Ядерное топливо

11 марта 2011 года у побережья Японии произошло крупнейшее в истории страны Великое восточно-японскоеземлетрясение и вызванное им цунами. В результате погибло и пропало без вести почти 20 тысяч человек, было разрушено около миллиона домов, около полумиллиона человек были вынуждены эвакуироваться.

Но для многих главным событием тех дней стала авария на АЭС Фукусима Дайчи, крупнейшая авария на атомной станции после Чернобыльской катастрофы. Цунами обесточило станцию, вызвало перегрев реакторов и последовавшие за ним взрывы трех энергоблоков в течение 12-15 марта. Как физик-ядерщик я наблюдал за событиями тех дней, переживая за людей в Японии и коллег по отрасли на станции. Многое уже написано о причинах аварии и событиях тех дней. Но в своей статье я хочу рассказать не об этом, а о последствиях аварии для людей, окружающей среды и мировой атомной отрасли, и о том что сделано за эти 10 лет.

1. Выброс, загрязнение территории и океана

Основные выбросы радиоактивных веществ произошли в первые две недели аварии. Они начались через сутки после цунами и обесточивания АЭС, и были связаны с последовательными взрывами на блоках 1 (12 марта), 3 (14-го) и 2 (15-го). При этом до 15 марта выброс шел в сторону моря. Туда же сливалась вода, направляемая для охлаждения реакторов. Поэтому до 80% выбросов с АЭС Фукусима попали в океан, а не на сушу.

В отличие от Чернобыля, на Фукусиме были разрушены 3 реактора, а не один. Однако их активные зоны не взрывались, поэтому в выбросах практически не было трансурановых элементов и частичек топлива, а были в основном летучие компоненты и благородные газы. Главные из них которых с точки зрения угрозы здоровью это йод (в основном I-131) и цезий (в основном Cs-137). Первый имеет период полураспада всего 8 суток и опасен на ранних стадиях аварии. Второй имеет период полураспада 30 лет и определяет длительные загрязнения. Суммарный выброс I-131 (до 200 ПБк) и Cs-137 (до 16 ПБк) составили около 10-15% от чернобыльских выбросов.

Основное загрязнение территории это след выпадений на северо-запад от АЭС на расстоянии около 40 км. При этом площадь территории с загрязнением более 185 кБк/м2 (или 5 Ки/км2) составила в 2011 году около 1700 км2 6% от площади загрязнения такого же уровня после Чернобыля). Из них 75% леса, около 20% сельхозугодия и 5% территории населенных пунктов. К 2014-му площади такого загрязнения сократились до 600 км2.

Выбросы Cs-137 в океан через атмосферу оцениваются в 5-8 ПБк. (Отчет МАГАТЭ, стр 38), и еще от 1 до 6 ПБк Cs-137 попало в океан путем прямых сбросов с территории станции во время аварии.

Но тут важно помнить, что цезий в океане был и до Фукусимы. Это искусственный радионуклид, но "благодаря" атмосферным испытаниям ядерного оружия (частично я об этом писал в прошлой статье про ядерное разоружение), в мировом океане его скопилось уже более около 300 ПБк. А конкретно в северной части Тихого океана около 70 ПБ, т.е. минимум в 5 раз больше, чем добавила Фукусима.

На схеме выше видно, что сброшенный Cs-137 довольно быстро разбавился до концентраций 1 Бк/м3 и ниже. Доаварийный уровень содержания Cs-137 в морской воде был около 3 Бк/м3. Для сравнения, норматив для питьевой воды по требованиям Всемирной организации здравоохранения в 3000 раз выше до 10000 Бк/м3 (10 Бк/л). Так что следы фукусимского цезия, конечно, с хорошими приборами можно обнаружить и у берегов США, но опасность для здоровья людей он не представляет.

