Светът се нуждае от много енергия. Технологичното развитие днес изисква много повече енергия, отколкото е произведена досега. Данните показват, че колкото по-голям е БНП, толкова по-голямо е производството и потреблението на енергия на глава от населението и колкото по-голямо е производството на енергия, толкова по-висока е продължителността на живота. Най-обичайното производство на енергия се основава на изгарянето на изкопаеми горива (дърво, въглища, нефт, природен газ), но тези природни ресурси скоро ще бъдат изчерпани или ще станат недостъпно скъпи. Настоящите оценки варират от около 50 до 150 години. Рано или късно ще се нуждаем от други форми на енергия. Може ли ядрената енергия да бъде отговорът?

Всички природни ресурси като геотермална енергия, вятърна енергия, слънчева енергия и т.н. включват високи разходи и поради непостоянния характер на вятърната или слънчевата енергия изискват мощна подкрепа под формата на надеждни базови енергийни системи. Водната енергия е важен и евтин енергиен източник, способен да работи стабилно като базова система, но нейните ресурси са ограничени и в много страни тези ресурси вече са изчерпани до краен предел.

Вече имаме страхотен, изключително ефективен (повече от всякой друг!) енергиен източник – а именно ядрената енергия. В момента около 16% от произвежданата в целия свят електрическа енергия е ядрена. Тази енергия може да покрие енергийните нужди на човечеството в продължение на хиляди години – и дори по-добре, изчислено е, че размножителните реактори могат да осигурят енергия за до няколко милиарда години! Общите разходи за производство на електрическа енергия от атомни електроцентрали, включително разходите за системите за безопасност, защита срещу разпространение на делящи се материали, бъдещо извеждане от експлоатация на реактора и разходите за обработка и защита на ядрените отпадъци, са доказано сред най-ниските сред различните енергийни източници.

Производството на ядрена енергия не причинява замърсяване на околната среда и не допринася за глобалното затопляне. Затова би било ужасно разхищение на ресурси, ако човечеството не използва широко ядрената енергия. Техническият проблем е да се използва по възможно най-безопасен начин. Например всеки 22 тона уран, използван за производство на електроенергия, спестява емисиите на около един милион тона въглероден диоксид, които биха се получили при еквивалентното използване на въглища.

Съществуват рискове, свързани с възможността за сериозна авария на реактора, йонизиращото лъчение, което се отделя, обработката на ядрени отпадъци и разпространението на делящи се материали. Оценката на тези рискове обаче е трудна задача, тъй като те не попадат в общата категория на „доброволните" рискове. Въпреки това, за приблизителна представа можем да разгледаме „смъртните случаи на произведена електрическа енергия". Конвенционалните добиви на въглища и аварии при нефтени кладенци, заедно с въздушното замърсяване, причинено от изгарянето на изкопаеми горива, водят до рисков фактор, около 40 пъти по-висок, отколкото при цялата ядрена промишленост – от добива на уран до потенциалните аварии на атомни електроцентрали взети заедно. Единична авария на язовир или проста авария в химически завод може да убие хиляди хора, докато в това, което вероятно е най-лошата (и много уникална) катастрофа в цялата история на ядрената енергетика – Чернобил – са загинали само 31 души, 28 от тях от голяма доза абсорбирана радиация. Цялата американска ядрена програма носи риск, подобен на повишаване на ограничението на скоростта по магистрала от 80 км/ч на 81 км/ч!

Графиката вляво илюстрира относителните рискове (измерени като смъртни случаи на ТВтч произведена енергия) на различни енергийни източници: (Източник на изображението: www.adamsmith.org)

По време на скорошната авария на ядрената централа Фукушима имаше масивно изхвърляне на радиоактивен материал в околната среда и експертите предвиждат, че ще има значително увеличение на случаите на рак сред местното население в следващите 50 години. Въпреки това броят на непосредствените жертви поради радиация е нула.

Вече знаем, че по време на делене се произвеждат радиоактивни ядра. Броят на неутроните в урана (143 или 146) далеч надвишава броя на протоните (92), което го прави сравнително стабилен (живота на ²³⁸U е 4,5 милиарда години, а животa на ²³⁵U е 1,3 милиарда години). В по-малките ядра соотношението неутрон-протон, необходимо за стабилен изотоп, е по-ниско. Така, когато ядрото се дели на по-малките, броят на неутроните във всеки фрагмент е по-голям от необходимия за стабилност. Това означава, че фрагментите от делене са нестабилни, тоест радиоактивни – и немалко от тях имат дълги животи.

