Вся польза отработавшего ядерного топлива

Мне кажется довольно интересным разобраться с экономикой отработанного ядерного топлива (ОЯТ). На Земле мало вещей с такой сложной экономической двойственностью: ОЯТ это и весьма опасный отход с крайне недешевой утилизацией, и одновременно источник многих уникальных элементов и изотопов, стоящих весьма немалые деньги.

Эта двойственность порождает сложный выбор о дальнейшей судьбе ОЯТ — вот уже много десятилетий подавляющее большинство стран, обладающих атомной энергетикой не могут определится, необходимо ли захоранивать ОЯТ или перерабатывать.

В этом тексте я по возможности аккуратно попытаюсь посчитать расходную и доходную часть экономики ОЯТ.

Использованные термины и сокращения:

Делящиеся материалы (ДМ) — собственно ядерное топливо, поддерживающее цепную реакцию деления (Pu239, U235, Pu241, U233). То, что называется топливом, на самом деле, кроме ДМ обычно содержит и другие материалы — кислород, уран 238 и продукты деления

Продукты деления — осколочные элементы, образующиеся из ДМ в результате реакции деления. Обычно радиоактивные изотопы от 70 до 140 номера таблицы Менделеева. 

PWR/ВВЭР — самый распространенный в мире тип ядерных реакторов, с водой под давлением (не кипящей) в первом контуре, с тепловым нейтронным спектром.

БН — другой тип реакторов, с быстрым нейтронным спектром и натрием в качестве теплоносителя.

ЗЯТЦ — замыкание ядерного топливного цикла, перспективный метод расширения топливной базы ядерной энергетики. Подразумевает использование реакторов БН или БРЕСТ.

БРЕСТ — еще один тип реакторов, с быстрым нейтронным спектром и свинцовым теплоносителем, теоретически являющийся более безопасным, чем БН. Ни один подобный реактор пока не построен. 

Дебет

Расходы на ОЯТ начинаются у оператора АЭС, когда оно покидает приреакторный бассейн выдержки и отправляется либо в сухое, либо в мокрое хранилище. Удобно здесь и далее все расходы пересчитывать в удельные затраты на килограмм тяжелых металлов ОЯТ, так вот в случае отправки в сухое хранилище такие расходы составляют от 130 до 300 долларов на кг ОЯТ и определяются в основном стоимостью контейнеров хранения либо здания, в котором размещается ОЯТ. Из этой суммы от 5 до 30 долларов приходится на транспортные операции.

Загрузка в транспортный контейнер, пожалуй, самого дорогостоящего ОЯТ в мире — из уцелевшего бассейна выдержки 4 блока Фукусимской АЭС

Эти суммы, на самом деле, ничтожны. Килограмм ОЯТ, когда еще был топливом, выработал (если взять PWR/ВВЭР) от 400 до 500 МВт*ч электроэнергии, стоимостью где-то 16...50 тысяч долларов, т.е. перемещение в промежуточное хранение не стоит и 1% доходов от производства атомной электроэнергии.

Впрочем, промежуточное хранение на то и промежуточное, что у него должно быть какое-то продолжение. Это может быть либо прямое захоронение ОЯТ в неизменном виде, либо переработка.

Сухое контейнерное хранение является самым дешевым вариантом промежуточного хранения ОЯТ на сегодня — не нужно здание, если площадка расположена на территории АЭС — не нужна даже дополнительная охрана. Гигаваттный блок за год использует топлива примерно на 2,5 таких контейнера стоимость по 0,5-1 млн $ штука.

Глубокое захоронение ОЯТ сегодня реализуется в виде конкретных проектов в Финляндии, Швеции, США и Швейцарии и исследуется для разных площадок еще в двух десятках стран. Пример Финляндии и Швеции показывает, что стоимость прямого захоронения будет скорее всего в районе 1000 долларов на килограмм ОЯТ или чуть ниже — и общие затраты к моменту окончательного снятия вопроса с ОЯТ с плеч оператора АЭС составят, соответственно что-то вроде 1000-1200 долларов на килограмм. Интересно, что эта сумма составляет примерно половину стоимости свежего топлива.

Контейнеры для окончательного геологического захоронения. Технология требует выдержки в 20-30 лет прежде, чем выполнять это захоронение, впрочем сегодня во многих странах нет проблем с поиском ОЯТ, которое хранится уже 30+ лет

Однако, стоимость прямого захоронения схожа со стоимостью переработки — может быть извлекая ценные материалы можно снизить общие расходы, или даже выйти в плюс?

Кредит

Основным мотивом к радиохимической переработке ОЯТ является наработанное в нем новое ядерное топливо, и чуть шире — вообще делящиеся материалы. Стоимость этих извлекаемых материалов является неким якорем во всей экономике переработки, проще говоря, это однозначно самое ценное, что можно извлечь из ОЯТ. Сравнивая со стоимостью U²³⁵, извлеченного из природного урана (примерно 25 тысяч долларов за кг) можно достаточно быстро прикидывать, стоит ли овчинка (переработка) выработки.