Впрочем, цезий может накапливаться в рыбе. Поэтому поначалу рыболовство в районе АЭС вообще было запрещено, а потом вся продукция подвергалась тщательному контролю. Хотя цунами и без того нанесло ущерб рыбакам, уничтожив 10% от всех рыболовных судов Японии. Однако уровень содержания цезия в образцах рыбы с годами снижался. Если после аварии до 57% отобранных проб показывали превышение японских нормативов в 100 Бк Cs-137 на килограмм сырого веса рыбы, то уже с апреля 2015-го таких превышений не обнаружено (см. статью и картинку из нее ниже), а в большинстве образцов содержание цезия было ниже 5 Бк/кг. При этом рекомендации ВОЗ по содержанию цезия в еде, даже для детей до 1000 Бк/кг. Поэтому ограничения на вылов рыбы в префектуре в итоге были полностью сняты.

Но все эти цифры как обычно не сильно важны широкой общественности, поскольку до сих пор в отношении всей продукции из префектуры Фукусима существуют опасения как внутри Японии, так и за рубежом. До 10% японцев до сих пор предпочитают не покупать продукты из префектуры Фукусима. А в 6 странах до сих пор запрещен импорт продуктов из Японии, еще в 9 они проходят проверку. Хотя 39 стран сняли введенные ранее ограничения. Вылов морепродуктов в префектуре пока восстановился лишь на 12% от доаварийного.

2. Жертвы и пострадавшие

В первые дни после аварии были эвакуированы жители в радиусе 20 км вокруг АЭС, а затем дополнительно и жители загрязненных районов вне этого участка. Все они находятся внутри префектуры Фукусима. Всего же из префектуры с населением 1,8 млн человек по всем причинам, из-за цунами, землетрясения и аварии на АЭС, было эвакуировано 164 тыс. человек. По всей же Японии суммарно было эвакуировано 470 тыс. человек в трех провинциях. Постепенно территории очищали и восстанавливали. На сегодняшний момент около 130 тыс. эвакуированных в провинции Фукусима уже вернулись обратно.

При этом сам процесс эвакуации штука не только сложная, но и опасная. Во время самого цунами в префектуре Фукусима погибли 1829 человек. Но еще 2259 жертв относят к так называемым связанным с катастрофой смертям это погибшие позже из-за стресса или медицинских осложнений, вызванных эвакуацией. В основном это пожилые люди и/или пациенты больниц. При этом 573 случаев из них связывают с эвакуацией из-за аварии на АЭС. В некотором смысле эвакуация убила больше людей, чем сама авария и риск облучения. А он на самом деле был не так уж и велик.

По различным оценкам, включая данные Всемирной организации здравоохранения, эвакуированные в первые дни после аварии могли получить дозы до 6 мЗв, эвакуированные позже до 10 мЗв. Это для взрослых и это консервативные оценки. Для детей оценка дозы в два раза выше. При этом дозы от природных источников в Японии составляют около 2,1 мЗв/год, и еще столько же от медицинских процедур. Т.е. средний японец и без всякой Фукусимы получает около 4 мЗв в год или порядка 200-300 мЗв за всю жизнь. Кстати, критерием для отселения территорий была величина дополнительной дозы в размере 20 мЗв, получаемая при проживании на ней в течении жизни.

Таким образом, радиационное воздействие от аварии на население получилось небольшое, сопоставимое с обычными дозами от природных источников. До сих пор, даже спустя 10 лет многочисленных исследований, как отмечается в свежем отчете Научного комитета по действию атомной радиации ООН, нет никаких свидетельств наличия негативных последствий для здоровья жителей префектуры Фукусима, связанных с радиационным воздействием от аварии.

А что с ликвидаторами? Среди рабочих и сотрудников АЭС во время прихода цунами на станцию 11 марта погибли двое рабочих. Однако из-за облучения никто во время аварии не погиб. Так же не было ни одного случая заболевания лучевой болезнью. Для сравнения, в Чернобыле 28 человек погибли от переоблучения в первые же недели, более 130 получили лучевую болезнь.

