Возобновляемый ресурс: как отработанное ядерное топливо может залить мир энергией
Атомные электростанции (АЭС) появились еще в 1950-х, но до сих пор их вклад в мировую электрогенерацию составляет всего 10%. При этом больше половины всей атомной энергии вырабатывается в трех странах — США, Франции и Китае. Россия в 2019 году находилась на четвертом месте (7,5% мировой атомной генерации).
Скромные объемы и географическая неравномерность атомной генерации объясняется несколькими причинами. Главная из них — режим нераспространения ядерного оружия. Даже сугубо мирный реактор требует обогащенного урана и может использоваться для наработки плутония, а отсюда не так уж далеко до создания атомной бомбы. Естественно, что оборот соответствующих технологий строго контролируется.
Не последним фактором остаются и яростные споры об экологичности АЭС, в которых факты смешиваются с мифами и популистскими заявлениями. Примером противоположного отношения к атомной энергетике могут служить Франция и Германия. Первая имеет 56 действующих реакторов и по числу «атомных» тераватт-часов в 2019 году занимала второе место после США (399 ТВт∙ч против 843). Вторая с 2011 года последовательно сворачивает атомную энергетику и планирует заглушить последние три реактора к концу этого года. То есть даже в странах первого мира отношение к мирному атому определяется тем, какая политическая сила стоит у власти.
Между тем ЕС собирается и дальше бороться с углеродными выбросами, ведущими к глобальному потеплению. В последнее время масла в огонь подлил скачок цен на углеводороды и политические разногласия с Россией. А возобновляемые источники не могут обеспечить Европу энергией, даже если закрыть глаза на их собственный углеродный и экологический след. В этих условиях альтернативы ядерной энергетике просто нет. Неудивительно, что в конце 2021 года Еврокомиссия предложила считать атомную энергетику зеленой.
Это предложение не лишено смысла. Конечно, Чернобыль и Фукусима показали нам, насколько опасными могут быть ядерные катастрофы. Но чтобы катастроф не случалось, АЭС нужно грамотно строить и эксплуатировать. А при штатной эксплуатации эти электростанции не выбрасывают в окружающую среду вредных для здоровья веществ. Источником проблем может быть только отработанное ядерное топливо, или ОЯТ. Это действительно высокорадиоактивная и потому чрезвычайно опасная субстанция. Тем не менее при правильном обращении она из угрозы превращается в ценнейший ресурс.
Размером с многоэтажку
После извлечения из реактора отработанное топливо помещается в пристанционное хранилище, где хранится 1–5 лет. За это время самые активные нуклиды распадаются. Уже через год активность ОЯТ уменьшается в 10 раз, а через пять лет — в 35 раз. После этого отработанное топливо готово к транспортировке на перерабатывающий завод или в место длительного хранения.
На конец 2016 года во всем мире хранилось 265 000 т непереработанного ОЯТ, и еще 127 000 т было переработано. Исходя из плотности диоксида урана (основного компонента как свежего, так и отработанного топлива), вся эта масса уместится в куб с ребром 33 м. Эту цифру полезно иметь в виду, слушая речи экоактивистов о планете, заваленной ядерными отходами.
При желании все накопленное в мире ОЯТ можно захоронить в одном не слишком большом могильнике. Правда, большинство правительств не рвутся снискать своей стране славу ядерной свалки. Пока на строительство могильников решились только Финляндия и Швеция. Захоронения будут располагаться в скальной породе на глубине более 500 м под дном Балтийского моря. Многослойная защита предотвратит утечки радионуклидов в окружающую среду. Могильники планируется ввести в строй в 2020-х годах.
Ядерная смесь
Впрочем, захоронить ОЯТ — значит в буквальном смысле зарыть в землю огромные деньги. Отработанное топливо вообще некорректно называть отходами, даже в юридическом смысле. Согласно российскому Закону об использовании атомной энергии, радиоактивными отходами признаются радиоактивные вещества, не подлежащие дальнейшему использованию.
