«Стеклянный ключ» к решению проблемы отходов Хэнфорда
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА
Жидкие отходы плутониевого производства ХХ века, захороненные под землей, стали представлять опасность для окружающей среды. Строящийся завод предназначен для перевода этих отходов в твердую, стабильную форму боросиликатного стекла. Это первая за несколько десятилетий «атомная стройка» США.
Фото: Росатом, Flickr/Hanford Vit Plant
В Америке любят называть «самым-самым» все подряд. Предприятие по обработке и иммобилизации радиоактивных отходов (WTP) — знаменитую площадку Хэнфорд в Вашингтоне — министерство энергетики США (DOE) уже объявило «достижением технологии и строительства беспрецедентного уровня». Проект WTP, по мнению министерства, эквивалентен строительству двух атомных электростанций.
С учетом того, что нового строительства атомных объектов в США нет уже несколько десятилетий, такое заявление можно оправдать: это действительно один из наиболее технически сложных проектов по ликвидации загрязнения. И есть надежда, что проект предприятия WTP будет успешнее, чем строительство атомных электростанций, обернувшееся скандалом (который, впрочем, тоже входит в категорию «самых грандиозных»). Сметная стоимость проекта — целых $17 млрд — тоже сравнима со стоимостью строительства атомной электростанции с двумя реакторами.
С учетом того, что нового строительства атомных объектов в США нет уже несколько десятилетий, такое заявление можно оправдать: это действительно один из наиболее технически сложных проектов по ликвидации загрязнения. И есть надежда, что проект предприятия WTP будет успешнее, чем строительство атомных электростанций, обернувшееся скандалом (который, впрочем, тоже входит в категорию «самых грандиозных»). Сметная стоимость проекта — целых $17 млрд — тоже сравнима со стоимостью строительства атомной электростанции с двумя реакторами.
Проблема ХХ века, оставленная веку XXI
На объекте Хэнфорд, занимающем площадь более 1,5 тыс. км², располагался первый в мире комплекс по производству плутония. Со времен «Манхэттенского проекта» и холодной войны — более 40 лет! — Хэнфорд играл ключевую роль в обеспечении материалами ядерной оружейной программы США. Расположенные на этом объекте девять реакторов нарабатывали для нее плутоний.
За 40 лет здесь произвели 74 тонны плутония, почти 2/3 всего объема этого химического элемента, полученного для государственных целей США. А сейчас пришло время возглавляемого министерством энергетики США крупномасштабного проекта восстановления окружающей среды Хэнфорда — очистки загрязненной почвы и демонтажа старых реакторов. Радиоактивной грязи здесь хватит, чтобы заполнить футбольное поле на высоту 15-этажного здания.
Химические процессы разделения и очистки давали массу жидких радиоактивных отходов. Реакторы остановили в 1987 году, но в Хэнфорде с тех времен скопилось 212 тыс. тонн радиоактивных и химических отходов различной консистенции, от жидкостей до вязких шламов. Эти отходы были слиты в 177 подземных резервуаров из углеродистой стали, всего в нескольких милях от густонаселенных районов и реки Колумбия. Многие из этих резервуаров однокорпусные, срок их эксплуатации закончился несколько десятилетий назад, и ничего удивительного, что примерно 60 или 70 из них дали течь. Это означает, что химические и радиоактивные отходы стали уходить в землю и, следовательно, в грунтовые воды.
Справиться с этой бедой министерство энергетики США решило, подписав контракт на проектирование и строительство предприятия WTP с компанией Bechtel. (В министерстве предпочитают называть проект словом Vit, созвучным с wit, то есть «ум, разум».) Когда стройка будет завершена, США получат крупнейшую в мире (так считает министерство энергетики США) и невероятно сложную установку для переработки радиоактивных и химических отходов. Но до этого уложат 200 тыс. м3 бетона, 40 тыс. тонн металлоконструкций, около 1,5 тыс. км кабелей и более 300 км трубопроводов.
На объекте Хэнфорд, занимающем площадь более 1,5 тыс. км², располагался первый в мире комплекс по производству плутония. Со времен «Манхэттенского проекта» и холодной войны — более 40 лет! — Хэнфорд играл ключевую роль в обеспечении материалами ядерной оружейной программы США. Расположенные на этом объекте девять реакторов нарабатывали для нее плутоний.
