Объяснение MIT Technology Review: позвольте нашим авторам распутать сложный и запутанный мир технологий, чтобы помочь вам понять, что будет дальше. Подробнее из этой серии можно прочитать здесь.

Способы обращения с ядерными отходами в настоящее время в мире столь же изобретательны, сколь и разнообразны: топить их в бассейнах с водой, заключать в сталь, закапывать на сотни метров под землю.

Эти методы позволяют атомной промышленности безопасно обращаться с 10 000 метрическими тоннами отработанного топлива, которые производят реакторы, производящие 10% мировой электроэнергии каждый год. Но по мере появления новых ядерных разработок они могут создать новые проблемы в сфере обращения с ядерными отходами.

Большинство действующих сегодня реакторов на атомных электростанциях работают по одной и той же базовой схеме: они питаются низкообогащенным ураном и охлаждаются водой, и в основном они гигантские и расположены на центральных электростанциях. Но большое количество новых конструкций реакторов, которые могут появиться в сети в ближайшие несколько лет, вероятно, потребуют доработок, чтобы гарантировать, что существующие системы смогут справиться с их отходами.

«Нет однозначного ответа на вопрос, облегчит ли этот арсенал новых реакторов и типов топлива управление отходами», — говорит Эдвин Лайман, директор по безопасности ядерной энергетики в Союзе обеспокоенных ученых.

Учебник по ядерной утилизации

Ядерные отходы можно условно разделить на две категории: низкоактивные отходы, такие как загрязненное защитное оборудование из больниц и исследовательских центров, и высокоактивные отходы, требующие более осторожного обращения.

Подавляющее большинство по объему представляют собой низкоактивные отходы. Этот материал можно хранить на месте и часто, как только его радиоактивность достаточно распадется, обращаться с ним как с обычным мусором (с некоторыми дополнительными мерами предосторожности). С другой стороны, высокоактивные отходы гораздо более радиоактивны и зачастую весьма горячие. Эта вторая категория состоит в основном из отработавшего топлива, комбинации материалов, включая уран-235, который является делящейся частью ядерного топлива — той частью, которая может поддерживать цепную реакцию, необходимую для работы атомных электростанций. Материал также содержит продукты деления — иногда радиоактивные побочные продукты расщепления атомов, выделяющие энергию.

Многие эксперты сходятся во мнении, что лучшим долгосрочным решением проблемы отработанного топлива и других высокоактивных ядерных отходов является геологическое хранилище – по сути, очень глубокая и очень тщательно управляемая яма в земле. Финляндия находится дальше всех, и ее планируют построить, а ее участок на юго-западном побережье страны должен быть введен в эксплуатацию в этом году.

США выделили место для геологического хранилища в 1980-х годах, но политический конфликт застопорил прогресс. Поэтому сегодня отработанное топливо в США хранится на действующих и закрытых атомных электростанциях. После того, как его извлекают из реактора, его обычно помещают во влажное хранилище, по существу погружая в бассейны с водой для охлаждения. Затем материал можно поместить в защитные контейнеры из цемента и стали, называемые сухими бочками, — этап, известный как сухое хранение.

Эксперты говорят, что отрасли не придется полностью переписывать этот сценарий для новых конструкций реакторов.

«То, как мы собираемся обращаться с отработавшим топливом, будет во многом таким же», — говорит Эрик Котрон, менеджер по исследованиям и стратегии в Nuclear Innovation Alliance, некоммерческом аналитическом центре, специализирующемся на атомной промышленности. «Я не сплю допоздна, беспокоясь о том, как мы будем обращаться с отработанным топливом».

Но новые конструкции и материалы могут потребовать некоторых инженерных решений. Существует огромное разнообразие конструкций реакторов, а это означает, что существует столь же широкий спектр потенциальных типов отходов, с которыми приходится обращаться.

Необычные отходы

Некоторые новые ядерные реакторы будут очень похожи на действующие модели, поэтому обращение с их отработавшим топливом будет во многом таким же, как и сегодня. Но другие используют новые материалы в качестве охлаждающих жидкостей и топлива.

«Необычные материалы создают необычные отходы», — говорит Сайед Бахауддин Алам, доцент кафедры ядерной, плазменной и радиологической инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн.

Некоторые передовые конструкции могут увеличить объем материала, с которым необходимо обращаться как с высокоактивными отходами. Возьмем, к примеру, реакторы, использующие топливо TRISO (триструктурно-изотропное). TRISO содержит урановое ядро, окруженное несколькими слоями защитного материала, а затем заключенное в графитовую оболочку. Графит, в котором заключен TRISO, вероятно, будет слит вместе с остальным отработанным топливом, что сделает отходы намного более объемистыми, чем нынешнее топливо.

Согласно отчету Альянса ядерных инноваций за 2024 год, сегодня разделение этих слоев будет трудным и дорогостоящим. Это означает, что вся упаковка будет относиться к высокоактивным отходам.