Из около 25 тыс. работников компании TEPCO (оператора АЭС Фукусима-Дайчи) и подрядных организаций, занимавшихся ликвидацией последствий аварии, средние полученные дозы составили 12 мЗв (UNSCEAR 2013 Report, стр 2018). 173 человека получили дозы более 100 мЗв, шестеро более 250 мЗв (норматив для чернобыльцев в первые годы аварии) до 680 мЗв. Но и эти дозы ниже уровней, представляющих непосредственную угрозу здоровью в виде детерминированных эффектов или начала лучевой болезни (от 1000 мЗв).

За всеми работниками ведется наблюдение и регулярные медосмотры. Однако ожидается, что как и для населения, среди ликвидаторов статистически не удастся выявить повышение частоты рака над обычным уровнем из-за малой выборки и низких доз (ВОЗ). А в каждом конкретном случае отличить радиационно-индуцированный рак от спонтанного невозможно. Тем не менее, специальная комиссия рассматривает случаи возникновения заболеваний среди ликвидаторов для определения связи их с облучением и выделения компенсаций. Связанными с облучением уже признаны три случая заболевания лейкемией. В 2018 году был признан первый связанный с аварийным облучением смертельный случай от рака легкого. Впрочем, сторонними экспертами связь его с облучением ставится под сомнение.

3. Площадка АЭС и проблемы с радиоактивной водой

На самой станции активно идут работы по подготовке АЭС к выводу из эксплуатации. В 2014-м году было выгружено топливо из аварийного блока 4, а буквально пару недель назад, 28 февраля, была завершена выгрузка топлива из бассейна выдержки на блоке 3. Как это делали лучше посмотреть в этом ролике:

К 2028 году планируется выгрузить и разместить в безопасном хранилище топливо из остальных блоков. Но несмотря на уникальность операции по извлечению топлива из аварийных блоков, это все же событие более интересное для специалистов. Как и обращение с твердыми отходами, образующимися при очистке загрязненных территорий вне и на станции. Хотя это и серьезная по масштабам задача, но опыт и технологии для ее решения имеются. К 2028 году все их планируют переработать и разместить в специализированных хранилищах. Так что не буду перегружать статью их описанием.

Но вот главная проблема вокруг Фукусимы, которая волнует общественность в последние годы и которая весьма специфична для этой аварии это обращение более чем с миллионом тонн загрязненной воды, накопленной на площадке АЭС. И волнует она общественность потому, что ее предполагается слить в океан.

Очень хорошее и понятное описание процесса образования этой воды уже сделал Валентин Гибалов (tnenergy), рекомендую почитать его статью на хабре "Водные преграды TEPCO".

Я лишь коротко поясню, что с самого начала аварии в марте 2011-го главной проблемой на АЭС Фукусима-Дайчи было охлаждение реакторов. Его недостаток из-за обесточивания станции, вызванного цунами, привел к расплавлению топлива в трех реакторах, образованию водорода и взрыву гермооболочек трех энергоблоков. Для охлаждения реакторов в них и заливали воду, сначала морскую, а затем пресную. Но из-за негерметичности конструкций в разрушенные здания постоянно подтекает грунтовая вода, стекающая через площадку АЭС в сторону океана. Попадая в здания АЭС она загрязняется, поэтому ее приходится откачивать и очищать. Постепенно объем этой добавки удалось снизить с 540 м3 в сутки в 2014-м до около 140 м3 в сутки сейчас. К 2025 году ее собираются снизить до 100 м3/сутки. Но в итоге суммарный объем воды, прошедшей частичную очистку, только накапливался (см картинку ниже отсюда).

В результате, к текущему моменту на площадке АЭС накоплено более 1 200 000 м3, собранных примерно в 1000 контейнерах. И ожидается, что к 2022 году места для хранения просто не останется. Эта вода прошла многоступенчатую очистку, благодаря чему из нее удалены 62 вида радионуклидов. 30% ее даже уже отвечают всем нормативам (кроме содержания трития). Но 70% имеют превышения по некоторым нуклидам и помимо трития.