За 40 лет здесь произвели 74 тонны плутония, почти 2/3 всего объема этого химического элемента, полученного для государственных целей США. А сейчас пришло время возглавляемого министерством энергетики США крупномасштабного проекта восстановления окружающей среды Хэнфорда — очистки загрязненной почвы и демонтажа старых реакторов. Радиоактивной грязи здесь хватит, чтобы заполнить футбольное поле на высоту 15-этажного здания.
Химические процессы разделения и очистки давали массу жидких радиоактивных отходов. Реакторы остановили в 1987 году, но в Хэнфорде с тех времен скопилось 212 тыс. тонн радиоактивных и химических отходов различной консистенции, от жидкостей до вязких шламов. Эти отходы были слиты в 177 подземных резервуаров из углеродистой стали, всего в нескольких милях от густонаселенных районов и реки Колумбия. Многие из этих резервуаров однокорпусные, срок их эксплуатации закончился несколько десятилетий назад, и ничего удивительного, что примерно 60 или 70 из них дали течь. Это означает, что химические и радиоактивные отходы стали уходить в землю и, следовательно, в грунтовые воды.
Справиться с этой бедой министерство энергетики США решило, подписав контракт на проектирование и строительство предприятия WTP с компанией Bechtel. (В министерстве предпочитают называть проект словом Vit, созвучным с wit, то есть «ум, разум».) Когда стройка будет завершена, США получат крупнейшую в мире (так считает министерство энергетики США) и невероятно сложную установку для переработки радиоактивных и химических отходов. Но до этого уложат 200 тыс. м3 бетона, 40 тыс. тонн металлоконструкций, около 1,5 тыс. км кабелей и более 300 км трубопроводов.
Как это будет выглядеть
На WTP запустят процесс витрификации — превращения радиоактивных отходов в стабильное стекло. Такой процесс уже запущен на заводах по остекловыванию опасных отходов в Уэст-Вэлли (штат Нью-Йорк), Саванна-Ривер (штат Южная Каролина) и Селлафилде на северо-западе Англии, во французском Маркуле, а также на российских предприятиях «Радон» и «Маяк».
Однако, по мнению министерства энергетики США, задачи «самого-самого» предприятия в Хэнфорде значительно масштабнее, а отходы — сложнее для переработки. Строго говоря, отходы Хэнфорда — смесь радиоактивных компонентов и более 1800 различных химических веществ — едва ли сложнее, чем отходы других объектов в других странах, но основная сложность в том, что все это уже утекает в почву, а проектирование и строительство WTP заняли больше времени, чем предполагалось.
Предприятие WTP проектировали в 1990–2000-х годах. Строительство начали в 2010 году, но в 2012 году приостановили на время решения семи выявленных специалистами технических проблем, в том числе — предотвращения накопления плутония во внутренних механизмах и компонентах, поскольку завод был рассчитан на работу в течение примерно 40 лет. Мы, несомненно, еще не раз услышим о проблемах проекта. В ходе строительства неоднократно поднималась проблема качества, и в одном лишь 2016 году Bechtel National и его субподрядчику AECOM эти сомнения обошлись в $125 млн, заплаченных за улаживание дела, притом что инспекции никаких нарушений не обнаружили.
Чтобы сберечь время, в Хэнфорд пригласили людей с предприятий, уже успешно работающих в сфере витрификации, дабы воспользоваться их опытом при проектировании и строительстве объекта. Технический директор WTP Йэн Милгейт прежде был инженером-проектировщиком аналогичного объекта в Селлафилде, и он считает, что проект основан на проверенных временем технологиях.
WTP занимает 26 гектаров. На заводе имеются объекты для раздельной переработки низко- и высокоактивных отходов, аналитическая лаборатория и установка для предварительной обработки отходов. Двадцать вспомогательных объектов и 56 систем разного рода превратят WTP в городок, снабженный всем необходимым. Здесь будет собственная инфраструктура, включая теплоцентраль, электростанцию и водоочистительную установку. На случай сбоя питания имеется аварийный дизель-генератор.
Требования к безопасности будущего объекта достаточно жесткие. Поэтому при проектировании и строительстве предприятия использовались примерно те же материалы и приемы, что применяются при строительстве атомных электростанций: специальные бетоны и стали, сейсмостойкие конструкции.
На WTP запустят процесс витрификации — превращения радиоактивных отходов в стабильное стекло. Такой процесс уже запущен на заводах по остекловыванию опасных отходов в Уэст-Вэлли (штат Нью-Йорк), Саванна-Ривер (штат Южная Каролина) и Селлафилде на северо-западе Англии, во французском Маркуле, а также на российских предприятиях «Радон» и «Маяк».