Компания X-energy занимается проектированием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов на топливе TRISO. Она уже представила планы обращения с отработавшим топливом в Комиссию по ядерному регулированию, которая курирует реакторы в США. Форма топлива действительно может помочь в утилизации отходов: защитные оболочки, используемые в TRISO, устраняют необходимость X-energy во влажном хранении, позволяя с первого дня использовать сухое хранение, по мнению компании.

Реакторы на жидком топливе, еще один новый тип, также могут увеличить объем отходов. В этих конструкциях топливо и теплоноситель не хранятся отдельно, как в большинстве реакторов; вместо этого топливо растворяется непосредственно в расплавленной соли, которая используется в качестве охлаждающей жидкости. Это означает, что со всем чаном расплавленной соли необходимо обращаться как с высокоактивными отходами.

С другой стороны, реакторы некоторых других конструкций могут производить меньший объем отработавшего топлива, но это не обязательно является меньшей проблемой. Например, быстрые реакторы достигают более высокого выгорания, потребляя больше делящегося материала и извлекая больше энергии из своего топлива. Это означает, что отработанное топливо этих реакторов обычно имеет более высокую концентрацию продуктов деления и выделяет больше тепла. И это тепло может стать убийственным фактором при разработке решений по утилизации отходов.

Отработанное топливо необходимо хранить относительно прохладным, чтобы оно не плавилось и не выделяло опасные побочные продукты. Слишком много тепла в хранилище может также повредить окружающую породу. «Тепло — это то, что действительно определяет, сколько вы можете поместить в хранилище», — говорит Пол Дикман, бывший сотрудник Министерства энергетики и NRC.

Некоторое отработанное топливо может потребовать химической обработки перед утилизацией, говорит Эллисон Макфарлейн, директор школы государственной политики и глобальных отношений Университета Британской Колумбии и бывший председатель NRC. Это может добавить сложности и затрат.

Например, в быстрых реакторах, охлаждаемых металлическим натрием, теплоноситель может попасть в топливо и сплавиться с его корпусом. Разделение может оказаться сложной задачей, поскольку натрий очень вступает в реакцию с водой, поэтому отработанное топливо потребует специальной обработки.

Натриевый реактор TerraPower, быстрый натриевый реактор, получивший разрешение на строительство от NRC в начале марта, предназначен для безопасного решения этой задачи, говорит Джеффри Миллер, старший вице-президент по развитию бизнеса TerraPower. У компании есть план продувать материал азотом перед его помещением в бассейны для влажного хранения, удаляя натрий.

Местоположение, местоположение, местоположение

Независимо от того, какие материалы используются, даже простое изменение размера реакторов и места их расположения может усложнить управление отходами.

Некоторые новые реакторы представляют собой, по существу, уменьшенные версии крупных реакторов, используемых сегодня. Эти небольшие модульные реакторы и микрореакторы могут производить отходы, с которыми можно обращаться так же, как с отходами современных традиционных реакторов. Но для таких мест, как США, где отходы хранятся на месте, было бы непрактично иметь массу небольших площадок, на каждой из которых хранятся свои собственные отходы.

Некоторые компании рассматривают возможность отправки своих микрореакторов и отходов, которые они производят, обратно в одно место, потенциально в то же место, где производятся реакторы.

Компании должны быть обязаны тщательно продумывать вопросы отходов и проектирования в протоколах управления, и они должны нести ответственность за отходы, которые они производят, говорит Макфарлейн из UBC.

Она также отмечает, что до сих пор планирование утилизации отходов основывалось на исследованиях и моделировании, и реальность станет ясна только после того, как реакторы начнут работать. По ее словам: «Этих реакторов пока не существует, поэтому мы не знаем многого, в мельчайших подробностях, об отходах, которые они собираются производить».

MIT Technology Review Explains: Let our writers untangle the complex, messy world of technology to help you understand what’s coming next. You can read more from the series here.

The way the world currently deals with nuclear waste is as creative as it is varied: Drown it in water pools, encase it in steel, bury it hundreds of meters underground. 

These methods are how the nuclear industry safely manages the 10,000 metric tons of spent fuel waste that reactors produce as they churn out 10% of the world’s electricity every year. But as new nuclear designs emerge, they could introduce new wrinkles for nuclear waste management.  

Most operating reactors at nuclear power plants today follow a similar basic blueprint: They’re fueled with low-enriched uranium and cooled with water, and they’re mostly gigantic, sited at central power plants. But a large menu of new reactor designs that could come online in the next few years will likely require tweaks to ensure that existing systems can handle their waste.

“There’s no one answer about whether this panoply of new reactors and fuel types are going to make waste management any easier,” says Edwin Lyman, director of nuclear power safety at the Union of Concerned Scientists.

A nuclear disposal playbook

Nuclear waste can be roughly split into two categories: low-level waste, like contaminated protection equipment from hospitals and research centers, and high-level waste, which requires more careful handling. 

