Американская «Фукусима»? Хэнфорд, штат Вашингтон

После инцидента 9 мая над тоннелем №1 комплекса Хэнфорд (Hanford) новостные ленты запестрели заголовками статей, причем зачастую информация в них была едва ли не диаметрально противоположной. Одни из авторов уверяли, что Америка обзавелась «собственной Фукусимой», другие уверенно заявляли, что ничего страшно катастрофичного не произошло, просто вот просел грунт, ничего не раздавив. Давайте и мы попробуем оценить, что именно и где именно произошло, но спокойно и без спешки, без налета ненужной сенсационности.

Комплекс Хэнфорд — краса и гордость янки, создававших Манхэттенский проект. После того, как в 1942 году успешно начал свою первый в мире атомный реактор, «Чикагская поленница», а группа Ферми выполнила все необходимые эксперименты, перед руководителем Манхэттенского проекта, генералом Лесли Гровсом была поставлена новая, куда как более масштабная задача. Генералу предстояло в кратчайшие сроки организовать промышленное производство урана и плутония. Для урана был создан комплекс в Оук-Ридже, но о нем мы поговорим как-нибудь попозже, а вот Хэнфорд стал тем местом, где янки начали строительство комплекса для производства оружейного плутония. Да, оговоримся, журнал «Геоэнергетика.ru» традиционно различает янки и американцев: в том, что касается атомного проекта, их подходы отличаются настолько сильно, что совершенно логично считать янки и американцев двумя совершенно разными народами.

Требования, которым отвечает комплекс Хэнфорд, были заданы изначально жесткими требованиями федерального правительства США. Это действительно удаленный участок в Вашингтоне, одном из самых малонаселенных штатов. Тут имеется участок под «зону опасного производства» не менее 19×26 км — нынешние размеры комплекса составляют 1 518 квадратных километров. Лабораторный комплекс расположен в 13 км от ближайшего реактора. В радиусе 30 км не было населенных пунктов с населением боле 1 000 человек, не было автомобильных и железнодорожных дорог в радиусе 15 км, на протяжении 80 км вдоль границы комплекса течет река Колумбия, практически неограниченный источник чистой воды. Были, правда, два небольших городка — Хэнфорд и Уайт Блаффс, но их жителей в 1943 году попросту отселили, как и подвернувшееся под руку индейское племя Ванапум.

Очевидно, что вы только что прочитали описание нашего «классического закрытого атомного города», не так ли? Где заканчивается «советский тоталитаризм» и начинается «американская демократия», решайте сами. Генерал Гровс, в отличие от Лаврентия Павловича Берии, МВД никогда не командовал, но это нисколько не помешало ему к марту 1943 собрать в Хэнфорде 50 тысяч строителей, на ходу создавая рабочие поселки классического барачного стиля, которые благоустраивали далеко не сразу. Для Штатов Хэнфордский комплекс стал настоящей «ударной стройкой капитализма», к концу лета 1945 было отстроено в общей сложности 554 здания, включая три атомных реактора (105-B, 105-D, 105-F) и три линии переработки ядерного топлива (221-Т, 221-В, 221-U). Но, в отличие от СССР, генеральным подрядчиком здесь была вполне себе частная компания, название которой многие знают — DuPont.

Комплекс, в то время обозначавшийся литерой W, постепенно приобретал свой нынешний вид. К 1946 году тут были построены 4 электростанции, проложены 621 км дорог автомобильных и 254 км железнодорожных, 600 тысяч кубометров бетона, 36 тысяч тонн конструкционной стали, не считая прочих строительных материалов — в 40-е годы янки умели строить быстро и качественно. Впрочем, не менее ударно работали и ученые, и инженеры, и конструкторы. Реактор 105-В стал первым в мире промышленным реактором по наработке оружейного плутония, здесь же, в Хэнфорде был отработан пьюрекс-процесс переработки ОЯТ, впервые была построена горячая лаборатория, здесь специалисты впервые столкнулись с проблемой жидких радиоактивных веществ и с тем, что любое оборудование, используемое при таком производстве, очень быстро становится радиоактивным. Изобретений, новаций, технологий, созданных «с нуля» в Хэнфорде было невероятное множество, вряд ли с той поры в Штатах был подобный «взрыв» открытий.

