Odpady radioaktywne

Temat odpadów radioaktywnych nieodłącznie związany jest z energetyką jądrową i stanowi jeden z dwóch kluczowych argumentów przeciwko jej rozwojowi (drugi to ryzyko awarii o dalekosiężnych i długotrwałych skutkach). Dyskusja jest często bardzo emocjonalna, bez liczenia się z faktami, szczególnie ze strony przeciwników energetyki jądrowej, zaś masowe skażenie Ziemi odpadami nuklearnymi jest często wykorzystywane w popkulturze. Każdy pewnie widział w filmach lub grach żółte, pordzewiałe beczki, z których wycieka świecąca ciecz, zmieniająca wszystkich w mutanty. 

https://fallout.fandom.com/wiki/Abandoned_waste_dump?file=FO76_Abandoned_waste_dump.png

Samo zagadnienie jest jednak bardziej złożone, niż by się mogło wydawać, szczególnie że odpady radioaktywne nie są wyłącznie domeną energetyki jądrowej, zaś metody ich przetwarzania i składowania są bardzo zróżnicowane. Zerknijmy zatem na fakty.

Przede wszystkim odpad odpadowi nierówny. Odpady radioaktywne możemy dzielić według różnych kryteriów (stan skupienia, okres półrozpadu, aktywność), najczęściej dzielimy na:

• niskoaktywne (LLW) - małe koncentracje izotopów radioaktywnych (< 4kBq/g dla emiterów alfa i 12 kBq/g dla emiterów beta) lub nawet przedmioty, które mogły być jedynie potencjalnie skażone takimi izotopami, niekiedy wydziela się tu jeszcze "bardzo niskoaktywne" (VLLW)
• średnioaktywne (ILW) - stężenie izotopów wyższe niż przy niskoaktywnych, rzędu tysięcy kBq/g, ale nadal niewymagające chłodzenia
• wysokoaktywne (HLW) - stężenia rzędu milionów kBq/g*, przede wszystkim wypalone paliwo jądrowe i niektóre odpady po produkcji paliwa jądrowego i jego dalszej przeróbce, ich wysoka aktywność stwarza konieczność chłodzenia
• poszczególne kategorie można dzielić na podkategorie według czasu połowicznego rozpadu, a także pochodzenia odpadów - osobną podkategorią są m.in. zużyte zamknięte źródła promieniowania, a także odpady ciekłe (w Polsce normuje to Prawo Atomowe)

http://ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_en_jadr_zast/09.pdf

Każdy rodzaj odpadów stwarza inny stopień zagrożenia dla zdrowia i życia człowieka, wymaga też innych sposobów postępowania przy przetwarzaniu i składowaniu. Odpady te powstają w różnych ilościach, przy czym najmniej jest wysokoaktywnych, z których większość to wypalone paliwo jądrowe, nadające się w znacznej części do dalszego przerobu. Struktura objętości odpadów radioaktywnych przechowywanych w Wielkiej Brytanii wygląda następująco:

https://nda.blog.gov.uk/2020/01/10/how-much-radioactive-waste-is-there-in-the-uk/

Przyjrzyjmy się odpadom z reaktorów jądrowych, zarówno energetycznych, jak i badawczych. Głównym odpadem jest wypalone paliwo jądrowe, ale występują też elementy konstrukcyjne reaktorów (rurociągi, osłony prętów paliwowych), które uległy skażeniu lub aktywacji oraz odzież ochronna, wymienniki jonowe używane do oczyszczania wody chłodzącej, filtry powietrza itp.

Wypalone paliwo jądrowe zawiera głównie produkty rozszczepienia uranu o liczbach masowych skupionych wokół 95 (krypton-85, stront-90) i 137 (cez-137, cez-134, jod-131), a także pierwiastki z grupy aktynowców (liczby atomowe od 89 do 103):

Paliwo nie wypala się nigdy do końca, ponieważ w toku pracy reaktora powstają w nim izotopy, które silnie pochłaniają neutrony, uniemożliwiając dalsze podtrzymywanie reakcji rozszczepienia, pomimo obecności niezużytego materiału rozszczepialnego. Zatem z takiego paliwa można odzyskać część niewykorzystanego uranu-235, jak również plutonu-239 powstałego z napromienionego neutronami uranu-238. Z wypalonego paliwa można też wyizolować niektóre izotopy o znaczeniu przemysłowym czy naukowym, np. ameryk-241 czy kiur-244.