Однако, по мнению министерства энергетики США, задачи «самого-самого» предприятия в Хэнфорде значительно масштабнее, а отходы — сложнее для переработки. Строго говоря, отходы Хэнфорда — смесь радиоактивных компонентов и более 1800 различных химических веществ — едва ли сложнее, чем отходы других объектов в других странах, но основная сложность в том, что все это уже утекает в почву, а проектирование и строительство WTP заняли больше времени, чем предполагалось.
Предприятие WTP проектировали в 1990–2000-х годах. Строительство начали в 2010 году, но в 2012 году приостановили на время решения семи выявленных специалистами технических проблем, в том числе — предотвращения накопления плутония во внутренних механизмах и компонентах, поскольку завод был рассчитан на работу в течение примерно 40 лет. Мы, несомненно, еще не раз услышим о проблемах проекта. В ходе строительства неоднократно поднималась проблема качества, и в одном лишь 2016 году Bechtel National и его субподрядчику AECOM эти сомнения обошлись в $125 млн, заплаченных за улаживание дела, притом что инспекции никаких нарушений не обнаружили.
Чтобы сберечь время, в Хэнфорд пригласили людей с предприятий, уже успешно работающих в сфере витрификации, дабы воспользоваться их опытом при проектировании и строительстве объекта. Технический директор WTP Йэн Милгейт прежде был инженером-проектировщиком аналогичного объекта в Селлафилде, и он считает, что проект основан на проверенных временем технологиях.
WTP занимает 26 гектаров. На заводе имеются объекты для раздельной переработки низко- и высокоактивных отходов, аналитическая лаборатория и установка для предварительной обработки отходов. Двадцать вспомогательных объектов и 56 систем разного рода превратят WTP в городок, снабженный всем необходимым. Здесь будет собственная инфраструктура, включая теплоцентраль, электростанцию и водоочистительную установку. На случай сбоя питания имеется аварийный дизель-генератор.
Требования к безопасности будущего объекта достаточно жесткие. Поэтому при проектировании и строительстве предприятия использовались примерно те же материалы и приемы, что применяются при строительстве атомных электростанций: специальные бетоны и стали, сейсмостойкие конструкции.
Что такое DFLAW
Содержимое резервуаров с отходами делится на три фракции: это плотные, нерастворимые в воде компоненты, из которых состоит донный осадок-шлам; кристаллизовавшиеся водорастворимые компоненты (солевые слои); и, наконец, надосадочная жидкость из водного раствора солей — супернатант, на долю которого приходится до 80 % объема отходов. В свою очередь, низкоактивные отходы составляют основную часть хранящихся в Хэнфорде отходов, поэтому начать решили именно с них.
Две недавно установленные плавильные печи находятся в зоне обработки низкоактивных отходов, и в этом ключ подхода, примененного при проектировании WTP. Первоначально на WTP предполагалось перерабатывать низко- и высокоактивные отходы совместно. Но министерство энергетики США приняло решение в пользу поэтапного подхода, чтобы в первую очередь — уже к декабрю 2021 года — приступить к переработке низкоактивных отходов (вначале это намечалось сделать к 2018 году). На полную проектную мощность завод выведут в 2036 году.
Этот подход назвали прямой подачей низкоактивных отходов и тут же сократили название до аббревиатуры DFLAW (direct-feed low-activity waste). Низкоактивные отходы из резервуаров Хэнфорда для удаления твердых частиц и цезия отфильтруют, а затем отправят прямо на переработку, минуя предварительную обработку, обширный цех для которой еще только строится. Если с DFLAW все получится, этот подход примут за основу для технологии обработки высокоактивных отходов и предварительной обработки, по мере того как министерство энергетики, Bechtel и операторы установок будут усваивать опыт и извлеченные из DFLAW уроки. Словом, проектирование и отработка технологии идут «с колес», на ходу (некоторые скажут: на коленке).
Сейчас министерство энергетики и Bechtel сосредоточились на завершении участка низкоактивных отходов, аналитической лаборатории и объектов обеспечения. На объекте будут система очистки отходящих газов и возможность управлять вторичными жидкими стоками, которые получаются от переработки низкоактивных отходов в печах. Обеспечивающие системы и участки можно будет изменять так, чтобы они смогли справляться со своими задачами и после того, как потребности в мощностях снизятся.
Поэтапный подход позволит запустить переработку низкоактивных отходов до готовности цеха предварительной обработки и участка высокоактивных отходов. В министерстве полагают, что это позволит сократить продолжительность обработки резервуаров с низкоактивными отходами.