Поскольку именно жидкие радиоактивные отходы на месте закрытого комплекса представляют наиболее серьезную опасность, мы чуть подробнее остановимся на том, откуда они берутся и какими именно они бывают. Ничего страшного, формул не будет.

Если убрать в сторонку все технологические и технические подробности, то «на пальцах» процесс производства оружейного плутония выглядит следующим образом. В реактор с графитовым замедлителем погружают ТВЭЛы (тепловыделяющий элемент) с ураном, и в тот момент, когда ядерные реакции обеспечивают в них максимальную концентрацию оружейного плутония, ²³⁹Pu «выдергивают».

Уран и плутоний — это разные химические элементы, потому и разделяют их химическими методами. Plutonium-Uranium Recovery by Extraction, PUREX или пьюрекс-процесс. Двойная экстракция, аффинаж, упаривание и денитрация. Можно еще много «химических» слов напечатать, а можно переложить описание на язык, привычный, к примеру, для поваренных книг. Процессы в реальности жутко сложные, очень опасные для человека, все выполняется при помощи манипуляторов и при соблюдении строжайших правил безопасности, но научное описание всего этого занимает несколько томов и требует специального образования. Потому давайте коротенько.

«Аккуратно нарезав мелкими кусочками ТВЭЛы, не очищая от кожуры и мякоти, поместите их в кастрюльку со свежей 100%-ной азотной кислотой и помешивайте золотой ложечкой, пока все кусочки не растворятся. Полученный бульон процедите через ситечко, а затем добавьте в кастрюльку 30%-ный раствор трибутилфосфата в керосине. Цвет бульона сразу изменится, и кухня наполнится потрясающими ароматами, так радующими вашего любимого супруга. Для придания бульону золотистого цвета всенепременно плесните в него нитрат аммония и несколько ложечек нагретой до кипения 60%-ной азотной кислоты. Через несколько минут осколочные нуклиды превратятся в рафинад, а в бульоне останутся только уран и плутоний. К этому времени во второй кастрюльке у вас как раз вскипит раствор соли двухвалентного железа, который, после добавления, добавит бульону питательности. Не примените дополнительно насытить бульон раствором хлора или серы, подавайте к столу горяченьким».

«Приятного аппетита» мы говорить не будем, и уже без шуток рассмотрим, что получается в остатке после того, как необходимый для военных целей ²³⁹Pu выделен и отправлен на заводы, производящие атомные и ядерные боеголовки. Надеемся на ваши крепкие нервы, поскольку читать такое описание не доставляет удовольствия. Поскольку речь идет о конкретном месте, Хэндфордском комплексе, будем сразу добавлять и цифры того, что там находится.

Надосадочная жидкость или супернатанты (supernate) — жидкая фракция, находящаяся сверху или между твердых слоев отходов. Состоит из воды и растворенных солей, в хэнфордских баках этой жидкости около 80 миллионов литров, ее вклад в общую радиоактивность комплекса составляет 24%.

Растворимые твердые компоненты (saltcake) — растворимые вещества, кристаллизовавшиеся или выпавшие из жидкой фазы, влажный пескообразный материал. 91 миллион литров, 20% от общей радиоактивности.

Осадки (sludge) — плотные, нерастворимые в воде, скапливающиеся в нижней части баков, по консистенции представляют собой нечто вроде густого масла. В Хэнфорде такого добра около 40 миллионов литров, но при наименьших объемах именно в них — основной вклад в радиоактивность, 56%.

Помимо перечисленного, в баках имеются и стабильные токсичные отходы, которые не радиоактивны, но свою токсичность хранят тысячелетиями.