Z kolei w tzw. reaktorach powielających (ang. breeder) praktycznie nie występuje zużywanie paliwa, ponieważ w toku reakcji jądrowych stale powstaje nowe paliwo - z uranu-238 wytwarzany jest pluton-239, zaś z toru-232 powstaje uran-233.

https://ziemianarozdrozu.pl/artykul/952/energetyka-jadrowa-lftr-msr-czyli-jak-zrobic-reaktor-iv-generacji

Ile powstaje odpadów radioaktywnych w typowej elektrowni jądrowej? Przyjmuje się, że blok energetyczny o mocy elektrycznej 1000 MWe potrzebuje rocznie 35 ton paliwa jądrowego [LINK] i taka też jest mniej ilość odpadów. Podawane wartości wykazują pewne różnice w zależności od publikacji, rząd wielkości pozostaje jednak ten sam.

Porównajmy to z tradycyjnym blokiem energetycznym opalanym węglem. Przy tej samej mocy potrzebne będzie rocznie 2-3 mln ton węgla, z których powstanie 100-200 tys. ton popiołów oraz ogromne ilości dwutlenku węgla, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Gazy te obecnie można usuwać w instalacjach odsiarczania spalin, zużywa to jednak część mocy produkowanej przez elektrownię. 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/PDF/MSC/Materialy/Liceum-IV/odpady/skad.htm

Pamiętając, że w węglu znajdują się śladowe ilości uranu i toru (0,1-30 mg na 1 tonę) możemy obliczyć, jakie ilości tych izotopów trafią do gleby czy na składowiska odpadów paleniskowych przez rok pracy tradycyjnej elektrowni.

https://epj.min-pan.krakow.pl/The-uranium-and-thorium-content-in-Polish-and-American-coals,95666,0,2.html

Składowiska odpadów paleniskowych, znajdujące się przy większości elektrowni i elektrociepłowni węglowych, osiągają niekiedy znaczne rozmiary, a podniesienie tła promieniowania przy nich jest wyraźne, choć w bezpiecznych granicach. Popioły niekiedy utylizuje się jako dodatek do betonów przy budowie dróg, mostów i wiaduktów, co powoduje pewien wzrost tła przy tych obiektach [LINK].

Hałdy popiołów z EC Siekierki w Warszawie - LINK

Wadą odpadów radioaktywnych jest wysoka toksyczność i konieczność długotrwałego składowania, zaletą zaś mała objętość w stosunku do ilości energii wytwarzanej z paliwa jądrowego (1 g uranu odpowiada 2-3 tonom węgla, wartość opałowa 550000 MJ/kg wobec 13-32 MJ/kg dla węgla) oraz możliwość dalszego przetwarzania. Jakkolwiek okres półrozpadu niektórych izotopów jest liczony w tysiącach lat (Pu-239 - 20 tys. lat), jest on jednak skończony, w przeciwieństwie do rtęci, arsenu, kadmu, azbestu i innych substancji, które mogą zanieczyszczać Ziemię praktycznie w nieskończoność.

Dodatkowo z odpadów radioaktywnych można wyizolować wiele cennych izotopów, zmniejszając zarówno radioaktywność, jak i radiotoksyczność pozostałego materiału.

http://ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_en_jadr_zast/09.pdf

Oprócz energetyki jądrowej głównym źródłem odpadów radioaktywnych jest medycyna nuklearna, w której izotopy stosuje się zarówno do diagnostyki (PET, scyntygrafia), jak i do leczenia (brachyterapia, teleradioterapia). Większość odpadów medycznych to igły, strzykawki, materiały opatrunkowe, czy opakowania po radiofarmaceutykach, zaliczające się do odpadów niskoaktywnych. Wyjątkiem są źródła do radioterapii, zarówno zdalnej (teleradioterapia), jak i kontaktowej (brachyterapia). Niektóre z nich, np. igły radowe do brachyterapii, są wycofywane nie z powodu rozpadu izotopu (rad-226 ma okres półrozpdu 1600 lat), tylko przez utratę szczelności. Z uwagi na dużą aktywność właściwą radu igły radowe przechowywane są w specjalnych grubych betonowo-ołowianych pojemnikach:

Pośrodku fiolka ze stali nierdzewnej, mieszcząca igły radowe, wokół niej warstwa ołowiu w 
stalowym pojemniku i na zewnątrz beton

Pewien procent odpadów stanowią zamknięte źródła promieniowania, stosowane w różnych czujnikach przemysłowych [LINK], które choć już nie mogą być wykorzystywane z uwagi na zbyt niską aktywność, to nadal emitują wysokie poziomy promieniowania, mogą być też radiotoksyczne. Do czujników zaliczają się też izotopowe czujki dymu, zawierające wysoce radiotoksyczne emitery cząstek alfa - pluton i ameryk - choć  małych aktywnościach [LINK].

