24 декабря 2020

Александр Путилов о перспективах использования обеднённого гексафторида урана

Год назад 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 корреспонденты издания "Эковестник" 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 возрастёт. Это – первая стадия. Вторая стадия - превращение «жёлтого 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% 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 энергоёмкий процесс и каждое новое поколение центрифуг становится всё 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% самых современных обогатительных мощностей мира. Если мы ввозим урановые «хвосты», которые получали лет 10-15 назад, то из 0,7% урана-235 и 99,3% урана-238 получался продукт, обеднённый по восьмому урану до 0,4% или 0,3%. А современные центрифуги могут выделять делящийся уран, чтобы обедненный был практически до уровня 0,1%. 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 сырьё, поскольку всё, что делится – не отходы. В 21 веке человечество не может позволить себе считать отходами то, что потенциально даёт 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 обеднённый урановый продукт, мы можем сделать из него какое-то количество обогащённого. А куда он потом идёт? Сегодня Россия имеет 17% мирового рынка ядерного топлива. Каждый шестой реактор в мире работает на урановом продукте, произведённом в нашей стране. У нас нет таких рыночных масштабов ни в лесной, ни в газовой, ни в нефтяной сферах. Мы продаём на глобальном рынке готовые сборки или керамические части этих конструкций, из которых на других заводах собирают ТВЭЛы и ТВС. Таким образом, 17% 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 - это 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 двадцать процентов, а именно – в сто раз). Причём 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. Всё, что можно переработать, превращается в топливо, замыкая ядерный топливный цикл. Выгода очевидна: увеличивается 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 сырьё. 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 ещё одну проблему, которую я выше только упомянул – накопление долгоживущих продуктов деления (америций, кюрий и пр.). 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 всё 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 речь идёт?

-Я думаю, замыкание ядерного цикла в промышленном масштабе мы увидим в 2030-40 гг. Сегодня у нас есть несколько проектов, которые годятся для этого технологического приёма. В научно-технической программе указаны 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 гг.

-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 мм стали), которые стоят на открытых площадках под дождём и снегом, и ничего с ними не происходит, да ничего и не может с ними произойти. А если даже что-то и произойдёт, то всё это вылетит, испарится, через три-пять метров от ёмкости 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.