В допълнение към фрагментите от делене, трансуранови елементи се произвеждат и чрез улавяне на неутрони в ядреното гориво. Нека бърз неутрон бъде уловен от ²³⁸U. Тогава, след два бета разпада, се образува ²³⁹Pu – делящ се елемент, служещ като гориво в размножителните реактори (тогава говорим за уран-плутониев цикъл). Обаче същият изотоп в реактор от тип PWR става ядрен отпадък. Трябва да се помни и, че по време на работа на реактора строителните материали на реактора се активират (типичен продукт на такова активиране е ⁶⁰Co) и трябва да се обработват правилно.

Класификация на ядрените отпадъци:

Тип	По обем	По радиоактивно съдържание
Отпадъци от висок клас	3%	95%
Отпадъци от среден клас	7%	4%
Отпадъци от нисък клас	90%	1%

Отпадъците от висок клас представляват само 3% от общия обем на отпадъците, получени от ядреното производство, но съдържат 95% от радиоактивността. Отпадъците от нисък клас представляват 90% от общия обем на радиоактивните отпадъци, но съдържат само около 1% от радиоактивността.

Ядрените отпадъци поставят сериозни технологични проблеми, които трябва да бъдат решени, за да се направи ядрената енергия безопасна за обществото. За разлика от въглищата, нефта или газа, ядреното гориво никога не изгаря напълно. Това се дължи на факта, че по време на процеса на „изгаряне" се образува редица ядра, които силно абсорбират неутрони. С течение на времето неутроните, произведени по време на делене, ще бъдат предимно абсорбирани от продуктите на по-ранни реакции. Умножаването на техния брой в един акт на делене няма да бъде достатъчно за поддържане на верижната реакция. Тогава горивният елемент не може да служи като гориво и се превръща в силно радиоактивен ядрен отпадък.

Освен това полуживотите на елементите, произведени при реакцията на делене, са често толкова дълги, колкото десетки или дори стотици хиляди години, така че трябва да се вземат специални мерки при съхраняването на такива отпадъци за много, много дълго време. Именно това създава сериозни социални, политически и регулаторни проблеми за обезвреждането на тези отпадъци.

В изследователски реактори, които не произвеждат толкова много изразходвано гориво, най-простият начин е да се използва резервоар с вода, обикновено поставен до басейна на реактора. Изразходваното гориво може да се съхранява толкова дълго, колкото позволява корозията в горивните касети, обикновено около 30-40 години. Междувременно температурата на изразходваните горивни пръти намалява и естествените процеси на разпад правят тяхната активност по-ниска. Трябва да минат още 40 или 50 години на съхранение преди активността на изразходваното гориво да стане достатъчно ниска, за да се изпрати до окончателното хранилище за ядрени отпадъци.

В случая с атомните електроцентрали могат да се прилагат подобни методи. Въпреки това, след няколко години на съхраняване на изразходваното гориво в резервоара с вода, горивото се прехвърля в преработвателни заводи, където може да претърпи химически процес, при който делящите се елементи (уран, плутоний и други трансуранови елементи) се извличат и евентуално се използват при производството на пресни горивни елементи. Останалият материал, предимно в течна форма, се витрифицира, поставя в огромни метални контейнери (казани) и се изпраща до хранилището. Тази технология не е много разпространена, тъй като изисква среда с висока технология. Ако изразходваното гориво не се преработва, то трябва да се съхранява директно в подходящи метални казани в специални хранилища дълбоко под земята: например в стари солни мини, глини или гранитни скали.

Съхраняването на ядрени отпадъци на дълбочина 500-1000 м под земята осигурява по-висока безопасност от повърхностното съхранение. Радиацията, излъчена след, да кажем, 1000-годишен период, ще бъде на нивото на естествената радиация в първите 1000 м от земната кора. Разбира се, ако се научим да трансмутираме и изгаряме ядрените отпадъци, проблемът ще стане още по-лесен за решаване. Дълбокото съхранение не представлява реална опасност за хората, живеещи близо до местата за съхранение, освен ако някой случайно не се опита да използва терена за друга цел и започне да сондира. Дори в такъв случай обаче опасността ще остане локална и със сигурност няма да достигне глобални размери.

Когато се обсъждат рисковете, свързани с промишлените ядрени отпадъци, често се забравя, че самата земна кора съдържа много радиоактивни елементи, които непрекъснато дифундират към повърхността и съставляват част от естествения радиоактивен фон.

Както илюстрира горната фигура, ядрените отпадъци допринасят само с малка част за фоновата радиация. Например всички радиоактивни отпадъци, натрупани до 2000 г., допускащи охлаждане за 500 години, ще показват активност, еквивалентна на естествената радиоактивност на парче почва с размери 30x30x2 км (2 километра е типичната дълбочина на подземно хранилище за отпадъци).