Podsumowując, jakkolwiek aktywność odpadów z energetyki jądrowej jest największa, to jednocześnie oferują najbardziej nadają się do dalszego przerobu i wykorzystania. Z kolei w liczbach bezwzględnych dominują odpady medyczne, praktycznie niemożliwe do ponownego przetworzenia, ale też o niższych aktywnościach.

***

Postępowanie z odpadami radioaktywnymi zależy zarówno od ich aktywności, jak i rodzaju izotopu. Wypalone paliwo jądrowe przechowuje się w zbiornikach z wodą do czasu schłodzenia, kiedy zanikną krótkożyciowe izotopy. Niekiedy stosuje się przechowalniki suche. Oba typy budowane są zwykle w pobliżu reaktorów jądrowych, lub też wykorzystuje się na ten cel wycofane z eksploatacji reaktory (np. basen reaktora EWA w Świerku). Następnie paliwo przetwarza w różnych procesach, aby odzyskać jak najwięcej materiał rozszczepialnego i innych izotopów, a potem nadaje postać do odpowiednią ostatecznego składowania. Odpady przeznaczone do składowania muszą mieć postać odporną na działanie czynników środowiskowych, głównie wody. Najczęściej stosuje się:

• stopienie z masą szklaną, 
• zalanie asfaltem, 
• zalanie żywicą syntetyczną lub betonem

a następnie zaspawanie w stalowych cylindrach. Zeszklenie (witryfikacja) jest najskuteczniejszą metodą ostatecznego przechowywania odpadów radioaktywnych z uwagi na skuteczne związanie radioizotopów w masie szklanej i niewrażliwość powstałego szkła na działanie wody oraz innych czynników środowiskowych. Taki materiał nie ulegnie rozproszeniu nawet jeśli stalowy pojemnik dawno skoroduje, a wody podziemne zaleją składowisko.

https://www.quora.com/What-is-vitrification-in-the-case-of-radioactive-waste

Ostateczne składowanie jest nadal przedmiotem sporów. Kiedyś niefrasobliwie zatapiano odpady w morzach, szczególnie reaktory i paliwo z flot atomowych, i to nie tylko radzieckiej i amerykańskiej, ale większości państw nuklearnych. Wielka Brytania zatapiała odpady w kanale La Manche, 15 km od przylądka Hague, na głębokości zaledwie 65-165 m, z kolei Szwecja zatopiła odpady k. Goeteborga na głębokości 400 m. Później zaczęto limitować miejsca zatapiania do określonych miejsc, gwarantujących odpowiednią głębokość. Konwencja londyńska z 1972 r. wyznaczyła określone obszary między 50 st. długości północnej i 50 st. południowej, z dala od szelfu kontynentalnego, na głębokości min. 4000 m.**

http://atom.edu.pl/index.php/ekologia/odpady-a-srodowisko/117-bezpieczenstwo/odpady-a-morze/168-odpady-a-morze.html

W roku 1975 zakazano zatapiania odpadów wysokoaktywnych, zaś pozostałe wymagały każdorazowego zezwolenia. W 1983 r. zabroniono zatapiania w morzach jakichkolwiek odpadów radioaktywnych. 

W zatapianiu zarówno odpadów radioaktywnych, jak i reaktorów z paliwem czy wręcz całych okrętów podwodnych prym wiódł Związek Radziecki, mający liczne bazy wzdłuż północnego wybrzeża. Najwięcej odpadów zatopiono na Morzu Karskim w pobliżu Nowej Ziemi - przykładowo przy wymianie uszkodzonego reaktora w lodołamaczu "Lenin" po prostu popłynięto na wody składowiska, po czym wycięto otwór w dnie statku za pomocą ładunków kumulacyjnych, aby reaktor wraz z osłonami spadł do morza (!). Poniżej mapa najważniejszych składowisk u wybrzeży Nowej Ziemi:

https://www.bbc.com/news/world-europe-21119774

Niektóre odpady z radzieckich okrętów podwodnych są składowane pod gołym niebem, np. w Zatoce Andrejewa. Rosja dopiero podejmuje kroki na rzecz uprzątnięcia tego składowiska:

https://www.theguardian.com/environment/2017/jul/02/russia-begins-cleaning-up-the-soviets-top-secret-nuclear-waste-dump

Obecnie za najbezpieczniejsze miejsca do składowania odpadów radioaktywnych, zwłaszcza długożyciowych, uważa się głębokie pokłady soli, jako najbardziej stabilne geologicznie.

http://ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_en_jadr_zast/09.pdf

W początkach atomistyki planowano poświęcić część Księżyca na "śmietnisko atomowe" lub w ostateczności rakietę wypełnioną radioaktywnymi odpadami "po prostu wystrzelić w przestrzeń kosmiczną".*** 

Artykuł w publikacji "Kto kiedy dlaczego", zawierającej odpowiedzi na pytania z różnych
dziedzin wiedzy, zarówno nauk przyrodniczych, jak i humanistycznych.

