Как учёные придумали хранить радиоактивные отходы и при чём тут искусство?
В 1915 году Казимир Малевич показал миру свой «Чёрный квадрат» - картину, которая до сих пор вызывает споры: одни считают её величайшим произведением искусства,
Как учёные придумали хранить радиоактивные отходы и при чём тут искусство?
В 1915 году Казимир Малевич показал миру свой «Чёрный квадрат» - картину, которая до сих пор вызывает споры: одни считают её величайшим произведением искусства, другие самой известной загадкой XX века. Ровно сто лет спустя появился ещё один «Чёрный квадрат». Его автор – американская художница Тарин Саймон. Но в отличие от полотна Малевича, эта работа никогда не висела в музее – и не потому, что выставка ещё не открылась.
Тысячелетняя экспозиция
Американская художница Тарин Саймон никогда не искала простых материалов. В своей серии Black Square, начатой в 2006 году, она исследовала последствия человеческих изобретений и решений, которые влияют на историю и современность. Всего в серии 17 работ. Они представляют собой чёрные квадраты канонического размера 80х80 см, а прямо в них изображены различные артефакты, в которых заложено внутреннее противоречие, неоднозначность и богатство истории.
Когда очередь дошла до атомной эпохи, привычных красок оказалось недостаточно. Художница решила создать произведение искусства из того, что обычно скрыто от человеческих глаз – остеклованных радиоактивных отходов. Замысел звучал почти невероятно, но реализовать проект в 2015 году решила помочь Госкорпорация «Росатом». А воплотить художественный замысел согласилось предприятие «Радон», которое работает с РАО.
Почти полгода ушло на подготовку к работе, которая должна была стать одновременно художественным актом и сложной инженерной операцией. Рождение нового «Чёрного квадрата» происходило у промышленной установки. В железный контейнер заливали раскалённую до 1100 градусов стекломассу, и в этот вязкий огненный поток поместили небольшую двухслойную металлическую капсулу с письмом потомкам, написанное Тарин Саймон.
В тот момент будущая картина совсем не походила на знаменитое полотно Малевича. Расплав светился ярко-красным, но, остывая, свечение угасало, поверхность становилась всё темнее, пока наконец не превратилась в глубокий чёрный монолит. Если посмотреть на контейнер сверху, он стал тем самым «Чёрным квадратом».
С этого началась самая длинная в истории искусства экспозиция. Сегодня «Чёрный квадрат XVII» - таково полное название работы – хранится на площадке предприятия «Радон» в Сергиевом Посаде, в специальном железобетонном контейнере. А в московском музее современного искусства «Гараж» для него сделали специальную нишу в стене. Пока она остаётся пустой, напоминая посетителям о произведении, которого нельзя увидеть. Картина сможет занять своё место в экспозиции лишь около 3015 года, когда радиоактивность материала, из которого она изготовлена, снизится до уровня, безопасного для человека.
Поиск идеального хранилища
Как вообще придумали остекловывание? Атомная энергетика только делала первые шаги, когда перед учёными встал вопрос, ответа на который тогда ещё не существовало: что делать с высокоактивными радиоактивными отходами? Уже в первые годы работы предприятий стало ясно, что их безопасная утилизация потребует не менее сложных инженерных решений, чем создание ядерных реакторов.
После переработки отработавшего ядерного топлива остаётся сложный «коктейль»: кроме небольшого количества невыгоревшего урана и образовавшегося плутония, он содержит десятки радиоактивных продуктов деления. После извлечения ценных компонентов всё это переходит в жидкие высокоактивные отходы – самую опасную категорию РАО. Они не только испускают интенсивное излучение, но и продолжают выделять тепло.
На заре атомной отрасли такие растворы хранили в огромных резервуарах из нержавеющей стали, оснащённых системами охлаждения и очистки газов. Без непрерывного отвода тепла температура в них повышалась, создавая риск повреждения оборудования и выхода радиоактивных веществ в окружающую среду. Опыт показывал, что даже самые прочные материалы не вечны: резервуары старели, а в США ещё в начале 50-х годов уже были зарегистрированы случаи утечки радиоактивных растворов из-за коррозии. Для безопасного хранения таких отходов нужно было создать нечто иное.
Первым делом инженеры попытались использовать уже известные технологии. Жидкие отходы смешивали с цементом или битумом, превращая их в твёрдые блоки. Для слабо- и среднеактивных отходов этого оказалось достаточно. Но высокоактивные растворы предъявляли совсем другие требования. Цементная матрица удерживала радионуклиды недостаточно надёжно: со временем часть веществ могла вымываться водой, а объём получавшихся блоков был слишком велик. Стало понятно, что нужен материал принципиально иного класса, способный на сотни и тысячи лет буквально запереть радиоактивные элементы внутри своей структуры.
Поиски начались одновременно в нескольких странах, в том числе и в СССР. И именно тогда внимание исследователей привлёк материал, который мы привыкли считать слишком хрупким для столь ответственной миссии – стекло.
Правда, речь шла совсем не о бытовом стекле. Учёные начали разрабатывать специальные стеклянные матрицы: многокомпонентные материалы на основе оксидов кремния, бора или фосфора, способные не просто окружить радиоактивные вещества, а буквально встроить их в свою структуру. В разных странах экспериментировали с разными составами. Во Франции и Великобритании ставку делали на боросиликатные стёкла, а советские исследователи сперва сосредоточились на фосфатных, а затем и на боросиликатных композициях. Каждая из них имела свои преимущества, но цель оставалась неизменной – превратить жидкие радиоактивные отходы в прочный, химически стойкий монолит, безопасный для длительного хранения.
В Советском Союзе исследования по технологии остекловывания высокоактивных отходов начались в 1956 году. Одним из лидеров этой работы стал химкомбинат «Маяк» и организованная при нём лаборатория инженера-химика Антона Константиновича.