Започва се с добива на уранова руда. Рудата след това се трошет и смила на фин прах. Накрая преминава химически процес, позволяващ отделянето на урана от рудата. В резултат се получава уранов оксид U₃O₈. За работа на атомна електроцентрала, която генерира, да кажем, 1000 МВт електрическа мощност, се нуждаете от около 200 тона U₃O₈ годишно.

Следващата стъпка се състои в обогатяването на урана с ²³⁵U. Процесът започва с преобразуването на триурановия октоксид в газообразен уранов хексафлуорид (UF₆). Високоскоростни центрофуги се използват за разделяне на газа на две части: отстраняването на ²³⁸U прави единия поток обогатен с ²³⁵U, докато другият е обеднен с ²³⁵U. Първият ще бъде използван за производство на ядрено гориво, докато последният, „обеднен уран", може да се използва например в метална форма като много ефективна защита срещу гама лъчение.

След изгарянето на горивото в ядрен реактор, изразходваното гориво се съхранява, а след това или се преработва за извличане на делящите се елементи (²³⁵U и ²³⁹Pu), или се подготвя за дългосрочно съхранение без преработка.

Съществува силен стимул за намаляване, с коефициент 100 или повече, на обема и радиотоксичността на отпадъците от висок клас (HLW), предназначени за съхранение дълбоко под земята. Оказва се, че около 97% от изразходваното гориво може да бъде рециклирано, а останалото остава като силно радиоактивни ядрени отпадъци. Извлеченият уран съдържа около 1% ²³⁵U (т.нар. „обеднен уран"). В допълнение към геоложкото съхранение, има и интерес към технологиите за разделяне и трансмутация (P&T), които биха позволили отделяне на актиниди (по-специално Pu), т.нар. второстепенни актиниди (Np, Am и Cm) и някои продукти на делене с дълъг живот, трансмутирането им в краткоживеещи или дори стабилни продукти.

Автомобилен транспорт на изразходвано ядрено гориво в Япония (Източник на изображението: The Energy Library):

Противно на общоприетото схващане, транспортирането на изразходвано гориво не е опасно. Отбелязваме, че само в САЩ през последните 40 години са регистрирани около 3000 транспортирания на изразходвано гориво. Това гориво е транспортирано с камиони и влакове на обща дистанция от около 2,5 милиона километра без нито една произошедша авария. Също и в Европа не са случвали аварии по време на никое транспортиране на изразходвано гориво. Безопасността е до голяма степен гарантирана от тежки (~120 тона) стоманени казани, използвани при транспортирането. Типичните стени са с дебелина около 50 см – около 15 пъти повече от контейнерите, използвани за транспортиране на бензин. За всеки тон изразходвано гориво типично има три пъти повече материал, използван за контейнера и биологичната защита. Такива контейнери са изградени да издържат 30-минутен пожар и падане от 9 м върху бетон. Изградени са дори да издържат сблъсък с реактивен самолет! Всеки контейнер никога не съдържа повече от 9-12 горивни елемента. По-наскоро конструкцията на казаните е започнала да се модифицира, за да ги направи устойчиви на възможни терористични атаки.

В допълнение към ядрените отпадъци, произвеждани от ядрени реактори и военна дейност, ядрени отпадъци се произвеждат навсякъде, където се използват източници на ядрено лъчение. Те идват от болници (с отделения за ядрена медицина и лъчетерапия), от университетски и промишлени изследвания, от промишлено използване на източници (например в хартиената промишленост, в уранови и въглищни мини, детектори за дим и т.н.). За разлика от изразходваното гориво, тези отпадъци са изцяло с ниска или средна активност и предимно с разумно кратки животи. Такива отпадъци обикновено се компактират преди да бъдат окончателно складирани в специални контейнери, предотвратяващи изтичането на радиоактивен материал в околната среда.

Съществуват някои възможни алтернативи на дългосрочното съхранение на ядрени отпадъци. Трансмутацията е процес на трансформиране чрез улавяне на неутрони на дълготраен радиоактивен изотоп в друг с по-кратък полуживот или евентуално дори стабилен. За разлика от нея, изгарянето е процес, при който улавянето на неутрони води до образуването на изотоп, разпадащ се до стабилен елемент чрез делене. Провежда се обширна работа с цел да се направят и двата вида реакции търговски ефективни. Системите, задвижвани от ускорители, и концепцията за т.нар. енергиен усилвател ни дават надежда, че ядрените отпадъци, натрупани досега, и тези, които ще бъдат произведени, биха могли да бъдат преобразувани в краткоживеещи отпадъци, по-лесни за съхранение.