Что такое тритий? Это изотоп водорода, т.е. этот тот же атом водорода, но с парой лишних нейтронов в ядре. Поэтому он не накапливается в организме или в каком-то органе, а участвует в обмене веществ как и водород, в основном в составе воды. Он радиоактивен, но не сильно. Это мягкий бета-излучатель, поэтому его излучение еще и экранируется окружающей водой. А несмотря на период полураспада в 12,3 года, его период полувыведения из организма всего 10 дней. Поэтому тритий гораздо менее опасен для организма чем, например, цезий-137. Это видно и по рекомендациям ВОЗ по допустимому содержанию трития в питьевой воде в 10 000 Бк/л, в то время как у цезия-137 оно всего 10 Бк/л.

К тому же тритий это природный радионуклид. Ежегодно под действием солнечных и космических лучей его на Земле образуется 70 000 ТБк. А общий запас трития в хранилищах на Фукусиме 860 ТБк, т.е. менее 1% этой величины, и это накоплено за 10 лет.

При этом среднее содержания трития в воде хранилищ Фукусимы около 700 000 Бк/л, всего в 11 раз выше требований японских регуляторов для сброса в океан 60 000 Бк/л. Не сильно выше норматива для питьевой воды, но сильно ниже отнесения к радиоактивным отходам (1 млн. Бк/л). Такое требование регулятора появилось не на пустом месте. Оно действовало и до аварии. На самом деле сброс трития делают все АЭС в штатном режиме в допустимых регуляторами пределах, которые рассчитываются исходя из минимальной дозовой нагрузки на окружающую среду и людей.

Поэтому та же АЭС Фукусима-Дайчи в 2010 году, до аварии, спокойно сливала в океан суммарно около 2,2 ТБк воды с тритием. При том что регулятор разрешал в 10 раз больше 22 ТБк в год. Если сбросить весь объем воды с тритием Фукусимы за один год то это даст дозу для местных жителей в 0,8 мкЗв. Это доза, которую они получают от природных источников за 3 часа.

И такие штатные сбросы осуществляют все АЭС от десятых долей до сотен ТБк в год. А перерабатывающие заводы и того больше. Вот лишь некоторые примеры объемов сбросов для АЭС и заводов:

Поэтому если бы Фукусима сливала по те же 22 ТБк в год, как разрешал регулятор до аварии без всяких угроз для населения, то от запасов трития можно было бы избавиться за 40 лет. С учетом того что после аварии все АЭС Японии были остановлены и сброс трития с них прекратился запасы трития на Фукусиме это лишь малая часть от того, что могло бы быть сброшено в океан у Японии по всем нормативам за эти 10 лет.

Похожая же история и с углеродом-14 (C-14). Гринпис рассказывает о нем страшное, как и про тритий что он может изменить человеческую ДНК. Но дело как обычно в цифрах, поскольку риск мутаций связан с дозой, а значит с количеством радионуклида, попавшего в организм, а не с самим фактом его попадания. На самом деле он в нас с самого рождения, и даже с зачатия. В теле 70-кг человека содержится около 3000 Бк C-14. Т.е. каждую секунду в нашем теле распадается с испусканием бета-частиц 3000 атомов углерода-14. Всю жизнь. Что дает нам прибавку по 10 мкЗв в год. Но больший вклад дает другой природный нуклид калий-40, которого в каждом из нас по 5000 Бк, и от которого мы получаем более 200 мкЗв в год.

