Оценка времени достижения радиационной и радиологической эквивалентности радиоактивных отходов и природного уранового сырья при полном замещении тепловых реакторов быстрыми реакторами в 2130 г.

В 1955 г. после проведения испытаний водородной бомбы в СССР и США ООН приняла решение о создании Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН). В настоящее время основными международными организациями, ориентированными на проблему радиационной защиты населения и персонала, являются: НКДАР ООН (заключения), МКРЗ (рекомендации) и МАГАТЭ (стандарты).

В 1954 г. после атомных бомбардировок в 1945 г. городов Хиросима и Нагасаки в Японии был создан регистр «хибакуси» (лиц, переживших атомную бомбардировку этих городов) численностью 92 тыс. человек. Регистр «хибакуси» функционирует до настоящего времени (около 15% членов регистра живы), затраты на проведение эпидемиологических исследований по выявлению зависимости «доза-эффект» превысили 10 млрд долларов.

Модели радиационно-обусловленного канцерогенеза

Используя основные выводы японского регистра НКДАР ООН в 1975 г. вводит понятие эффективной дозы (Зв) как меры риска возникновения отдалённых канцерогенных последствий облучения. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на

соответствующие взвешивающие коэффициенты. К 1975 г. японский регистр «хибакуси» функционировал только 20 лет, поэтому оценки взвешивающих коэффициентов выполнены с высокой степенью неопределённости (например, мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, щитовидная железа имеют одинаковый взвешивающий коэффициент - 0,05).

В 2007 г., когда время функционирования японского регистра «хибакуси» уже превысило 50 лет, были получены и опубликованы в международных журналах новые эпидемиологические данные по зависимости «доза-эффект» [1-3] (рис. 1, 2), МКРЗ выпускает рекомендации (Публикация 103), которые существенно заменяют предыдущие выводы этой организации [4].

Рис. 1. Хиросима-Нагасаки: избыточный относительный риск рака [1].

Рис. 2. Хиросима-Нагасаки: избыточный относительный риск рака в зависимости от возраста при облучении [1].

Как видно из представленных данных (рис. 1,2), по японской когорте получены новые принципиальные данные о половозрастной зависимости «доза-эффект» и высокой степени неопределённости при облучении малыми дозами (до 100-150 мЗв). Эти выводы до настоящего времени не получили отражения в действующих в стране Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) [5].

Принципиальным вопросом в новом документе МКРЗ является введение понятия пожизненного атрибутивного риска (Lifetime Attributable Risk - LAR), описывающего зависимость «доза-эффект» с учётом основных заключений эпидемиологических исследований в Хиросиме-Нага-саки. При этом были уточнены основные параметры зависимости радиационного канцерогенеза от локализации опухоли (табл. 1). Было также подчёркнуто [4], что именно органные, а не эффективные дозы требуются для оценки вероятности радиационно-обусловленных канцерогенных эффектов (рис. 3).

Пожизненный атрибутивный риск (LAR) описывает пожизненное избыточное число смертей (или случаев заболеваний) в облучённой популяции по сравнению с необлучённой. Для однократного облучения в возрасте е с эквивалентной дозой Н т в органе или ткани T пожизненный атрибутивный риск заболеваемости от злокачественных новообразований локализации T определяется формулой:

LAR(s, е, Н т ) = X ¹_a°^ EAR(^s, е, а, Н _т) • S _T (e, а)], (1)

где s - пол; е - возраст при облучении; Н т - эквивалентная доза в органе или ткани T ; EAR -избыточный абсолютный риск смерти в возрасте а при облучении ткани T дозой Н т в возрасте е для лиц пола s ; S t - функция здорового дожития (без злокачественных новообразований с локализацией в T ) от возраста е до возраста a .

В табл. 1 приведены конкретные параметры по оценке канцерогенного риска на основе данных Хиросима-Нагасаки. С учётом этих данных представлена формула по оценке избыточного абсолютного риска (EAR):

^ш(с)         vfcl'\^^^⁽®^-^*’⁾

EAR(s,c,g,a,d) = d^(s,cy(^)   •(1+^)        ,              (2)

где s – пол; c – локализация опухоли; g – возраст при облучении; a – возраст, на который рассчитывается риск (возраст дожития); d - эквивалентная доза облучения; в , V Y — параметры аддитивной модели.

Таблица 1

Параметры моделей радиационного риска (LAR) по органным дозам (МКРЗ, Публикация 103 [4])

Локализация опухоли	Пол	β , 10 -4 ×Зв -1	γ	ω
Все солидные	муж. жен.	43,20 59,83	-24	2,22
Пищевод	муж. жен.	0,48 0,66	64	2,38
Желудок	муж. жен.	6,63 9,18	-24	2,38
Толстая кишка	муж. жен.	5,76 2,40	-24	2,38
Печень	муж. жен.	4,18 1,30	-24	2,38
Лёгкое	муж. жен.	6,47 8,97	1	4,25
Молочная железа Яичник	жен. жен.	10,9 1,47	-39 -24	3,5* 2,38
Мочевой пузырь	муж. жен.	2,00 2,77	-11	6,39
Щитовидная железа	муж. жен.	0,69 2,33	-24	0,01
Остальные солидные	муж. жен.	7,55 10,45	-24	2,38

* Для рака молочной железы ω =1 при возрасте дожития больше 50 лет.

