20 января 2011

Бесценные хвосты

Во всём мире накопилось более 1,7 млн. т обеднённого гексафторида урана (ОГФУ). Из них в России несколько сотен тысяч тонн. Благо такие запасы или наказание — мнения разделились. Экологи протестуют, а специалисты-атомщики говорят, что это бесценный запас.

Разобраться в вопросе нам помог начальник отделения «Ядерные материалы» ВНИИХТ доктор технических наук Виктор Середенко.

— Мы, специалисты, недовольны названием своего целевого продукта, — шутил он, пока вёл меня по лабиринтам института. — Правильнее было бы не обеднённый гексафторид урана, а гексафторид урана обеднённого по изотопу 235. Но независимо от формулировок, ОГФУ практически безопасен в смысле радиоактивности. Да, он активен химически, но хранится на открытых площадках, в сверхпрочных контейнерах, вдали от жилых районов. И не просто так хранится, а потому, что представляет собой ценнейшее многоцелевое сырьё. Это, кстати, заключение экспертной комиссии МАГАТЭ, куда я тоже входил в качестве эксперта от России. Вот заключение, читаем: «ОГФУ рассматривается как ценный энергетический продукт-ресурс, потенциальный источник оксидов высокочистого урана 238 и соединений фтора». Единственный же риск, на который напирают экологи, — запроектная авария. Например, если самолёт с полными баками горючего упадёт прямиком на одну из открытых площадок. Непосредственно в группу контейнеров. В общем, несколько ёмкостей не выдержит, и фтороводород разнесёт ветром. И даже эту преувеличенную экологами проблему мы надеемся окончательно решить в недалёком будущем.

ЦЕННЫЙ ПРОЦЕНТ

Прежде чем говорить о проблеме и её решении, уточним, что такое «урановые хвосты», или ОГФУ. Сейчас мощность всех АЭС в мире порядка 372 ГВт. Блок мощностью в гигаватт потребляет около тонны урана 235. Чтобы «сжечь» тонну урана 235, надо порядка 139 т очищенного природного урана, (приблизительно 10 тыс. т руды). Ведь 235 го изотопа всего 7,11 кг в тонне очищенного природного урана, а отвалы урановых руд при получении так называемого жёлтого кека (закиси-окиси урана с содержанием урана не менее 65%) — это не менее 98% от исходной руды (по данным экспертов). Дальнейшей переработкой урана занимаются обогатительные предприятия. Более продвинутой технологией, которая применятся и в России, является обогащение на центрифугах (специальных сепараторах с ротором, вращающимся с очень высокой скоростью). Туда подается газ — гексафторид урана (UF6, содержит около 66,7% урана и 33,3% фтора), который получается после переработки жёлтого кека. В центрифугах происходит разделение изотопов урана-238 и урана-235. Таким образом из тех самых 7,11 кг урана удаётся извлечь около 80–85% урана 235. Полученный в результате низкообогащённый гексафторид урана (с содержанием 235 го изотопа в пределах от 2,2% до 4,9%) используют для изготовления ядерного топлива для АЭС.
А вот оставшийся после разделения гексафторид и принято называть обеднённым (ОГФУ), или «урановыми хвостами». ОГФУ состоит по большей части из урана 238 и фтора. В дальнейшем этот газ охлаждают (при 50 градусах Цельсия он превращается в твёрдое вещество) и помещают в большие, очень прочные контейнеры (объём российских контейнеров — 2,5 кубометра), которые хранятся на открытых площадках. Такая практика принята во всём мире.

Грубые подсчёты показывают, что полная загрузка всех 372 ГВт АЭС приводит к образованию более 60 тыс. т ОГФУ в год. В то же время по сравнению, например, с 20 млн. т только окислов азота (не считая сажи, пыли, диоксидов серы и так далее), которые выбрасывают ежегодно в атмосферу тепловые станции, эта цифра всё же смотрится достаточно скромно. К тому же запасы ОГФУ уже сокращаются и будут сокращаться всё более активно.

Отдельные экологические организации в России и в ряде европейских стран ведут борьбу против хранения ОГФУ. А учёные и специалисты между тем активно занимаются решением проблемы выбора технологии для конверсии обеднённого гексафторида. Только Франция сегодня уже полностью переработала все свои 280 тыс. т обеднённого гексафторида урана. Сделали они это вот по какой схеме.

— Обеднённый гексафторид в виде газа подаётся в установку — рассказывает Середенко, — где в специальной камере в результате взаимодействия с водяным паром идёт гидролиз с получением промежуточного продукта — уранилфторида. Затем уранилфторид попадает во вращающуюся барабанную печь, где при температуре 800–850 градусов продолжается гидролиз до закиси-окиси урана. В конечном итоге получается закись-окись обеднённого урана — совершенно химически инертный продукт, твёрдое вещество, которое хранят в стальных контейнерах, и 70 процентная фтороводородная кислота, которую накапливают в ёмкостях из высокопрочного полипропилена, а затем реализуют.