Хэнфорд активно работал и развивался после Второй мировой войны, поскольку сразу после нее началась война холодная. Политики и историки могут описывать ее как угодно, нам сейчас важно, что Хэнфорд дал стране угля, то есть оружейного плутония, 64 тонны, что обеспечило снаряжение около 50 тысяч единиц атомного арсенала США. Потому и количество жидких РАО (радиоактивных отходов) здесь поистине колоссальное. Но в 1946 году комплекс изъяли из подчинения министерства обороны и передали под управление еще одной частной компании — General Electric, которая и отвечала за его расширение.

На пике своего развития в Хэнфорде работали 9 реакторов по наработке плутония, 5 линий горячих лабораторий, в которых продолжали получать оружейный плутоний. Все реакторы были остановлены в 1971 году, не из-за приступа миролюбия, а по причине возраста и очень жесткого режима эксплуатации. Но реактор N, введенный в строй в 1963 году, проработал до 1987 года, заодно обеспечивая электроэнергией энергосистему штата Вашингтон. После останова реакторы были демонтированы и здесь же, на территории комплекса— захоронены. Остался только реактор В, первый в истории промышленный реактор для наработки плутония, поскольку с 2008 года он объявлен национальным историческим памятником США. Впрочем, о музейных ценностях и экскурсиях по заповедным местам Америки пусть пишут специалисты, а мы вернемся к радиоактивным отходам.

Кыштымская катастрофа

С 1944 по 1988 в Хэнфордском комплексе было наработано около двух миллиардов литров жидких РАО, 204 тысячи кубометров. Много это или мало, с чем сравнивать? 29 сентября 1957 года в СССР произошла Кыштымская катастрофа. Ветер унес радиоактивный след на 300−350 км в северо-восточном направлении, отселены 12 тысяч человек из 23 деревень, имущество и скот уничтожены на месте, в ликвидационных работах участвовали сотни тысяч человек, многие из которых нахватались доз радиации, потребовавших медицинского вмешательства. С 1968 года все эти земли вошли в состав Восточно-Уральского государственного заповедника, люди не живут здесь до сих пор. Подробнее мы об этом обязательно расскажем, а пока ограничимся констатацией факта: все перечисленное стало результатом взрыва емкости с 300 кубометрами жидких РАО. Тремя стами кубометрами. В Хэнфорде — 204 тысячи кубометров.

Технология хранения РАО в Хэнфорде

Поскольку «все было впервые и вновь», часть жидких РАО первоначально попросту сливали в землю, часть осадков поместили в контейнеры и закопали — здесь же, в Хэнфорде. Но в деле были янки, потому уже в 40-х они уразумели, что это слишком опасно и чересчур безответственно. Были разработаны и стали производиться специальные емкости, получившие аббревиатуру SST, с 1944 года они встали под загрузку жидкими РАО. Специалисты изначально допускали, что баки будут протекать, ведь жидкость, содержащаяся в них, чрезвычайно активна и радиационно, и химически. Бак этого типа представляет собой емкость из углеродистой стали, облицованную внешним слоем бетона. Чем отличаются янки от американцев? В 1943 году было построено 16 баков SST, первая протечка была зафиксирована в 1992 году при проектном (не гарантийном, а именно проектном, ведь никто никогда раньше не имел дела с подобного рода веществами) сроке 25 лет. Задумка была простой — строить новые емкости, переливать жидкие РАО в них до той поры, пока не будет найдено окончательное решение.