Если поискать информацию по стоимости переработки, то можно найти цифры от 700 до 2000 долларов за килограмм тяжелых металлов ОЯТ (без учета веса металлических частей тепловыделяющей сборки с топливом, с которыми тоже приходится возиться, и кислорода — ведь топливо в основном находится в форме оксида). В ОЯТ современных рабочих лошадок атомной энергетики — реакторов PWR/ВВЭР содержится от 1,5 до 2,5% делящихся материалов (первая цифра относится к современным конструкциям топлива, из которых выжимают по максимуму, вторая — к старому, вылежавшемуся ОЯТ).

Перегрузка на АО Маяк нового транспортного контейнера ТУК-141с топливом из реакторов Балаковской АЭС в сентябре этого года — начало процесса переработки

Можно перемножить. Потратив от 700 до 2000 долларов мы получим 25000х1,5-2,5%=375...625 долларов делящихся материалов. Ситуация ухудшается еще больше, если вспомнить об изотопном составе извлеченных из ОЯТ PWR/ВВЭР делящихся материалов — уран будет загрязнен нейтронным ядом U²³⁶, а плутоний чуть ли не наполовину состоять из неделящихся изотопов (Pu²⁴⁰, Pu²⁴²). Кроме того, последующая фабрикация свежего ОЯТ с довольно радиоактивным плутонием тоже дороже, чем работа с “органическим” обогащенным продуктом природного урана. 

И тут в стройном (я надеюсь) повествовании по экономике ОЯТ, которое есть сегодня стоит сделать шаг в сторону и посмотреть так же на стоимость топливного цикла применительно к быстрым реакторам и ЗЯТЦ — то, что рассматривали специалисты в 60х и 70х как будущее отрасли.

Упрощенная (действительно упрощенная) схема топливного цикла с переработкой без быстрых реакторов довольно бесмысленна, о чем ниже.

И ситуация сразу улучшится. Во-первых, быстрый спектр нейтронов требует гораздо большего количества делящихся материалов в активной зоне, что достигается увеличением их концентрации: до 20-30% плутония или 235 урана, против 4-5% для реакторов с тепловым спектром. Т.е. для получения того же количества Pu239 нам надо переработать в 5-6 раз меньше ОЯТ. Кроме все мы помним о том, что быстрые реакторы — это бридеры, и в ОЯТ у них содержится больше ДМ, чем в свежем топливе! 

Есть еще один аспект, если уж мы сравниваем ДМ из ОЯТ и природный уран. При концентрации ДМ в свежем топливе БН, скажем, 27%, выгорает из этого не больше 11%. Т.е. ⅔ добытого природного урана без переработки пойдут в отвал, что катастрофически роняет экономику быстрых реакторов без переработки ОЯТ (например, БН-600). Ситуация, фактически обратная ВВЭРам.

Но давайте посчитаем. Если из килограмма ОЯТ БН мы извлекаем 300 грамм плутония, то в эквиваленте природного урана наша прибыль — 7500 долларов, что заведомо больше стоимости переработки этого килограмма в 2000 долларов. Тут правда надо вспомнить, что сгорает в следующем цикле около ⅓ извлеченного количества, т.е. доход сокращается до 2500 долларов на килограмм ОЯТ. 

Фактически это означает, что расходы на переработку ОЯТ — фабрикацию нового топлива для быстрых реакторов эквивалентны фабрикации топлива из природного урана — перерабатывающий “хвост” перестает быть обузой.

На деле, конечно, я упрощаю. всякие вещи, типа минорных актиноидов, захоронения продуктов деления тянут экономику переработки в низ, и реальный результат сильно зависит от технологии. Для примера — ниже расчетные цифры по выходу разных неприятных вещей при переработки ОЯТ во Франции (для 6 разных сценариев развития этой переработки) в объеме, охватывающем ОЯТ от 100 до 150 гигаватт мощностей.

Ниже табличка, которая показывает сокращение потребности в природном уране за счет использования делящихся материалов из переработанного топлива.

А теперь посмотрим, нет ли еще чего полезного в ОЯТ, что могло бы улучшить экономику переработки в целом. Тут необходимо вспомнить, что продукты деления урана и плутония — это примерно 70 изотопов 25 элементов. Некоторые нуклиды — стабильные и радиоактивные, в принципе, представляют коммерческий интерес.

Палладий. На каждую тонну продуктов деления приходится примерно 5% палладия сложного изотопного состава. Т.е. из каждой тонны ОЯТ БН, содержащей 100 килограмм продуктов деления, можно будет извлечь около 5 килограмм палладия, из тонны ОЯТ ВВЭР — 800 грамм. К сожалению, палладий будет радиоактивен из-за изотопа Pd-107 (его примерно 14% из всех изотопов палладия в ОЯТ), который имеет период полураспада 6,5 млн лет, т.е. дождаться его распада не получится. Удельная активность извлеченного из ОЯТ палладия будет около 1,2 МБк/г — это довольно много, НРБ-99 устанавливает предел безопасного годового поступления палладия такой активности в 1,45 грамма в год.