Содержимое резервуаров с отходами делится на три фракции: это плотные, нерастворимые в воде компоненты, из которых состоит донный осадок-шлам; кристаллизовавшиеся водорастворимые компоненты (солевые слои); и, наконец, надосадочная жидкость из водного раствора солей — супернатант, на долю которого приходится до 80 % объема отходов. В свою очередь, низкоактивные отходы составляют основную часть хранящихся в Хэнфорде отходов, поэтому начать решили именно с них.
Две недавно установленные плавильные печи находятся в зоне обработки низкоактивных отходов, и в этом ключ подхода, примененного при проектировании WTP. Первоначально на WTP предполагалось перерабатывать низко- и высокоактивные отходы совместно. Но министерство энергетики США приняло решение в пользу поэтапного подхода, чтобы в первую очередь — уже к декабрю 2021 года — приступить к переработке низкоактивных отходов (вначале это намечалось сделать к 2018 году). На полную проектную мощность завод выведут в 2036 году.
Этот подход назвали прямой подачей низкоактивных отходов и тут же сократили название до аббревиатуры DFLAW (direct-feed low-activity waste). Низкоактивные отходы из резервуаров Хэнфорда для удаления твердых частиц и цезия отфильтруют, а затем отправят прямо на переработку, минуя предварительную обработку, обширный цех для которой еще только строится. Если с DFLAW все получится, этот подход примут за основу для технологии обработки высокоактивных отходов и предварительной обработки, по мере того как министерство энергетики, Bechtel и операторы установок будут усваивать опыт и извлеченные из DFLAW уроки. Словом, проектирование и отработка технологии идут «с колес», на ходу (некоторые скажут: на коленке).
Сейчас министерство энергетики и Bechtel сосредоточились на завершении участка низкоактивных отходов, аналитической лаборатории и объектов обеспечения. На объекте будут система очистки отходящих газов и возможность управлять вторичными жидкими стоками, которые получаются от переработки низкоактивных отходов в печах. Обеспечивающие системы и участки можно будет изменять так, чтобы они смогли справляться со своими задачами и после того, как потребности в мощностях снизятся.
Поэтапный подход позволит запустить переработку низкоактивных отходов до готовности цеха предварительной обработки и участка высокоактивных отходов. В министерстве полагают, что это позволит сократить продолжительность обработки резервуаров с низкоактивными отходами.
Проект в цифрах
Плавильные печи
В Хэнфорде уже готовы площадки, где разместились две трехсоттонные печи, или два тигля. Эти самые большие в мире тигли формой похожи на те, что установлены в британском Селлафилде. Они будут центром процесса витрификации — превращения жидких радиоактивных отходов в твердое стекло, которое безопасно и не загрязняет окружающую среду. DOE планирует начать остекловывание уже в 2022 году, но запуск предприятия будет происходить поэтапно.
Огромные печи, установленные на WTP, будут нагревать отходы и стеклообразующие материалы до 1150 °C. Когда печи будут готовы к эксплуатации, их длина и ширина составят соответственно 6 и 9 метров, а высота — почти 5 метров. Печи монтируют на рельсах, чтобы их легко было удалить и заменить через пять лет, когда закончится срок их эксплуатации. Отработавшие печи разрежут и поместят в надежное хранилище.
Каждая печь состоит из сборного (основание и крышка) тигля, газонепроницаемой и защитной крышек, нескольких слоев огнеупорного кирпича внутри и других компонентов, которые будут обеспечивать подачу, перемешивание и контроль стекольной шихты. Восемнадцать пневмеркаторов, расположенных на крышке тигля, нужны для повышения производительности путем кондиционирования шихты, а также увеличения кинетики сплавления исходного материала и стекольной шихты.
Но вернемся к технологии переработки отходов. Жидкие радиоактивные отходы (они составят примерно 14 % веса готовой смеси) и стеклообразующие материалы механические мешалки будут перемешивать прямо в резервуарах системы подачи. Оттуда воздух из шламовых насосов будет вытеснять смесь в тигель, который нагреет сырье, превратив его в вязкое стекло. Стеклянную смесь выльют в контейнеры из нержавеющей стали диаметром 1,2 метра и высотой 2,1 метра. В этих контейнерах смесь будет охлаждаться и затвердевать, превращаясь в безопасное и стабильное боросиликатное стекло. Даже через миллион лет в окружающей среде «растворится» не более 10 % такого стекла.
