Атомная станция — макушка айсберга
Научный комитет Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» присудил премию 2025 года в номинации «Учёный года» за фундаментальные и прикладные исследования в области радиохимии и радиохимических технологий академику РАН Степану Николаевичу Калмыкову (МГУ имени М. В. Ломоносова).
Атомная энергетика, казалось бы, всегда была «вотчиной» физиков: деление ядра, потоки нейтронов, сложнейшая инженерия. Но вот загружать в атомную станцию каждый раз новое урановое топливо — всё равно, что топить печь ассигнациями, как говорил (по другому поводу, правда) Дмитрий Иванович Менделеев. Потому что за цикл в реакторе «сгорает» лишь малая доля урана. Чтобы атомная энергетика была действительно эффективным источником энергии для человечества, а не фабрикой радиоактивных отходов, нужно замкнуть цикл. И это во многом сделала радиохимия. О химии атомов, которые так и норовят переселиться в соседние ячейки Периодической таблицы, рассказывает академик Степан Калмыков.
— Степан Николаевич, что такое радиохимия? Она ближе к химии или к физике?
— По классическому определению, радиохимия — это химия радиоактивных элементов, и, в общем, так оно и сохраняется. Радиохимия — наука сравнительно молодая, особенно если сравнивать её с неорганической химией или даже органической, медицинской химией. Она родилась весной 1896 года, когда Анри Беккерель сделал доклад по засвечиванию фотопластин. Конечно, это никакая не физика, это чисто химическая дисциплина. Другое дело, и я часто это говорю студентам и своим коллегам, что чисто радиохимических задач, которые бы не включали одновременно задачи физические, инженерные, биологические или медицинские, — практически не осталось. Зато задач междисциплинарных, задач, близких к физике, инженерным наукам, другим областям химии, — очень много.
— Можно ли сказать, что радиохимические задачи, приближенные к атомной отрасли, всё равно остаются самыми масштабными? Или это не так?
— Нет, это вполне правильное утверждение. Дело в том, что развитие человечества связано с доступной, дешёвой, экологичной электроэнергией, источниками электроэнергии. Поэтому, естественно, одно из основных предназначений радиохимии сейчас — как раз ядерная энергетика. В европейской части России 40% генерации — это атомная генерация, то есть практически половина выработанного электричества. Получается, что наша жизнь фактически зависит не только от радиохимии, но и от огромного количества наук, в том числе уже перешедших в сугубо практическую плоскость.
— Атомная энергетика больше ассоциируется с физикой, с процессами деления атомного ядра, со сверхсложной и сверхнадёжной инженерией. А про химию обычно не говорят. Где искать химию на атомной станции?
— Если представить атомную станцию, то это только одна маленькая часть того, что называется ядерным топливным циклом. А цикл начинается с добычи, извлечения и переработки урановой руды, где, соответственно, задействованы геология, геохимия, горнорудные технологии. Это начальный этап. Затем следуют физические процессы, связанные с изотопным обогащением. Потом материаловедческие задачи, связанные с фабрикацией, производством нового ядерного топлива. И только уже потом идёт атомная станция. У обывателя с атомной энергетикой ассоциируется именно она. Ну а после станции начинается как раз самая основная химическая часть.
Что делать с топливом, которое отслужило свой срок? Вот прошла топливная кампания, мы выгружаем топливо, и встаёт вопрос: мы что-то с ним делаем или не делаем, перерабатываем, возвращаем часть полезных компонентов опять в энергетику или не возвращаем? Это всё задачи химические. И, наконец, финальная стадия, то, что в атомной отрасли принято называть «бэкэнд», то есть завершающая стадия ядерного топливного цикла — обращение с радиоактивными отходами. Это тот материал, который уже нигде не будет использоваться, его остаётся только безопасно захоронить. Опять же, здесь встают задачи геологические, химические и геохимические, материаловедческие.
Нужно создать систему инженерных и природных барьеров так, чтобы хранилище ядерных отходов заведомо никогда и никаким образом не повлияло на биосферу. И вот вся эта цепочка и есть ядерная энергетика. А атомную станцию можно сравнить с видимой частью айсберга.
— Что делает химия для того, чтобы очистить топливо и вернуть его в цикл?
— У нас практически во всех коммерческих реакторах, то есть вырабатывающих тепло и электроэнергию, в качестве топлива используется диоксид урана. Это очень простое соединение. Можно взять руками таблетку уранового топлива, потому что природный уран очень малорадиоактивен. У него период полураспада, у 238-го изотопа, — 4,5 миллиарда лет. То есть 4,5 миллиарда лет пройдёт до момента распада половины массы этой субстанции. Конечно, уран — это всё равно тяжёлый металл и его лучше руками не трогать, но с точки зрения радиоактивности он не очень опасен.
И вот мы помещаем топливо в реактор. В реакторе под действием потока нейтронов происходит деление ядер, и из атомов урана образуется, условно говоря, если не половина, то треть элементов Периодической системы. Эти накапливающиеся в топливе «осколки», продукты деления, фактически не дают возможности его долго эксплуатировать, дольше, чем длится топливная кампания сейчас в реакторе. Почему? Потому что многие из этих продуктов отравляют топливо. Некоторые из них захватывают нейтроны, изменяют нейтронные потоки. Соответственно, топливо уже не может выдавать те функциональные характеристики, которые оно должно показывать.
Но самое интересное, что 94—96% исходного урана как было, так и остаётся без изменений. То есть мы используем всего-навсего несколько процентов топлива. Логичная мысль, которая может прийти человеку в голову, как бы вот эти оставшиеся 94—96% использовать. Так что замыкание ядерного топливного цикла на первом этапе — это вернуть уран. То есть произвести новое топливо из непрореагировавшего урана и заставить его снова работать. Помимо всего прочего, в топливе нарабатываются другие делящиеся радионуклиды, например изотоп плутония, которые тоже являются хорошим источником нейтронов и хорошим топливом. Поэтому мы помимо замыкания цикла по урану можем ещё замкнуть цикл по плутонию.