Первые течи были обнаружены в начале 60-х, и министерство энергетики, которое отвечало и отвечает за хранение жидких РАО, озаботилось созданием нового, более надежного типа баков. Им стал бак DST, в котором появилась дополнительная стальная стенка, расположенная в метре от внутренней, но до бетонного слоя. Зазор позволяет размещать в нем детекторы течей, и, соответственно контролировать состояние емкостей удаленно и автоматизированно. Проектный срок службы такого бака составляет от 20 до 50 лет, и это уже явно сделано американцами, потому что янки такого разброса сроков себе никогда бы не позволили. На сегодняшний день в Хэнфорде имеется 177 баков, 149 с одинарными стенками SST и 28 баков DST с двойными стенками. После 1971 года, когда были остановлены 8 реакторов из 9, комплекс был полностью передан в ведение министерства энергетики (МЭ). Тогда же был составлен график перелива жидкостей из баков SST в баки DST.

К 2005 году этот этап был завершен, но жидкость была перекачана отнюдь не полностью, а в соответствии с разработанными МЭ критериями:

в баках SST должно оставаться не более 19 тысяч литров жидкости, либо попытки перекачивать жидкость не дают результатов.

Мы не будем комментировать эти формулировки, пусть они будут на совести американских атомщиков.

«Не получается откачать — брось эту затею!»

Приведем лучше цитату из отчета МЭ США 2005 года:

«В части баков невозможно установить точное содержание жидкой фракции по разнообразным причинам».

Если отбросить словесную шелуху, то получается, что на сегодняшний день МЭ способно учитывать количество жидких фракций только в 28 баках DST и что-то знает про то, что хранится в баках SST. Вот такие цифры в отчетах и содержатся: около 100 тысяч кубометров жидких РАО находятся в баках DST и приблизительно столько же остается в баках SST. Кроме того, МЭ определило, что в период с 1959 по настоящее время в землю попало порядка 4 000 кубометров жидких РАО. С учетом того, что в земле Хэнфорда хранятся еще и останки восьми реакторов, комплекс чрезвычайно перспективен как место туристического паломничества.

В 2003 году стартовал второй этап программы перекачки отходов из баков SST в баки DST — перемещение осадков. Старт был дан, когда состоится финиш, совершенно непонятно, поскольку по состоянию на 2014 год твердые отходы были перекачаны всего из 12 баков SST.

Кто-то может подумать, что течи баков и проблемы с перекачкой и есть все проблемы, существующие в Хэнфорде, но так плохо думать о такой передовой стране, как США — категорически недопустимо. Начиная с 80-х годов минувшего века персонал комплекса фиксирует факты попадания в баки SST воды «из внешних источников». Непонятно, что это такое? «Переводим» на понятный язык: в баки попадает дождевая вода и талый снег. При этом вода в баки как втекает чистая, так и вытекает, но уже радиоактивная. Мало того, в некоторых случаях дождевая вода «прикрывает» факты утечки, когда объем жидкости остается одинаковым, потому что «сколько прибыло, столько и убыло».

Хотите лучше понимать, сколь ловко американцы обходятся с радиоактивными отходами — вспоминайте школьные задачки «в бассейн втекает, из бассейна вытекает»… Да, наличие новых баков ситуацию не украсило, поскольку с 90-х годов в Хэнфорде фиксируются случаи попадания талых и дождевых вод между стальными стенками корпусов этих емкостей. Фиксирование дает самые разные результаты: есть баки, в которые в течение года попадает 40 литров «внешней» воды, но есть и такие, в которые заливается по 7 500 литров в год. Российским атомщикам о таких замечательных условиях работы остается только мечтать, ведь даже факты вот таких фиксаций не влекут за собой никаких «оргвыводов», процесс идет, как идет.

В требованиях к условиям «временной стабилизации», как именуется в инструкциях МЭ размещение жидких РАО в баках, не описаны действия, которые необходимо предпринимать в случаях, если временно стабилизированный бак перестает удовлетворять этим самым требованиям. Мало того, точные причины возникновения коррозии и протечек до сих пор точно не выявлены, сотрудники Хэнфорда оперируют гипотезами и предположениями.