Но вернемся к фукусимским цифрам. Содержание C-14 в воде хранилищ от 2 до 220 Бк/л. Норматив ВОЗ для питьевой воды 100 Бк/л. Ну т.е. это не всегда питьевая вода, но явно всегда ниже нормативов для сброса в океан. Но даже если в течение года ежедневно пить по 2 л воды с 220 Бк/л С-14, вы получите максимум 100 мкЗв, что ниже, чем вы получаете от содержащегося в организме калия-40. Общее же содержание C-14 в хранилищах Фукусимы называется в 63,6 ГБк. В атмосфере Земли благодаря космическому излучению такое количество C-14 синтезируется (считай - сбрасывается для изменения человеческой ДНК) каждые 40 минут.

Впрочем, это все рассуждения о средних величинах. Как показано выше, воды имеют разный состав, и помимо трития отвечают критериям для сброса лишь 30% их объема. В остальных есть и другие радионуклиды, превышающие нормативы.

Поэтому выбор не стоит между необходимостью резко слить миллион тонн воды в океан или этого не делать. Нужен дифференцированный подход к водам разного состава. Грубо говоря для наиболее чистых, которых больше всего по объему, можно рассматривать вариант контролируемого сброса, растянутого по времени для освобождения емкостей, с обоснованием безопасности процесса. А более грязные нужно доочищать, либо искать иные способы утилизации. В отчете TEPCO в прошлом году они рассматриваются это может быть выпаривание, электролиз или закачки в геологические формации. Кстати, опыт последнего имеется у России, я писал о нем отдельную статью ссылка. Но насколько я понимаю, в приоритете (см платы METI) все же вариант доочистки вод от всех радионуклидов, а затем разбавление для выполнения нормативов по тритию и сброс.

Так что в целом, проблема сброса вод в техническом плане несколько сложнее чем представляется публике, но в большей степени носит политический характер. Так что дело за регуляторами и решением правительства Японии. Ну и грамотностью населения.

4. Последствия для экономики и энергетики Японии

Общие затраты Японии на ликвидацию последствий аварии на АЭС Фукусима-Дайчи по данным японского правительства могут составить около 188 млрд. долларов. Из них около 70 млрд $ выплаты компенсаций, около 45 млрд. $ расходы на очистку территорий и обращение с отходами. При этом вклад самой компании TEPCO составляет около 140 млрд.$, а других энергетических компаний около 30 млрд $. Сама компания TEPCO чтобы избежать банкротства была вынуждена перейти под контроль государства.

Прямые экономические потери от землетрясения и цунами в 2011 году для Японии составили более 200-320 млрд. долларов, без учета ядерной аварии. Правда в тех же оценках потери от Фукусимы оценивались в 60-70 млрд, а потом выросли.

До аварии в Японии обладала развитой атомной энергетикой 54 энергоблока АЭС давали 30% всей электроэнергии. Планировалось к 2030 году довести эту долю до 50%. Но после аварии все АЭС были остановлены до проведения проверок, стресс-тестов, модернизации с повышением безопасности и получения разрешения на перезапуск от местных жителей. Около 20 энергоблоков были окончательно выведены из эксплуатации. Действующее правительство хотело вообще пойти на отказ от атомной энергетики, но в итоге проиграло выборы.

Возникший дефицит электроэнергии в 2011 году (до 40%!) перекроил энергетику Японии, и без того бедную на ресурсы, на большее использование завозного угля, газа и нефти. Сейчас Япония является крупнейшим в мире импортером сжиженного природного газа, потребляя его больше, чем вся Европа целиком. К 2015 году доля сжигаемого топлива в энергобалансе Японии выросла до 88% по сравнению с 62% в 2011, а затраты на топливо после закрытия АЭС выросли в полтора раза. Несмотря на усилия по развитию возобновляемой энергетики, ни она, ни импорт зарубежного топлива пока не очень выгодны ни с экономической точки зрения, ни с точки зрения сокращения выбросов и достижения цели углеродной нейтральности экономики к 2050 году.

Утвержденный в 2015 году план развития энергетики Японии предполагает восстановление доли атома до 20-22% к 2030 году. Для этого надо будет запустить в работу оставшиеся 33 энергоблока и построить новые. С 2013 года энергоблоки стали перезапускать и сейчас работают уже 9 из них, вырабатывая 6% электроэнергии Японии.