Рис. 3. Основополагающие принципы безопасности МАГАТЭ и Публикация 103 МКРЗ.

На рис. 4 показано на примере радионуклидов 210Po и 230Th, что при равных ожидаемых эффективных дозах (1 мЗв) канцерогенный риск может отличаться почти на порядок за счёт раз- ного дозового распределения по органам и тканям и их радиочувствительности [6-8].

Рис. 4. Пожизненный атрибутивный радиационный риск (LAR).

В Основополагающих принципах безопасности МАГАТЭ (рис. 3) вводится Принцип 7: Защита нынешнего и будущих поколений [9]. А в Объединённой конвенции о безопасности обращения с радиоактивными отходами, ратифицированной Федеральным законом РФ от 4 ноября 2005 г. № 139-ФЗ указано, что следует «стремиться избегать действий, имеющих обоснованно предсказуемые последствия для будущих поколений, более серьёзные, чем те, которые допускаются в отношении нынешнего поколения» [10]. Этот документ имеет особое значение, т.к. существует неблагоприятный прогноз по накоплению облучённого ядерного топлива (ОЯТ) в мире (к 2040 г. ожидается накопление более 550 тыс. т ОЯТ). Поэтому задачей первостепенной важности становится достижение радиационной и радиологической эквивалентности радиоактивных отходов (РАО) и природного уранового сырья. При этом в данной статье радиационной эквивалентностью называется выравнивание ожидаемых эффективных доз облучения от РАО и природного уранового сырья за счёт замыкания топливного цикла с сжиганием и трансмутацией минорных актинидов, а радиологической эквивалентностью – выравнивание пожизненных радиационно-обусловленных рисков потенциальной индукции онкологических заболеваний от РАО и природного уранового сырья с учётом динамики эквивалентных (органных) доз облучения.

Время достижения радиационной и радиологической эквивалентности

На базе сценария развития ядерной энергетики России, подготовленного в АО «Прорыв» на 21 век, представлен вариант более длительного действия ядерной энергетики с выходом в 22 век. В этом сценарии предполагалось, что полная мощность системы быстрых реакторов (БР) стабилизируется на уровне, достигнутом в 2100 г., и далее изменяться не будет. Реакторы на тепловых нейтронах (ТР) будут работать до тех пор, пока не исчерпается принятый в сценарии ресурс природного урана. В сценарии принято, что полный ресурс природного урана, доступный для ядер-ной энергетики за всё время её существования, составляет примерно 500 тыс. т. Это даёт возможность ТР проработать до 2027 г., когда должен быть остановлен последний ТР (рис. 6). За время действия ядерной энергетики с 1973 по 2130 гг. будет выработано 8,23 ТВт⋅лет электроэнергии, из них 3,014 ТВт⋅лет на АЭС с ТР и 5,216 ТВт⋅лет на АЭС с БР.

На базе кода (программы) «БАЛАНС» [11] была построена расчётная модель, описывающая этот сценарий. В сценарии предполагалось, что ТР работают только на обогащённом уране. После выдержки ОЯТ перерабатывается, из него выделяются уран, плутоний и минорные актиниды (Np, Am, Cm). Из этих элементов, а также отвального урана, формируются стартовые загрузки БР. В них доля минорных актинидов в топливе не превышает 3% тяжёлых атомов. БР в замкнутом топливном цикле трансмутируют минорные актиниды, нарабатываемые в их топливе, и минорные актиниды из ОЯТ ТР.

По программе «БАЛАНС» рассчитано накопление долгоживущих РАО в ядерной энергетике. Предполагалось, что при переработке ОЯТ ТР и БР в долгоживущие РАО попадает 0,1% массы U, Np, Pu, Am, Cm, Sr, Cs, Tc, I и 100% всех оставшихся элементов. Все ежегодные партии РАО накапливаются на складе, ежегодно изменяется их состав за счёт радиоактивного распада. Предполагается, что к 2130 г. будет переработан весь объём ОЯТ ТР и далее рассматривается изменение при выдержке всего объёма накопленных долгоживущих РАО из ОЯТ ТР и БР, суммарно это 7,240 тыс. т. На развитие и действие до 2130 г. ядерной энергетики по рассматриваемому сценарию будет затрачено 499,81 тыс. т природного уранового сырья. Величина потенциальной биологической опасности (ПБО) природного уранового сырья, выраженная в единицах эффективной дозы, составляет 2,57∙1010 Зв (при принятой величине удельной ПБО 51,4 Зв∙кг-1).

