеднения, нижний сегмент - сегмент обогащения. Обычная вода течет сверху в сегменте обеднения, очищаясь от выделяющегося водорода, обогащенный водород выделяется сверху; в сегменте обогащения вода с содержанием трития смешивается с водой, стекающей из сегмента обеднения, для обмена изотопов с водородом, что приводит к концентрации обогащенной воды с тритием в нижней части единицы жидкофазного каталитического обмена.

Хотя технически возможно отделить тритий из ядерных отходов, японское правительство фактически не применяет технологические решения по удалению трития из-за "стоимости", что является причиной невозможности его промышленного применения. По данным сайта World Nuclear News (WNN) от ноября 2014 года, Министерство экономики, торговли и промышленности Японии выделило около 10 миллионов долларов США американской компании по управлению радиоактивными отходами Kurion для проведения демонстрационного проекта по разделению трития с целью оценки затрат на создание и эксплуатацию технологии в Фукусимской атомной электростанции. В отчете отмечается, что технология, которая была в то время доступна для извлечения трития из тяжелой воды, была слишком "дорогой" для обработки ядерных отходов в Фукусиме.

В марте 2015 года Los Angeles Times сообщало, что главный технический директор Kurion Гаетан Боном оценил, что технология компании способна удалить тритий из 800 000 кубических метров воды за 5-8 лет, но для построения соответствующего объекта требуется 1 миллиард долларов США, а также несколько миллионов долларов США ежегодно на его эксплуатацию. В апреле 2016 года связанная с японским правительством специальная рабочая группа пришла к выводу, что существующие технологии удаления трития не могут быть применены на Фукусимской атомной электростанции. В отчете говорится, что этот вывод основан на экономических соображениях, а не на техническом дефиците.

С развитием страны и охраной окружающей среды ядерная энергия будет играть все более важную роль в энергетической сфере. В то же время необходимо осознавать, что, хотя ядерная энергия по сравнению с ископаемыми видами энергии более экологически чиста и зелена, но при этом неизбежно производит определенное количество радиоактивных отходов, а с расширением масштабов ядерной энергетики количество радиоактивных отходов также будет постепенно увеличиваться. Из-за особенной природы радиоактивных отходов они всегда привлекали широкое внимание.

Тритиевые отходные воды являются одним из важных аспектов. В реакторах с давлением воды тритий в основном образуется в результате ядерных реакций, часть трития образуется во время ядерного расщепления ядерных топливных элементов и проникает через оболочку в первичный контур, а другая часть образуется под действием нейтронов в следствие реакций микрокомпонентов в охладителе первичного контура, таких как B, Li и D. Для ядерной электростанции мощностью в один миллион киловатт тритиевые выбросы составляют 70 ТБк/год, причем тритий присутствует в отходных водах в виде HTO.

Тритий обладает радиоактивностью и подвергается β-распаду с периодом полураспада в 12,43 лет. Хотя стандарты Китая по ионизирующему излучению и безопасности источников излучения включают тритий в список низкотоксичных радиоактивных элементов, это не означает, что опасность трития можно пренебрегать. Жидкий тритий (HTO/T2O) обладает радиоактивной токсичностью, в 10000 раз превышающей токсичность газообразного трития (HT/T2), и может проникать в организм через пищеварительный тракт, дыхательные пути и поврежденную кожу, длительное или избыточное поступление в организм может вызывать хроническое внутреннее облучение и радиационные заболевания.

Поскольку в существующих ядерных электростанциях отсутствуют установки для обработки тритиевых отходных вод, традиционные методы удаления радиоактивных элементов, такие как адсорбция, фильтрация, испарение, ионообмен, мембранные технологии и т. д., практически не позволяют отделить HTO от H2O, и большая часть трития в конечном итоге выбрасывается в окружающую среду. С увеличением масштабов строительства ядерных электростанций объем выбросов тритиевых отходных вод также будет постепенно увеличиваться. Особенно с учетом планов строительства внутренних ядерных электростанций, проблема тритиевых отходных вод станет все более острой. Учитывая более слабую способность внутренних водных тел разбавлять загрязнения по сравнению с побережьем, при развитии внутренних ядерных электростанций первоочередным будет являться вопрос об экологическом воздействии от больших объемов низкоконцентрированных тритиевых отходных вод или непосредственного загрязнения питьевой воды.

Тритиевые отходные воды из ядерных электростанций характеризуются низкой концентрацией и большим объемом, а также высокими требованиями к факторам уменьшения масштабов процесса обработки, безопасности и экономической эффективности. В настоящее время обнародованные технологии обработки тритиевой воды в основном применяются для обработки тритиевой тяжелой воды и, как правило, представляют собой процессы разбавления трития, требующие большого количества водорода для вытеснения трития из воды, и процессы разделения водорода, имеющие огромное давление и энергопотребление на фазу с высоким содержанием трития.

В связи с этим исследовательские организации Китая модернизировали технологии обработки тритиевых ядерных отходов, включая систему подачи сырья, дистилляционные блоки, многозвенные контактные системы, единицы совместного электролиза и каталитического обмена, емкости для хранения тритиевой воды и системы тепловых насосов. Применяется двухуровневая технология обработки, при которой дистилляция воды используется в качестве первичного процесса разбавления и уменьшения объема, обеспечивая нормативное выведение низкоконцентрированных тритиевых вод; а технология совместного электролиза и каталитического обмена служит для вторичного высокоэффективного снижения концентрации и объема тритиевых вод, что обеспечивает эффективное обеззараживание и снижение объема тритиевых вод, обладая широким инженерным применением.

Компания DODGEN уже участвует в этой области и разработала ключевое оборудование, подходящее для данного применения. Конкретные работы можно увидеть здесь: Дистилляция тяжелой воды: выбор сетчатого наполнителя и внутренних элементов башни.

Подводя итог, высокие издержки являются причиной невозможности промышленного применения технологии удаления трития из ядерных отходов. Промышленная технология обработки ядерных отходов должна обладать достаточной масштабируемой производственной мощностью для обработки огромного объема ядерных отходов. Кроме того, обработка ядерных отходов связана с высокими рисками радиоактивных материалов, и любая промышленная технология должна гарантировать, что процесс не будет представлять дополнительной опасности для человека и окружающей среды. Безопасность и экологическая пригодность технологии являются необходимыми требованиями, требующими обширных экспериментов и проверок. В настоящее время промышленная реализация технологии удаления трития из ядерных отходов требует очень высоких затрат, что делает ее невыгодной с точки зрения затрат и эффективности. Однако мы верим, что с развитием технологий и продолжительным преодолением проблем промышленной реализации стоимость будет снижаться, и промышленная реализация станет более доступной.