Waste Treatment and Immobilization Plant

Сколько времени будет продолжаться этот, извините за резкое слово, бардак? Да кто ж его знает. В 2022 году в США должен начать работу комплекс WTP, Waste Treatment and Immobilization Plant, куда и должны будут доставляться для переработки и дальнейшего окончательного захоронения жидкие РАО Хэнфорда. Объект WTP предусматривает разработку технологии витрификации жидких РАО или, простыми словами — остекловывание жидких РАО. Но, если говорить более конкретно, то речь идет о жидких ВАО, высокоактивных отходах, накопленных в Хэнфорде.

Низко и средне активные жидкие отходы американцы перерабатывать научились путем их цементирования, но с ВАО такой способ не срабатывает, не выдерживают химические элементы высокую радиоактивность. На разработку этой технологии бюджет США ежегодно тратит около полумиллиарда долларов, еще столько же уходит на игру с бочонками в Хэнфорде. За время, минувшее с 1993 года, на освоение витризации потрачено 9,5 миллиардов — отличный результат, который несколько омрачает такая мелочь, как отсутствие хоть одного литра переработанного ВАО. За 500 миллионов долларов в год ведущие американские специалисты сумели продвинуться далеко вперед в деле компьютерного моделирования процесса, достигнув вершины творчества — 3D моделирования. Да, еще какая-то часть этих небольших сумм уходит на командировки в Россию, где на заводе «Маяк» витризация ВАО освоена еще в 1987 году. Эта тема, конечно, заслуживает отдельного рассказа, а пока ограничимся сухой строкой отчета «Маяка» 2013 года, то есть еще до начала эксплуатации электропечи ЭП-500/5 четвертого поколения:

«За 23 года работы отделения остекловывания в четырех последовательно вводимых в эксплуатацию электропечах остеклованы жидкие ВАО активностью 643 млн Ки, получено 6'200 т алюмофосфатного стекла»

Перенимание опыта американцами идет в невероятном темпе, введение в строй комплекса WTP было намечено на 2022 год. Именно «было», поскольку МЭ США еще в 2014 году со всей ответственностью и гордостью за проделанную работу сообщило, что «точная дата пуска WTP не может быть названа из-за технических неопределенностей». Предлагаем читателям завидовать молча, как это делает аналитический онлайн-журнал «Геоэнергетика.ru».

Что же произошло в Хэнфорде?

Ну, а теперь вернемся к инциденту 9 мая этого года. По счастливому стечению обстоятельств, провал-обвал произошел не там, где хранятся замечательные, ржавые и дырявые баки SST и DST, хотя первоначальные порции информации из Хэнфорда были составлены так, что приходилось опасаться самого страшного. «Самое страшное», что могло бы случиться, но не случилось — это обвал грунта над баком DST, причем над любым, они все там одинаково хороши. Один бак DST — это 4 миллиона литров или 4 тысячи кубометров жидких ВАО, в 13 раз больший объем, чем взорвавшийся в 1957 году бак в нашем Озерске. Какими могли бы быть последствия в этом случае, лучше даже не представлять.

В тоннеле №1 стояли 8 вагонов с радиоактивно загрязненным оборудованием, в тоннеле №2 — 28 вагонов. Стоят они там с 90-х годов, и, как отчитывается МЭ США, «периодически проверяются». 9 мая около 8:30 местного времени рабочие комплекса обнаружили обрушение участка размером примерно 6×6 метров перекрытия тоннеля №1 неподалеку от места его пересечения с тоннелем №2. На объекте была объявлена чрезвычайная ситуация уровня «Alert» (Внимание!), предполагающая, что персонал, не находящийся вблизи места инцидента, не подвергается опасности.

Спустя несколько часов, однако, ЧС переклассифицировали более высоким уровнем «Site Area Emergency» (чрезвычайная ситуация на площадке). Данный уровень предполагает, что опасность не выйдет за пределы объекта «Ханфорд», но для персонала, находящегося на объекте, присутствует опасность. Часть работников была временно эвакуирована. По результатам измерений было установлено, что выброса не произошло. На следующий день, 10 мая 2017 года, работники засыпали провал в насыпи над тоннелем. Работники в ходе операции использовали средства индивидуальной защиты (спецодежда, воздушные фильтры), а поливальная машина прибивала поднимавшуюся пыль.