Rozwiązania te brzmią absurdalnie w kontekście kosztów wyniesienia każdej tony ładunku poza orbitę okołoziemską, co wymaga przekroczenia II prędkości kosmicznej (11,19 km/s). Ograniczeniem jest też nośność rakiet: stosowana w programie Apollo rakieta Saturn V mogła wynieść 48,6 t na orbitę okołoksiężycową lub 118 t na niską orbitę okołoziemską, z część czego nośności byłaby zajęta przez osłony, potrzebne m.in. na wypadek katastrofy takiej rakiety. W przeciwnym wypadku groziłoby rozproszenie materiałów radioaktywnych na ogromnej przestrzeni.

***

Odpady niskoaktywne nie wymagają takich reżimów jak wysokoaktywne. Zwykle są prasowane w prasie hydraulicznej celem zmniejszenia objętości, a przez to i kosztów składowania, a następnie zamykane w stalowych beczkach i przekazywane na składowiska. 

Najmniej aktywne odpady (VLLW), po przechowywaniu przez czas niezbędny do zaniku krótkożyciowych izotopów, są spalane, jeśli oczywiście są to materiały palne. Spalać też można odpady o nieco większych aktywnościach (LLW), tylko wówczas pozostały popiół pozostaje odpadem radioaktywnym, który trzeba wymieszać z cementem i zabezpieczyć w beczkach. Z kolei spaliny należy przepuścić przez odpowiednie filtry (np. elektrofiltry lub płuczki), celem wyłapania zawartych w nich radioizotopów. Zyskiem jest jednak znaczne zredukowanie objętości - aż do 1/80 pierwotnej wartości [LINK]. 

***

W Polsce obecnie funkcjonuje jedno składowisko - Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych (KSOP) w Różanie, do którego kierowane są odpady z Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych (ZUOP) w Świerku. Składowisko mieści się w carskich fortach z początku XX w. o grubościach ścian 1,2-1,5 m oraz w wybetonowanych suchych fosach wokół fortu. 

https://www.gov.pl/web/polski-atom/60-lat-krajowego-skladowiska-odpadow-promieniotworczych

Teren, na którym znajduje się składowisko jest bezpieczny pod względem geologicznym i hydrologicznym z racji położenia na znacznej wyniosłości w stosunku do otaczającego terenu . Lustro wód podziemnych znajduje się znacznie poniżej poziomu składowiska i oddzielone jest od wyższych warstw gleby nieprzepuszczalnymi iłami. 

https://zuop.pl/ksop

Wokół składowiska prowadzi się pomiary zarówno mocy dawki, jak i skażeń, które jak dotąd nie wykazały jakiegokolwiek przekroczenia normalnych wartości, nie stwierdzono też zwiększonej zapadalności na nowotwory w rejonie Różana. Składowisko powstało w 1961 r., u zarania polskiej atomistyki, i obecnie jego pojemność już się wyczerpuje. 

https://www.wiz.pl/technologia/2097421,1,radioaktywny-smietnik.read

Rozważana jest budowa nowego obiektu, szczególnie potrzebnego wobec planów polskiej energetyki jądrowej. Obecnie paliwo jedynego pracującego w Polsce reaktora "Maria" w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku przetwarzane jest w Rosji. 

Zabezpieczenie składowisk odpadów radioaktywnych jest istotne nie tylko od strony radiologicznej, ale też pod względem uniemożliwienia dostępu osobom niepowołanym. Mogą to być zarówno złodzieje, jak np. w Tammiku, którzy nieświadomie wynieśli nieosłonięte źródło promieniowania [LINK], jak i terroryści, poszukujący materiałów do skonstruowania tzw. brudnej bomby lub chcący pozyskać izotopy do celów skrytobójczych. 

-----------------------

* Grzegorz Jezierski, Energia jądrowa wczoraj i dziś, wyd. II, Warszawa 2014, s. 546

** ibidem, s. 552

*** Ryszard Doński, Co robi się z odpadkami promieniotwórczymi, [w:] Kto, kiedy, dlaczego, tom II, Warszawa 1958.