Однако существующая технология широкого применения в других странах не получила, поскольку имеет как минимум две слабые стороны. Во первых, 70 процентная фторводородная кислота не находит широкого применения в промышленности. Во вторых, под действием паров воды и фтороводорода оборудование установки для переработки подвергается сильной коррозии. В итоге срок службы таких установок — не более трёх лет.


КРЕПКИЕ ШТУЧКИ


Виктор Середенко разложил передо мной фотографии открытых складов ОГФУ в разных странах. Снимки почти одинаковые — растянувшиеся на сотни метров ряды из цилиндров. Различия только в том, что в Падьюке (США) контейнеры лежат в два слоя, в английском Кейпенхерсте — в один, а на наших площадках стоят вертикально, на ножках.

Как рассказал эксперт, контейнеры совершенно безопасны. В соответствии с требованиями МАГАТЭ постоянно ведётся визуальный и технический мониторинг их состояния. Самые старые, в которых ОГФУ хранится ещё со времён диффузного разделения изотопов, постепенно идут на допереработку, а отвал упаковывается в новые ёмкости. Расчётный срок службы контейнеров составляет 100 лет. Перевозка по территории предприятий на специальной технике, вне территории «бочки» помещают в транспортно-упаковочный контейнер (ТУК), выдерживающий падение с высоты 9–15 м и нагревание до 860 градусов в течение 40 минут.

— То есть хранить можно, но лучше не хранить, — улыбается Виктор Середенко, — потому что продукт всё-таки потенциально химически опасен. После взрыва башен-близнецов, где вероятность трагедии составляла десять в минус «двузначное число» степени, никто не может быть ни в чём уверен абсолютно. Перерабатывать, конвертировать или реконвертировать, конечно, необходимо. Вопрос как.

Несмотря на абсолютную надёжность контейнеров, Россия купила у Франции одну установку для переработки ОГФУ. Это позволяет уже сегодня начать процесс сокращения объёмов хранения гексафторида на открытых площадках. Установка мощностью 10 тыс. т ОГФУ в год уже смонтирована и проходит стадию освоения технологии на ПО «ЭХЗ» в Зеленогорске.

Между тем специалисты ВНИИХТ уже разработали и совместно с другими предприятиями воплощают в жизнь собственную установку переработки ОГФУ «Кедр». Это абсолютно «зеленая» технология, так как она безотходна. На выходе получается стопроцентный фтороводород ядерной чистоты и обеднённый тетрафторид урана. Путём механохимии из тетрафторида урана получается тетрафторид кремния, конвертируемый в моносилан, а из него — поликристаллический кремний для солнечных батарей и микроэлектроники. Только его реализация по предварительным расчётам принесёт до 40 млн. долларов в год. Кроме того, при переработке продуктов по технологии «Кедр» образуются озонобезопасные хладоны, оксиды урана, высокопрочные смазки, стойкие в среде фтора, конструкционные радиационно защитные материалы совершенно нового класса и т. д. Львиная же доля обеднённого диоксида урана пойдёт на хранение, чтобы в перспективе превратиться в топливо для реакторов на быстрых нейтронах.

Для тонкой отработки технологии во ВНИИХТ построили опытно-демонстрационную установку-прототип. И уже запустили её с целью в недалёком будущем создать завод по переработке 30 тыс. т ОГФУ в год.

ТОНКОСТИ НАЦИОНАЛЬНОЙ КУХНИ

Экспериментальный «Кедр» занимает приблизительно двухкомнатную квартиру плюс резервуар с ОГФУ на улице. Это вместе с пультом управления. Сама же установка умещается в металлический шкаф. Внутри — три колонны, несколько вентилей и приборов. В первой колонне превращённый в газ ОГФУ смешивается с водородом и фтором. Водород сгорает во фторе с температурой 1,3 тыс. градусов. При этом стенки колонны нагреваются только до 200 градусов. Гексафторид же восстанавливается в этом факеле водородом до тетрафторида урана и фтороводорода. Во второй колонне улавливается тетрафторид урана, а в третьей конденсируется безводный фтороводород. В соседней комнате стоит колонна для финальной очистки газа перед выбросом в атмосферу. Следы фтороводорода улавливаются на сорбенте и на химическом поглотителе.

Завод для переработки 30 тыс. т ОГФУ в год займёт, конечно, больше места. В ближайшее время решится вопрос о проектировании и строительстве демонстрационной опытной установки «Кедр» производительностью 2 тыс. т в год. С освоением новой технологии наступит момент, после которого увеличение количества ОГФУ на открытых площадках прекратится, а затем начнётся сокращение запасов (режим ненакопления).

В будущем, возможно, такие заводы появятся на каждой из трёх площадок для хранения ОГФУ (Ангарск, Новоуральск, Северск) и на заводе в Зеленогорске. Вместе они смогут перерабатывать до 100 тыс. т ОГФУ в год. Пройдёт не так уж много лет, и в стране не останется ни одного хранящегося на открытых складах контейнера с ОГФУ. Обеднённый гексафторид будет уходить на установки «Кедр» прямо из разделительного цикла. И никто не вспомнит, что же это такое, «урановые хвосты».