На рис. 7 представлено изменение ПБО при выдержке всей массы РАО, наработанных к 2130 г. Снижение ПБО отходов до 100 лет выдержки обусловлено, в основном, распадами продуктов деления. Далее определяющий вклад в ПБО вносят (сотни и тысячи лет) актиниды, в основном, плутоний (238Pu, 239Pu, 240Pu) и америций (241Am). Радиационная эквивалентность между долгоживущими РАО, полученными в ядерной энергетике, и потреблённым урановым сырьём достигается через 250 лет.

^^^^^m - реакторы на тепловых нейтронах; ^^^^^^^^n - реакторы на быстрых нейтронах; ^^^^^^- (ТР+БР);

Рис. 6. Мощность АЭС с ТР и БР в рассмотренном сценарии.

Как выше было показано, новая схема оценки канцерогенных рисков облучения в терминах LAR представляет собой сложную технологическую задачу. Поэтому в рамках Проектного направления (ПН) «Прорыв» был разработан программный модуль «РОЗА-Н» (Радиологическое Обеспечение ЗАщиты), реализующий выполнение расчётов по ожидаемой эффективной дозе (радиационная эквивалентность) и по величине LAR (радиологическая эквивалентность) [6].

Следует подчеркнуть, что с учётом актуальности проблемы и высокого уровня научно-практической значимости ПМ «РОЗА-Н» приказом Министерства цифрового развития включён в единый реестр российских программ (рис. 8).

•■■■■■■m - 7.238 тыс. т РАО, полученных на энерговыработке 8.23 ТВт*лет (c 1973 г.), РЭ достигается в 2380 г. (через 250 лет после 2130г.);

^^^^^^^^в - 499.81 тыс. т природного урана

Рис. 7. Изменение при выдержке ПБО накопленных к 2130 г. долгоживущих РАО и потреблённого природного уранового сырья.

fl

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПРИКАЗ

11.10.2021

Москва

О формировании и ведении единого реестра российских программ...

В соответствии с пунктами 25, 30 (3), 33 и 62 Правил формирования и ведения единого реестра российских программ ...

ПРИКАЗЫВАЮ:

1. Включить сведения о программном обеспечении в единый реестр российских программ ... согласно приложению № 1 к настоящему приказу.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1

О включении сведений о программном обеспечении в единый реестр российских программ ...

№ п/п	Заявитель	Программное обеспечение	Регистрационный номер заявления
7.	Акционерное общество «Прорыв»	ПМ «РОЗА-Н»	2442

Министр

ДОКУМЕНТ ПОДПИСАН ЭЛЕКТРОННОЙ подписью

М.И. Шадаев

ОогиЛшят 5C2CEMW8ADASAMin«B7CM2IFCBB

Владелец: Шаояго Matcyr Игоревич дшкгаишпье 140* 2021 до 12 07 2022

Рис. 8. Приказ Министерства цифрового развития от 11.10 2021 г. № 1036.

На рис. 9 показано, что при полном замещении тепловых реакторов быстрыми реакторами в 2130 г. радиологическая эквивалентность достигается через 78 лет выдержки.

Установлено (рис. 10), что за счёт трансмутации минорных актинидов при замкнутом ядер-ном топливном цикле на базе реакторов на быстрых нейтронах (РБН) канцерогенные риски минорных актинидов существенно снижаются (по америцию – в 213 раз, по нептунию – в 101 раз и по кюрию – в 47 раз).

1,0E-02

0             200            400            600            800            1000

Время выдержки, лет

Рис. 9. Оценка времени достижения радиологической (технология LAR) эквивалентности РАО и природного уранового сырья по сценарию развития ядерной энергетики с полным замещением тепловых реакторов быстрыми реакторами в 2130 г.

э о

о

Рис. 10. Снижение канцерогенных рисков РБН по минорным актинидам.

Что интересно отметить? В наших предыдущих работах, когда предполагалось полное замещение тепловых реакторов быстрыми реакторами в 2100 г. [6], было установлено, что время выдержки РАО для достижения эффекта радиологической эквивалентности составляет 99 лет. Таким образом, время потенциального захоронения РАО оценивалось в 2199 г.

По рассматриваемому сценарию, когда полное замещение тепловых реакторов быстрыми реакторами прогнозируется на 2130 г., а время выдержки – 78 лет (рис. 9), время потенциального захоронения РАО будет в 2208 г. Это означает, что рассмотренное смещение времени замещения тепловых реакторов на быстрые реакторы с 2100 г. на 2130 г. практически не отражается на времени захоронения РАО (2199 г. и 2208 г.) после достижения эффекта радиологической эквивалентности. Очевидно, что полученное заключение имеет важное практическое значение при планировании развития ядерной энергетики в стране [12, 13].

Публикация подготовлена по результатам выполнения работ в Госкорпорации «Росатом» в рамках ПН «Прорыв.