Теоретически, если этот радиоактивный палладий найдет применение (в каких-нибудь промышленных катализаторах, скажем) и цена его будет равна цене природного (~30000 долларов за кг!), то добытый из ОЯТ палладий будет восполнять 1-2% стоимости переработки ОЯТ. 

Родий. Другой металл платиновой группы. Из тонны ОЯТ БН можно будет извлечь 1,2 кг родия, а из тонны ОЯТ ВВЭР — порядка 500 грамм. Самый долгоживущий радиоактивный изотоп Rh-102 с периодом полураспада 3,74 года, Где-то за 50 лет выдержки радиоактивность родия упадет до значений, после которых его можно считать не радиоактивным. Стоимость родия примерно такая же (сейчас даже больше), чем у палладия, соответственно добытый из ОЯТ родий будет восполнять 0,3-0,5% стоимости переработки.

Рутений. Кроме печально известного Ru-106 среди продуктов деления есть и стабильные изотопы этого элемента. Рутения по массе в ОЯТ примерно на 25% больше, чем палладия, а не радиоактивным (после распада основного количества Ru-106) он становится примерно за 40 лет выдержки. К сожалению, стоимость рутения в 6 раз ниже, чем палладия, поэтому он так же добавляет при продаже всего 0,2-0,4% от стоимости переработки ОЯТ.

Серебро. Среди осколков деления его доля приблизительно 0,8%. Т.е. из этой тонны осколков его будет около 8 кг. Имеет два относительно долгоживущих радиоактивных изотопа. Ag-110m с периодом полураспада 250 суток и Ag-108m c периодом полураспада 418 лет. Второй изотоп образуется со сравнительно малым выходом. Остаточная активность после 30 лет выдержки будет 2,9 мкКи/г, несколько повыше радиоактивности природного урана, но соизмеримо. Пригодно для технического применения, однако из-за относительно низкой стоимости вряд ли экономически оправдано. 

Ксенон. Это самый распространенный из осколков урана или плутония — только стабильные изотопы составляют около 12% массы продуктов деления. Не смотря на его низкую, на фоне палладия или рутения, стоимость (~50 долларов за кг) тот факт, что ксенон — это благородный газ делает его интересным. При любой переработке ОЯТ ксенон выделяется в газообразном виде, поэтому никакой специальной радиохимии для его получения не нужно, что резко снижает себестоимость. Есть, правда, одна проблема — хотя среди изотопов ксенона нет долгоживущих (подарок природы!), его всегда сопровождает криптон, изотоп Kr-85 которого является долгоживущим радиоактивным элементом.
Тем не менее криогенная ректификация может помочь получить чистый ксенон, который находит сегодня все больше применения в ионных двигателях космических аппаратов, в наркозе и т.п. Не смотря на это, мне не удалось найти следов практики сохранения ксенона при переработке ОЯТ — обычно его просто сбрасывают в атмосферу. 

Технически есть еще несколько элементов, которые в будущем могут представлять интерес для извлечения из ОЯТ — например теллур. Однако текущая стоимость этих материалов, как и в случае серебра не оправдывает их добычи из ОЯТ.

Доли различных элементах в продуктах деления U²³⁵

В итоге получается, что в лучшем случае, при снятии барьеров на использование слабо радиоактивного палладия, драгоценные металлы могут вернуть около 2-2,5% стоимости переработки ОЯТ, а в худшем — порядка 0,5% и это означает, что их извлечением из осколочной массы никто заниматься не будет. 

Баланс

Заканчивая описание этого раздела необходимо сказать, что выжидательная позиция по захоронению объясняется еще и возможным появлением новых методов переработки ОЯТ, например предлагаемой в рамках БРЕСТ электрорастворением расплава ОЯТ или еще более экзотичными ректификацией фторидов ОЯТ или разделением в виде плазмы. Теоретически, переработка ОЯТ может быть заметно дешевле, выигрывая по общим расходам у сценария с захоронением. Впрочем, стать этой теории практикой мешает позиция США, всячески препятствующей развитию переработки ОЯТ в мире, и технические сложности.

Возвращаясь к экономике: видя общую картину, хочется рассмотреть еще один вариант — бесконечное “промежуточное” хранение. Если заглянуть в оценки операционных расходов площадки хранения, то мы увидим там цифры в 5-15 долларов на килограмм топлива в год, причем 90% этой суммы обуславливается стоимостью охраны площадки. Получается, что разница между стоимостью прямого захоронения и накопленной стоимостью хранения выбирается за 50-100 лет, на которые обычно и рассчитываются контейнеры сухого хранения или здания хранения.

Получается следующая градация действий — дешевле всего “промежуточно” хранить, однако этот процесс рискует затянуться (как это происходит в США, где национальное захоронение ОЯТ обсуждается уже 40 лет) и стать существенным фактором в общей цене жизненного цикла ядерного топлива. Наилучшим мгновенным решением в плане стоимости является как можно более быстрое захоронение ОЯТ в глубокой геологии. Ну а если есть надежда на развитие атомной энергетики в сторону ЗЯТЦ — то необходимо развивать переработку ядерного топлива.