Отработанное топливо можно и нужно использовать повторно, если переработать его. Эксперты по всему миру признают, что будущее ядерной энергетики — замкнутый топливный цикл, когда добытый природный уран используется максимальное количество раз. В нашей стране ориентация на замкнутый цикл закреплена в государственной программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса», утвержденной правительством в 2014 году.
Сегодня крупные заводы по переработке ОЯТ действуют в России, Франции и Индии. Пилотные проекты запущены в Китае и Японии. Правда, темпы переработки ОЯТ все еще отстают от темпов его накопления. Так, ежегодно из реакторов российских АЭС выгружается примерно 650 т отработанного топлива, при этом перерабатывается не более 15 % этого объема.
Поясним, в чем заключается переработка ОЯТ. Топливо большинства реакторов — диоксид урана, причем основной источник энергии — деление ядер урана-235. Однако 99,3% массы природного урана приходится на мало способный к делению уран-238. В связи с этим перед использованием уран обогащают, доводя содержание урана-235 до 3,3%.
В таком виде топливо загружают в реактор и используют несколько лет, пока оно не превращается в ОЯТ. Последнее имеет сложный состав. Оставив в покое кислород в оксиде урана, сосредоточимся на самом уране и продуктах его деления. Из этих компонентов 94,5% приходится на «балласт» в виде урана-238 и 0,9% — на невыгоревший уран-235. Если очистить эти изотопы от примесей и дообогатить ураном-235, их снова можно использовать как топливо.
Еще 0,9% — это плутоний, в который превращается небольшая часть урана-238. На все остальные продукты ядерных реакций приходится только 3,7% массы. Причем среди этих 3,7% немало ценных нерадиоактивных металлов, например, палладий и серебро. Ценность представляют и радионуклиды: так, стронций-90 применяется в радиоизотопных источниках энергии, а технеций-99 — в ядерной медицине. Ученые работают над методами извлечения всего этого богатства из ОЯТ.
Но все-таки особый интерес представляет плутоний. Килограмм плутония-239 может произвести достаточно тепла для выработки почти 8 ГВт∙ч электроэнергии. На выделение плутония и направлена единственная технология переработки, реализованная в промышленном масштабе — PUREX-процесс.
Из этого плутония делается MOX-топливо. Это все тот же диоксид урана, но с добавкой диоксида плутония, составляющего от 1,5% до 30% массы, обычно около 10%. Отсюда и название MOX (mixed oxide). В 2017 году на MOX приходилось 5% всего производимого ядерного топлива. К слову, с 2017-го производство этого топлива развернуто на российском Горно-химическом комбинате.
Оценить перспективы извлечения плутония поможет грубый подсчет. В каждом цикле использования небольшая часть урана-238 превращается в плутоний. В накопленных запасах не переработанного ОЯТ содержатся сотни тысяч тонн урана-238. Полностью превратив его в плутоний, мы получили бы сотни тысяч тераватт-часов электроэнергии. Для сравнения: в 2019 году на всей планете было выработано всего 27000 ТВт∙ч электричества.
Сила в скорости
Обычный реактор за один цикл перерабатывает в плутоний менее 1% урана-238. Более эффективны в деле наработки плутония реакторы на быстрых нейтронах (РБН). Что это такое?
Атомные ядра делятся под ударами нейтронов. В обычных реакторах нейтроны специально замедляются, чтобы вероятность деления была выше. В реакторах на быстрых нейтронах обходятся без замедлителей.
У РБН есть и другие преимущества. MOX-топливо «горит» в них более эффективно, чем в обычных реакторах. А еще они могут «дожигать» самые активные радионуклиды, значительно снижая радиоактивность ОЯТ. В то же время быстрые реакторы устроены сложнее медленных и, соответственно, стоят дороже.
Сегодня в мире действует около 20 реакторов на быстрых нейтронах. Из них всего два промышленных — и оба в России, на Белоярской АЭС. По мнению многих экспертов, именно за быстрыми реакторами — будущее атомной энергетики. В том числе и потому, что они лучше встраиваются в цикл переработки отработанного ядерного топлива.