5. Последствия для мировой атомной энергетики

Помимо Японии, другие страны имеющие АЭС тоже провели их стресс-тесты по переоценке безопасности и устойчивости на случай природных катастроф. В России в том числе. Даже на ближайшей ко мне Белоярской АЭС на всякий случай установили дополнительные мобильные генераторы (их отсутствие на Фукусиме повлияло на ход аварии), хотя до ближайшего океана почти полторы тысячи километров.

Из атомных технологий, на которые повлияла авария, можно наверно выделить три. Это большее внимание к разработкам толерантного топлива - менее склонного к пароциркониевой реакции при авариях с потерей охлаждения. Именно из-за такой реакции образовывался водород на энергоблоках Фукусимы, а затем взрывался. Впрочем, по борьбе с ним есть много других направлений, например специальные дожигатели водорода, которые ставятся в реакторых залах новых российских энергоблоков. Второе направление малые модульные реакторы с повышенной безопасностью. Но и они развивались до Фукусимы. Третье направление ионоселективная сорбция для очистки жидких радиоактивных отходов. Это то, чем очищают воду на Фукусиме и это реально сильно выстрелившее направление за последние годы. Сам в нем успел поработать. Но в целом атомная отрасль очень консервативна, так что технологические изменения тут идут медленно.

Как ни странно, но авария на АЭС Фукусима, вторая по величине после Чернобыля, не оказала принципиального влияния на развитие мировой атомной энергетики за пределами Японии. Да и в самой Японии, несмотря на резкий спад атомной отрасли, остается стратегическая задача по ее сохранению и развитию.

Ряд стран вроде Германии и Бельгии лишь ускорили свои планы по отказу от атомной энергетики, которые у них были и до 2011 года. Крупные атомные страны, США, Великобритания, Франция, Россия, а так же Финляндия, Чехия, Венгрия, рассматривают атомную энергетику как важную часть своей будущей низкоуглеродной экономики и не собираются от нее отказываться. Бурными темпами строит АЭС Китай, планируя в ближайшие 5 лет увеличить мощности АЭС с 50 до 70 ГВт. За последние 10 лет построили у себя первые АЭС Объединенные Арабские Эмираты, Белоруссия, строят Бангладеш, Турция, планирует строить Польша. Пожалуй единственной страной, политику которой Фукусима развернула, стала Италия. После Чернобыля она свернула свою атомную энергетику, но перед Фукусимой планировала ее восстановить. После аварии эти планы отложили.

Несмотря на спад атомной генерации в Японии, мировое производство электричества на АЭС уже вернулось на дофукусимский уровень.

Так что в гораздо большей степени, чем авария на АЭС Фукусима, на развитие атомной отрасли в мире влияют экономические факторы, доступность ресурсов и климатические соображения.

Ну а я надеюсь что мифов, заблуждений и страхов, связанных с этой аварией, по крайней мере у прочитавших мою статью, будет чуть меньше.

А в конце хочу напомнить, что даже с учетом жертв Фукусимы и Чернобыля, атомная энергетика остается одной из наиболее безопасных форм производства электроэнергии:

Ссылки и источники:

Сайт префектуры Фукусима с описанием мер по реабилитации (ссылка) и презентация.

Why The Cancer Death Of A Fukushima Worker Was Likely Not Due To Fukushima (Forbes, 2018)

It's Really OK If Japan Dumps Radioactive Fukushima Water Into The Ocean (Forbes, 2019)

Comparison of the Chernobyl and Fukushima nuclear accidents: A review of the environmental impacts

Обновление данных по Фукусиме на сайте МАГАТЭ

Отчет TEPCO по сбросу воды "The Subcommittee on Handling of the ALPS Treated Water Report"

Current Status of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. April 2020 (презентация японского правительства)