Остается рассказать, что из себя представляют эти тоннели. Тоннель №1 был построен в 1956 году, внутри него проложена однопутная железная дорога, которая в настоящее время представляет из себя классический ж/д тупик. Тоннель №1 имеет прямоугольное сечение 5,8 мx6,7 м, его длина — 358 футов 110 метров. Стены тоннеля №1 — бетонные на участке длиной 30,5 метров, прилегающем к соединению с тоннелем №2, и деревянные на остальной длине. Сверху тоннель прикрыт слоем грунта примерно в 2,5 метра. Строительство тоннеля №2 было завершено в 1964 году. Его протяжённость составляет 515 метров. В тоннеле хватает места для 40 вагонов с отходами, однако в настоящее время в нём находится всего 28 вагонов.

Тоннель №2 отличается от первого тоннеля как формой, так и материалами — его делали уже более надёжным.

Отходы, хранящиеся в обоих тоннелях, представляют собой загрязнённое оборудование, а также промышленные отходы плутониевого завода и некоторых других зданий и лабораторий комплекса Хэнфорд. Некоторое оборудование помещено в контейнеры, однако значительная часть оборудования установлена непосредственно в вагоны без дополнительной защиты.

В тоннелях не хранятся делящиеся материалы или отходы переработки облучённого топлива. Однако содержимое тоннелей загрязнено как по изотопам плутония и америция, так и по изотопам ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. Кроме того, в отходах присутствуют барий, кадмий, хром, свинец, ртуть, серебро и соли серебра, масла и другие вещества. Суммарную активность в обоих тоннелях можно оценить только приблизительно. По некоторым оценкам, всего в тоннеле №1 содержится 20−30 тысяч кюри, а в тоннеле №2 — более 500 тысяч кюри. Конечно, хватало и куда более алармистских репортажей — о взорвавшихся емкостях, о тысяче сотрудников, приказом руководства запертых в подземных противоатомных бомбоубежищах (такие там тоже имеются, поскольку в годы холодной войны американцы всерьез опасались советской атомной бомбардировки Хэнфорда), о том, что в вагонах хранились непереработанные ТВЭЛы, но пока никаких серьезных подтверждений ни одно из подобного рода сообщений не получило.

Конечно, отсутствие официальной информации заставляет американцев нервничать, а прочих наблюдателей задумчиво почесывать затылки, но ничего поделать со стилем, принятым у «наших американских партнеров», мы с вами поделать не можем. Остается спокойно ждать дальнейшего хода расследования инцидента, в результате которого, возможно, появится и анализ причин произошедшего. Что, собственно говоря, случилось? Не выдержали бетонно-деревянные стены тоннеля №1 или же оказался размыт грунт под железнодорожными путями, остановлен ли провал окончательно или стоит опасаться продолжения — обо всем этом мы пока можем только догадываться и надеяться на пробуждение здравого смысла, при котором американцы перестанут заниматься компьютерным моделированием, бесконечными поездками в Челябинскую область, а просто купят наши, российско-советские технологии и приступят к окончательному решению проблем радиоактивных отходов легендарного комплекса Хэнфорд.

А сегодня рассказ об инциденте приходится заканчивать цитатой из заявления представителей антиядерной группы Beyond Nuclear Initiative, которые, комментируя аварию в Хэнфордском ядерном центре, заявили:

«Инцидент показал, что в Америке обращение с радиоактивными отходами выходит из-под контроля. Не работает система мониторинга, ситуация стремительно ухудшается, нет нормальной охраны, отсутствует надежное ограждение, если не считать забора из сетки-рабицы, а также знаков, предупреждающих о радиоактивной опасности и флажков, показывающих направление ветра».