The vast majority by volume is low-level waste. This material can be stored onsite and often, once its radioactivity has decayed enough, largely handled like regular trash (with some additional precautions). High-level waste, on the other hand, is much more radioactive and often quite hot. This second category consists largely of spent fuel, a combination of materials including uranium-235, which is the fissile portion of nuclear fuel—the part that can sustain the chain reaction required for nuclear power plants to work. The material also contains fission products—the sometimes radioactive by-products of the splitting atoms that release energy.

Many experts agree that the best long-term solution for spent fuel and other high-level nuclear waste is a geologic repository—essentially, a very deep, very carefully managed hole in the ground. Finland is the furthest along with plans to build one, and its site on the southwest coast of the country should be operational this year.

The US designated a site for a geological repository in the 1980s, but political conflict has stalled progress. So today, used fuel in the US is stored onsite at operational and shuttered nuclear power plants. Once it’s removed from a reactor, it’s typically placed into wet storage, essentially submerged in pools of water to cool down. The material can then be put in protective cement and steel containers called dry casks, a stage known as dry storage.

Experts say the industry won’t need to entirely rewrite this playbook for the new reactor designs.  

“The way we’re going to manage spent fuel is going to be largely the same,” says Erik Cothron, manager of research and strategy at the Nuclear Innovation Alliance, a nonprofit think tank focused on the nuclear industry. “I don’t stay up late at night worried about how we’re going to manage spent fuel.” 

But new designs and materials could require some engineering solutions. And there’s a huge range of reactor designs, meaning there’s an equally wide range of potential waste types to handle.

Unusual waste

Some new nuclear reactors will look quite similar to operating models, so their spent fuel will be managed in much the same way that it is today. But others use novel materials as coolants and fuels. 

“Unusual materials will create unusual waste,” says Syed Bahauddin Alam, an assistant professor of nuclear, plasma, and radiological engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign.

Some advanced designs could increase the volume of material that needs to be handled as high-level waste. Take reactors that use TRISO (tri-structural isotropic) fuel, for example. TRISO contains a uranium kernel surrounded by several layers of protective material and then embedded in graphite shells. The graphite that encases TRISO will likely be lumped together with the rest of the spent fuel, making the waste much bulkier than current fuel.

Today, separating those layers would be difficult and expensive, according to a 2024 report from the Nuclear Innovation Alliance. That means the entire package would be lumped together as high-level waste.  

The company X-energy is designing high-temperature gas-cooled reactors that use TRISO fuel. It has already submitted plans for dealing with spent fuel to the Nuclear Regulatory Commission, which oversees reactors in the US. The fuel’s form could actually help with waste management: The protective shells used in TRISO eliminate X-energy’s need for wet storage, allowing for dry storage from day one, according to the company.

Liquid-fueled molten-salt reactors, another new type, could increase waste volume too. In these designs, fuel and coolant are not kept separate as in most reactors; instead, the fuel is dissolved directly into a molten salt that’s used as the coolant. That means the entire vat of molten salt would need to be handled as high-level waste.

On the other hand, some other reactor designs could produce a smaller volume of spent fuel, but that isn’t necessarily a smaller problem. Fast reactors, for example, achieve a higher burn-up, consuming more of the fissile material and extracting more energy from their fuel. That means spent fuel from these reactors typically has a higher concentration of fission products and emits more heat. And that heat could be the killer factor for designing waste solutions. 

Spent fuel needs to be kept relatively cool, so it doesn’t melt and release hazardous by-products. Too much heat in a repository could also damage the surrounding rock. “Heat is what really drives how much you can put inside a repository,” says Paul Dickman, a former Department of Energy and NRC official.

Some spent fuel could require chemical processing prior to disposal, says Allison MacFarlane, director of the school of public policy and global affairs at the University of British Columbia and a former chair of the NRC. That could add complication and cost.

In fast reactors cooled by sodium metal, for example, the coolant can get into the fuel and fuse to its casing. Separation could be tricky, and sodium is highly reactive with water, so the spent fuel will require specialized treatment.

TerraPower’s Natrium reactor, a sodium fast reactor that received a construction permit from the NRC in early March, is designed to safely manage this challenge, says Jeffrey Miller, senior vice president for business development at TerraPower. The company has a plan to blow nitrogen over the material before it’s put into wet storage pools, removing the sodium.

Location, location, location

Regardless of what materials are used, even just changing the size of reactors and where they’re sited could introduce complications for waste management. 

Some new reactors are essentially smaller versions of the large reactors used today. These small modular reactors and microreactors may produce waste that can be handled in the same way as waste from today’s conventional reactors. But for places like the US, where waste is stored onsite, it would be impractical to have a ton of small sites that each hosts its own waste.  

Some companies are looking at sending their microreactors, and the waste material they produce, back to a single location, potentially the same one where reactors are manufactured.

Companies should be required to think carefully about waste and design in management protocols, and they should be held responsible for the waste they produce, UBC’s MacFarlane says. 

She also notes that so far, planning for waste has relied on research and modeling, and the reality will become clear only once the reactors are actually operational. As she puts it: “These reactors don’t exist yet, so we don’t really know a whole lot, in great gory detail, about the waste they’re going to produce.”