Ядерный круговорот во благо природы
Российская атомная отрасль прошла очередной этап пути к тому, чтобы замкнуть ядерный топливный цикл и тем самым перевести атомную энергетику в разряд возобновляемых
На четвертом блоке Белоярской АЭС с реактором БН800 во время очередной перегрузки топлива в активную зону были догружены тепловыделяющие сборки (ТВС) с МОКС-топливом (англ. MOX, Mixed-Oxide fuel). Теперь его доля в реакторе составляет 98%.
Это еще один шаг к замыканию ядерного топливного цикла, которое позволит решить три важные задачи: извлечь максимум энергии из урана, минимизировать потребности в природном уране и максимально сократить объем отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Звучит специфично и скучно, но фактически речь идет о том, что атомная энергетика постепенно становится возобновляемой.
Атомная энергетика основана на получении энергии за счет деления ядер благодаря самоподдерживающейся цепной реакции. Упрощенная схема ее такова: нейтроны разбивают ядра некоторых элементов, которые, распадаясь, образуют другие элементы, новые нейтроны и энергию. Новые нейтроны воздействуют на другие ядра, и реакция продолжается. Наиболее известные элементы, способные участвовать в цепной реакции, — это уран, плутоний и торий.
БН-800 — реактор на быстрых нейтронах. В отличие от наиболее распространенных так называемых тепловых реакторов ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор), где в качестве теплоносителя используется вода, которая замедляет нейтроны, здесь теплоноситель — жидкий натрий — их не замедляет, и потому энергия нейтронов больше, что позволяет вовлечь в реакцию уран-238.
Главная причина появления на свет реакторов на быстрых нейтронах — способность таких реакторов, которые также называются бридерами, или размножителями, создавать в процессе облучения больше делящихся материалов, чем в них было загружено.
Сказать дефициту «нет!»
Концепцию быстрых реакторов сформулировал итальянский физик, лауреат Нобелевской премии по физике и, к слову, член-корреспондент АН СССР (1931 год) Энрико Ферми. Нобелевскую премию он получил в 1938 году «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Приехав на награждение вместе с женой-еврейкой и детьми, в Италию он не вернулся, а переехал в США, где стал одним из руководителей Манхэттенского проекта.
Таким образом, уже в самом начале становления ядерных технологий было понятно, что способность быстрых реакторов создавать делящиеся материалы позволяет максимально использовать потенциал урана. Дело в том, что в природном уране лишь 0,7% приходится на делящийся изотоп уран-235, а почти весь остальной объем занимает уран-238, который в тепловых реакторах не вступает в цепную реакцию. В быстрых же реакторах уран-238, поглощая быстрые нейтроны, превращается в плутоний-239. Это тоже делящийся изотоп, который можно использовать в создании топлива для ядерных реакторов.
Наработкой плутония и более эффективным использованием урана в СССР озаботились с тех пор, как в 1942 году стартовал атомный проект: в первые годы металл был крайне дефицитным. Первым советским урановым рудником стал Табошар в Таджикской ССР, там работы начались в 1943-м. После Второй мировой войны уран добывали в среднеазиатских республиках СССР, но основной объем поставлялся из ГДР и Чехословакии.
Ситуация с обеспечением ураном в СССР была куда более сложной, чем у США и Великобритании. В США урановые месторождения в Юте и Колорадо были известны с XIX века. В Канаде в 1930-е годы было открыто месторождение Эльдорадо, уран с которого поставлялся для Манхэттенского проекта. Кроме того, уран добывали в Бельгийском Конго. Крупный советский ученый, специалист по минералогии радиоактивных элементов Дмитрий Щербаков оценивал разведанные запасы урана в мире на начало 1945 года в 12–15 тыс. тонн. Из них в Европе — 1 тыс. тонн, в Африке — 3 тыс. тонн, в США — 3 тыс. тонн, в Канаде — 6 тыс. тонн.
За 80 лет существования атомной отрасли увеличились и потребление, и объем разведанных запасов урана. Один из вопросов, который ставится в связи с развитием атомной энергетики, — а есть ли сейчас дефицит природного урана.
По данным «Красной книги — 2020» (Red Book, справочник по производству, потреблению и спросу на уран, который раз в два года выпускают Ядерное энергетическое агентство — NEA — и МАГАТЭ), на 1 января 2019 года производство урана из рудников обеспечивало 90% потребностей мирового парка АЭС.
В 2017 году этот показатель равнялся 95%. По данным World Nuclear Association, он ниже: в 2017 году — 93%, в 2019-м — 81%, в 2021-м — 77%. Впрочем, тенденция не вполне линейная: в 2018 году доля урана из рудников для АЭС составляла 80%, в 2020-м — 74%.
Дефицит покрывается ураном из вторичных источников, к которым относятся государственные и коммерческие запасы, переработка отработавшего ядерного топлива, низкообогащенный уран, произведенный разбавлением высокообогащенного, а также уран, произведенный из дообогащенных хвостов обогащения. Дело в том, что в первые годы развития ядерных технологий во всем мире для обогащения использовали газодиффузионную технологию, которая хуже отделяла необходимый изотоп уран-235, чем распространенная в настоящее время газоцентрифужная. В хвостах оставалось до половины его природного объема.
Точной информации об объемах накопленного урана из-за закрытости этих данных нет. Однако эксперты «Красной книги» подсчитали, что к 2019 году общий объем добытого урана (3 млн тонн) примерно на 500 тыс. тонн больше общего объема использованного.
Получается, что сейчас добывается меньше урана, чем потребляется. Однако общий объем добытого урана до сих пор больше использованного. То есть определенный запас есть и из него восполняется дефицит.
Эксперты МАГАТЭ считают, что потребности в уране вырастут, и из общего необходимого объема на «неопределенные источники» к 2040 году придется 55 тыс. тонн. Впрочем, в группу «неопределенных источников» входят и законсервированные рудники, и проекты по добыче урана на стадии проектирования и поиска финансирования, то есть сравнительно близкие к запуску. Кроме того, данные из «Красной книги» свидетельствуют о том, что разного уровня разведанности ресурсы и запасы урана есть, и зачастую их отработка — вопрос цены или воли производителя (подробнее об источниках урана в мире см. «Как добывают уран» и графики 1 и 2). Наконец, необходимо признать, что вероятность обнаружения новых рентабельных месторождений урана вовсе не нулевая.
Пример — месторождение Крылья, которое геологи Uranium One открыли в Намибии. Его ресурсы, подсчитанные по международному кодексу JORC, составляют 56 тыс. тонн. Из них 24 тыс. тонн относятся к категории «выявленные» (Indicated), 32 тыс. тонн — «предполагаемые» (Inferred). Эти данные подтверждают: объект крупный.
Так что однозначно ответить на заданный выше вопрос о существовании сейчас и возникновении в будущем дефицита топлива для атомной энергетики нельзя: многое зависит от того, сколько будет введено в строй электростанций и запущено добычных проектов. Тем более что урана в природе много: только в морской воде его, по некоторым оценкам, 4 млрд тонн — и основная проблема заключается в стоимости его извлечения.