В ходе эксплуатации плавильные печи будут производить по 15 тонн «атомного» стекла в день. Этого хватит для заполнения пяти контейнеров. Отходящие газы, образующиеся в процессе витрификации, так же как и твердые вещества, ртуть, окислы азота, органика и соли, будут удаляться при помощи специального оборудования.
Такие же печи, но поменьше — на 90 тонн каждая — будут обрабатывать высокоактивные жидкие отходы. Для высокоактивных отходов будет построена отдельная система заполнения высоких, более 4 метров, резервуаров, каждый из которых весит более 4 тонн.
В Хэнфорде уже готовы площадки, где разместились две трехсоттонные печи, или два тигля. Эти самые большие в мире тигли формой похожи на те, что установлены в британском Селлафилде. Они будут центром процесса витрификации — превращения жидких радиоактивных отходов в твердое стекло, которое безопасно и не загрязняет окружающую среду. DOE планирует начать остекловывание уже в 2022 году, но запуск предприятия будет происходить поэтапно.
Огромные печи, установленные на WTP, будут нагревать отходы и стеклообразующие материалы до 1150 °C. Когда печи будут готовы к эксплуатации, их длина и ширина составят соответственно 6 и 9 метров, а высота — почти 5 метров. Печи монтируют на рельсах, чтобы их легко было удалить и заменить через пять лет, когда закончится срок их эксплуатации. Отработавшие печи разрежут и поместят в надежное хранилище.
Каждая печь состоит из сборного (основание и крышка) тигля, газонепроницаемой и защитной крышек, нескольких слоев огнеупорного кирпича внутри и других компонентов, которые будут обеспечивать подачу, перемешивание и контроль стекольной шихты. Восемнадцать пневмеркаторов, расположенных на крышке тигля, нужны для повышения производительности путем кондиционирования шихты, а также увеличения кинетики сплавления исходного материала и стекольной шихты.
Но вернемся к технологии переработки отходов. Жидкие радиоактивные отходы (они составят примерно 14 % веса готовой смеси) и стеклообразующие материалы механические мешалки будут перемешивать прямо в резервуарах системы подачи. Оттуда воздух из шламовых насосов будет вытеснять смесь в тигель, который нагреет сырье, превратив его в вязкое стекло. Стеклянную смесь выльют в контейнеры из нержавеющей стали диаметром 1,2 метра и высотой 2,1 метра. В этих контейнерах смесь будет охлаждаться и затвердевать, превращаясь в безопасное и стабильное боросиликатное стекло. Даже через миллион лет в окружающей среде «растворится» не более 10 % такого стекла.
В ходе эксплуатации плавильные печи будут производить по 15 тонн «атомного» стекла в день. Этого хватит для заполнения пяти контейнеров. Отходящие газы, образующиеся в процессе витрификации, так же как и твердые вещества, ртуть, окислы азота, органика и соли, будут удаляться при помощи специального оборудования.
Такие же печи, но поменьше — на 90 тонн каждая — будут обрабатывать высокоактивные жидкие отходы. Для высокоактивных отходов будет построена отдельная система заполнения высоких, более 4 метров, резервуаров, каждый из которых весит более 4 тонн.
Состояние WTP
Ожидается, что строительство участка переработки низкоактивных отходов завершится к июню 2018 года. Проектирование, закупки и строительство аналитической лаборатории завершены на 98 %, недалеки от завершения и обеспечивающие участки, но на стройке по-прежнему занято более 2700 человек.
Министерство энергетики США и компания Bechtel уже начали цикл запуска завода и его ввода в эксплуатацию. Этот этап продлится несколько лет, поскольку вначале должна быть готова вся инфраструктура проекта. Сегодня из 56 систем 39 находятся в процессе испытаний. Это системы теплоснабжения, компрессорная для холодильной установки, электрическая подстанция и здание распределительной аппаратуры, а также установка для очистки воды.
Ожидается, что строительство участка переработки низкоактивных отходов завершится к июню 2018 года. Проектирование, закупки и строительство аналитической лаборатории завершены на 98 %, недалеки от завершения и обеспечивающие участки, но на стройке по-прежнему занято более 2700 человек.
Министерство энергетики США и компания Bechtel уже начали цикл запуска завода и его ввода в эксплуатацию. Этот этап продлится несколько лет, поскольку вначале должна быть готова вся инфраструктура проекта. Сегодня из 56 систем 39 находятся в процессе испытаний. Это системы теплоснабжения, компрессорная для холодильной установки, электрическая подстанция и здание распределительной аппаратуры, а также установка для очистки воды.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА
