Журнал «Эковестник», №3 • 2020 г. Читать весь номер онлайн

Ресурсы для будущего

Олеся Пенкина

05.10.2020

В конце 2019 и начале 2020 года в Россию из Германии переправили обедненный гексафторид урана в рамках сделки между немецким консорциумом Urenco и компанией «Росатома» АО «Техснабэкспорт». Экологические и общественные организации сразу же забили тревогу: для чего ввозить эти урановые «хвосты» в Россию? Насколько они безопасны для экологии? Эти вопросы мы обсудили с профессором Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», членом Научно-технического совета госкорпорации «Росатом» доктором технических наук Александром Путиловым.

— Александр Валентинович, что такое урановые «хвосты» и зачем их отправлять на территорию России?

— Так называемые урановые «хвосты» — это гексафторид урана, в котором пониженное содержание урана-235 по сравнению с естественным изотопным составом. Для понимания ситуации я кратко расскажу, как получается ядерное топливо, которое впоследствии загружается в АЭС. Сначала горно-обогатительная отрасль добывает уран и производит закись-окись урана, то есть порошок желтого цвета под названием «желтый кек». Это биржевой товар: его можно продавать и покупать на мировом рынке, хранить на складе и реализовать, когда цена возрастет. Это — первая стадия. Вторая стадия — превращение желтого кека в гексафторид урана, ценный сырьевой ресурс атомной энергетики, — так называемый процесс конверсии. Внешне гексафторид урана — это такие кристаллы, которые при снижении давления или при небольшом повышении температуры сублимируются в газ.

А дальше начинаются высокие технологии, которыми владеют всего несколько стран. С помощью специальных центрифуг из газообразного гексафторида урана образуется два продукта: уран-235 и обедненный по этому изотопу уран-238. Не вдаваясь в физические подробности, поясню: уран-238 — тот, что не делится тепловыми нейтронами (обедненный), а уран-235 — это тот, который делится тепловыми нейтронами, и мы получаем высокообогащенный урановый продукт, необходимый для создания ядерного оружия и работы ядерных реакторов АЭС.

После завершения обогащения из окиси этого обогащенного урана изготавливают таблетки, которые помещают в трубки — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). Эти трубки с начинкой собирают в блоки — тепловыделяющие сборки (ТВС) и вставляют их в ядерный реактор, где они работают полтора-два года, иногда и более. После отработки этого срока ТВС достают из реакторов и загружают в них новое урановое топливо — процесс повторяется. Так из урана-235 на АЭС вырабатывается электроэнергия, которой мы все успешно пользуемся: напомню, что по нашей стране в целом примерно 17 процентов атомного электричества, причем в европейской части страны — под сорок процентов.

Технология центрифужного разделения изотопов урана — это «хай-тек», которым владеют всего несколько стран. В частности, этой технологией владеет Россия и европейская промышленная организация Urenco, которая тоже занимается разделением изотопов урана и получением топливных композиций. Сейчас работает девятое поколение таких центрифуг, а проходит испытания уже одиннадцатое. Сложность в том, что разделение изотопов урана — довольно энергоемкий процесс и каждое новое поколение центрифуг становится все более энергетически эффективным. Вообще эти технологии существуют в нашей стране с 1950-х годов прошлого века, постоянно развиваются и совершенствуются в сторону как можно меньшей энергоемкости.

Отмечу также, что в нашей стране сосредоточено 40 процентов самых современных обогатительных мощностей мира. Если мы ввозим урановые «хвосты», которые получали лет 10–15 назад, то из 0,7 процента урана-235 и 99,3 процента урана-238 получался продукт, обедненный по восьмому урану до 0,4 или 0,3 процента. А современные центрифуги могут выделять делящийся уран, чтобы обедненный был практически до уровня 0,1 процента. Имея запас этого обедненного урана, можно рассчитывать на выделение дополнительно урана-235, который не могли выделить раньше наши конкуренты. По международной классификации МАГАТЭ это нормальное сырье, поскольку все, что делится, не отходы. В XXI веке человечество не может позволить себе считать отходами то, что потенциально дает энергию.

— Таким образом, в страну ввозят не отходы, а сырье? Что можно получить из этого сырья?

— Конечно, ввозят не отходы. Согласно действующему законодательству ввоз радиоактивных отходов на территорию России для хранения, переработки или захоронения вообще запрещен. Закон «Об использовании атомной энергии» говорит, что отходы — это радиоактивные вещества, дальнейшее использование которых не предусматривается. А ядерная отрасль очень рассчитывает на гексафторид урана. Получив этот обедненный урановый продукт, мы можем сделать из него какое-то количество обогащенного. Куда он потом идет? Сегодня Россия имеет 17 процентов мирового рынка ядерного топлива. Каждый шестой реактор в мире работает на урановом продукте, произведенном в нашей стране. У нас нет таких рыночных масштабов ни в лесной, ни в газовой, ни в нефтяной сферах. Мы продаем на глобальном рынке готовые сборки или керамические части этих конструкций, из которых на других заводах собирают ТВЭЛ и ТВС. Таким образом, 17 процентов мирового рынка занимают наши поставщики и фактически мы торгуем результатами развития высоких технологий.

— Это мы говорили об уране-235. Но что происходит с ураном-238, если он не делится в современных реакторах? Получается, что это отходы?

— Это не совсем так. Сейчас в России уже есть новый тип реакторов — реакторы на быстрых нейтронах, в которых уран-238, захватив лишний нейтрон, превращается в плутоний-239 и делится. Фактически с изменением конструкции энергоблока происходит и увеличение на два порядка ядерного энергоресурса (не на 20 процентов, а именно в 100 раз). Причем добывать сырье не надо — вспомним, с чего мы начали разговор: оно лежит у вас на складе как обедненный гексафторид урана. Его просто нужно превратить в соответствующее ядерное топливо. А Россия, кстати, единственная в мире страна, где сейчас действуют промышленные «быстрые» ядерные энергетические реакторы. И логично привезти сырье туда, где его смогут в дальнейшем использовать. Также в нашей стране ведутся разработки новых видов топлива для реакторов (так называемое мокс-топливо, или смешанное оксидное ураново-плутониевое топливо) в рамках проекта «Прорыв» (или «Развитие двухкомпонентной ядерной энергетики»), информация об этом есть в открытом доступе.

— Что это такое?

— Двухкомпонентная ядерно-энергетическая система с замкнутым топливным циклом — это когда традиционные реакторы на тепловых нейтронах, используемые на абсолютном большинстве АЭС, работают сопряженно с реакторами на быстрых нейтронах. Главным элементом, составляющим смысл замкнутого топливного цикла, является переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) после его эксплуатации в реакторах АЭС. То есть должно быть полностью безотходное производство. И такая переработка в промышленном масштабе все возрастающих объемов отработавшего ядерного топлива — одна из самых важных задач, которые предстоит решить специалистам атомной энергетики. Все, что можно переработать, превращается в топливо, замыкая ядерный топливный цикл. Выгода очевидна: увеличиваются на два порядка ядерные энергоресурсы и исключается захоронение долгоживущих радиоактивных отходов — РАО (при замыкании ядерного топливного цикла возможно «выжигание» в реакторах на быстрых нейтронах минорных актинидов — наиболее опасных РАО).

Таким образом, обедненный гексафторид урана, завезенный в Россию, никуда не закапывают, не утилизируют, поскольку это не отходы, а перспективное сырье. Это и потенциальный источник урана-235, и потенциальный источник перспективного ядерного топлива реакторов на быстрых нейтронах, которое будет использоваться при замкнутом ядерном цикле.

— То есть с экологической точки зрения это тоже выгодно?

— Конечно. Замыкание ядерного цикла, или двухкомпонентная ядерная энергетика будущего, решит еще одну проблему, которую я выше только упомянул, — накопление долгоживущих продуктов деления (америций, кюрий и прочее). Их можно будет поместить в это новейшее топливо, и их просто выжгут нейтроны, а останутся только короткоживущие продукты деления, которые распадутся через 10, 20 или 100 лет.

Фактически в обоснование замыкания ядерного цикла и двухкомпонентной ядерной энергетики заложен принцип радиационной эквивалентности. То есть мы забираем из недр природные радиоактивные материалы, например уран, а через какое-то время возвращаем обратно примерно такую же радиоактивность, не нанося никакого вреда или ущерба природе. Но для этого нужны сложнейшие технологические процессы. С точки зрения физики все решено, изобретено. Но сам процесс очень сложный, я имею в виду технологии, логистику, защиту и так далее — все это стоит немалых денег. Но я уверен в том, что в ближайшее время мы увидим замыкание топливного цикла, и тогда обедненный гексафторид урана превратится в источник большего на два порядка ядерно-энергетического потенциала, чем уран-235.

— Что значит — в ближайшее время? О какой перспективе идет речь?

— Я думаю, замыкание ядерного цикла в промышленном масштабе мы увидим в 2030–2040-х годах. Сегодня у нас есть несколько проектов, которые годятся для этого технологического приема. В научно-технической программе указано три типа реакторов на быстрых нейтронах, которые разрабатываются в настоящее время. Элементы реактора со свинцовым носителем (проект «Прорыв») уже проходят испытания, реакторы с натриевым теплоносителем (действуют БН-800 и БН-600) успешно работают в ядерно-энергетической системе. Главная проблема — в экономике, в рыночных реалиях: фактически мы должны использовать средневзвешенную по жизненному циклу стоимость электроэнергии, а она рассчитывается на весь жизненный цикл (включая стадии переработки ОЯТ), и тогда вы выбираете ту или иную энергетическую технологию. Сегодняшние разработки показывают: это время не за горами — надеюсь, что 2030–2040-е годы.

— Но до 2030-х годов это все надо где-то хранить?

— Никаких проблем с хранением гексафторида урана нет с 1950-х годов. Для этого предназначены толстостенные цилиндры (16-миллиметровой стали), которые стоят на открытых площадках под дождем и снегом, и ничего с ними не происходит, да ничего и не может с ними произойти. А если даже что-то и произойдет, то все это вылетит, испарится, через три — пять метров от емкости уже никто ничего не заметит. Гексафторид урана сразу же сублимируется в облако газа и улетает. Безопасность для экологии доказана экспериментами не только у нас, но и в Urenco. Все понимают, что хранят энергетический ресурс. Сейчас у нас реализована еще одна технология, когда обедненный уран из гексафторидной формы переводят в оксидную (это вообще порошок). Уже работает соответствующая установка, гексафторид урана превращается там в оксид для дальнейшего хранения и плавиковую кислоту — тоже ценный химический продукт. Так что будем ждать нового витка развития ядерно-энергетических технологий: новые энергоблоки будут, несомненно, разработаны и испытаны, а топливо для них в России уже есть.

Олеся ПЕНКИНА