Первые эксперименты проходили на небольшой лабораторной установке с газовыми горелками. Работа шла тяжело. Газ то и дело взрывался, оборудование выходило из строя, а руководство комбината долгое время считало это направление второстепенным. Научную группу даже собирались расформировать, но её сотрудникам удалось отстоять свои исследования. Они были уверены: за этой технологией будущее.
Переломным моментом стала авария на «Маяке» в 1957 году. Она наглядно показала, насколько опасно хранить большие объёмы ВАО. После этого исследования получили государственную поддержку, а в 1967 году Министерство среднего машиностроения утвердило комплексную программу по разработке технологий захоронения РАО, объединив усилия «Маяка», Всесоюзного НИИ неорганических материалов, Института физической химии АН СССР и Свердловского НИИхиммаша.
Однако подобрать состав стекла оказалось лишь половиной дела. Не менее сложной задачей было научиться варить его в промышленных масштабах. Первые установки нагревались газовыми горелками, но такой способ оказался слишком опасным и ненадёжным. Горелки быстро выходили из строя, оборудование растрескивалось, а при высоких температурах образовывалось большое количество радиоактивных аэрозолей. После серии испытаний стало ясно: нужен совершенно другой принцип нагрева.
Тогда в лаборатории Константиновича предложили идею, которая сегодня кажется очевидной, но в конце 1960-х выглядела революционной. Если расплавленное стекло проводит электрический ток, почему бы не нагревать его не снаружи, а изнутри, с помощью электродов? Такой способ обещал сделать процесс более экономичным, управляемым и пригодным для непрерывной работы. Самое интересное, что в те годы подобную технологию прямой электроварки радиоактивного стекла больше нигде в мире не разрабатывали – советским инженерам предстояло пройти этот путь с нуля.
И здесь исследователей ждали новые испытания. Первые металлические электроды не выдерживали температуры свыше 1000 градусов и разрушались. Инженеры Пётр Чумаков и Николай Петунин начали испытывать различные металлы, погружая их в расплавленное стекло, один за другим образцы растворялись или теряли прочность... Лишь молибден выдержал экстремальные условия и впоследствии стал материалом для электродов первых промышленных электропечей.
В 1969 году в Центральной заводской лаборатории собрали небольшую опытную электропечь производительностью всего 2,5 литра в час. За 2,5 месяца она переработала около 1000 литров радиоактивной пульпы и позволила получить почти 270 кг боросиликатного стекла. Казалось, решение наконец найдено, но однажды во время повторного запуска произошло короткое замыкание. Раскалённая до 1200 градусов стекломасса вылилась на пол, пластик мгновенно вспыхнул, а помещение наполнилось едким дымом. Инженер Евгений Рыжков оказался отрезан огнём от выхода, спастись удалось чудом: он выбрался через окно второго этажа и по узкому карнизу добрался до соседнего окна без решёток... Позже он вспоминал: «Вдохни я хотя бы раз эту смесь фтора и хлора, и всё, конец».
Испытания пришлось продолжить. Изменялась конструкция печей, устранялись недостатки, менялись молибденовые сплавы электродов, и к концу 1980-х на «Маяке» удалось создать первый промышленный цех по остекловыванию РАО.
От печи к тиглям
«Маяк» и сегодня остаётся единственным в России предприятием, где остекловывание налажено в промышленных масштабах. Концентрированные ЖРО поступают в специальную электропечь, где полностью обезвоживаются и смешиваются со стеклообразующими добавками. При температуре около 1100 °C образуется расплав, в котором радиоактивные элементы уже не существуют отдельно, а становятся частью стеклянной матрицы. Радионуклиды равномерно распределяются по всему объёму стекломассы и надёжно фиксируются в её структуре. Полученный расплав разливают в двухсотлитровые стальные контейнеры, а после охлаждения он превращается в прочный стеклянный монолит, который затем герметизируют и отправляют на хранение. Со временем активность радионуклидов постепенно снижается благодаря их естественному радиоактивному распаду.
Однако не всё так просто. Из-за высокого уровня радиации человеку контактировать с печами нельзя. Всё оборудование находится в закрытом защитном каньоне и работает дистанционно. Поэтому каждую печь фактически запускают один раз. В непрерывном режиме она служит 5-6 лет, после чего её выводят из эксплуатации и заменяют новой. В 2025 году на «Маяке» завершилось строительство уже шестой промышленной печи ЭП-250/6, способной производить до 400 тонн стекломассы в год.
Перспектива есть, но пока только экспериментальная – малогабаритный индукционный плавитель с холодным тиглем (ИПХТ), созданный специалистами ВНИИНМ. В отличие от традиционных электропечей, здесь нагревается не сам тигель, а непосредственно стеклянный расплав. Его стенки состоят из отдельных секций, через которые непрерывно циркулирует вода. Благодаря этому их температура не превышает 40 °C, а расплав стекла разогревается до 1500 °C.
Такое решение значительно увеличивает срок службы оборудования. Если печи страдают от воздействия высоких температур и агрессивной среды и работают только 5 - 6 лет, то холодный тигель способен работать десятилетиями. Да и заменить его гораздо проще: конструкция весит около 100 кг, её можно дистанционно отсоединить от коммуникаций, поместить в стандартный контейнер и отправить на хранение.
Опытно-промышленный образец установки был создан в 2018 году. Однако пока технология не получила широкого промышленного применения. Главная причина – производительность: по этому показателю холодный тигель пока уступает традиционным электропечам. Но история остекловывания уже не раз показывала, что инженерные решения требуют времени.
Татьяна Козлова, по данным открытых источников
1 view·1 share
1 view
Отзывы
Мы в Телеграм