Ушаков С.И. (Институт физической химии Российской академии наук)
ТОПИТЬ УРАНОМ - ТОПИТЬ АССИГНАЦИЯМИ к 100-летию со дня смерти Д.И. Менделеева
Д.И. Менделеев придавал особенно важное значение урану, составлявшему в его время нижнюю границу периодической системы. Предвидение Менделеева оправдалось, в открытии радиоактивности урана и открытии деления, ядер урана. Последующее привело к созданию энергетических ядерных реакторов, использующих урановое топливо. Показано, что урановое топливо не имеет преимущества перед углем и тем более перед мазутом и газом. Опасность от последствий аварий и от незахороненного отработанного уранового топлива, являющегося источником радиации и химических ядов, настолько велика, что имеет смысл применить к урану известное изречение Менделеева «топит - нефтью - топить ассигнациями». Для нефти имеется в виду потерянная выгода от переработки ее в углеводороды, для урана - затраты на ликвидацию аварий и обращение с отработанным топливом.
Когда Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) открыл в 1869 году периодический закон, уран располагался в середине периодической таблицы элементов. Менделеев, исходя из химических свойств урана, форм и свойств его соединений, перенес уран из III в VI группу и пришел к выводу, что атомный вес урана определен неправильно. Он исправил атомный вес, увеличив его вдвое. В результате уран оказался последним элементом в периодической таблице. В 1871 году в журнале Ann. der Chemie und Pharmacie, 1871, VIII, S. 133-229 Менделеев пишет: «Интерес к дальнейшему изучению урана от необходимости изменения атомного веса еще больше повышается, так как в этом случае уран является самым тяжелым из известных элементов». После открытия в 1896 году А. Беккерелем явления радиоактивности урана, выделения из урановых руд в 1898 году супругами Кюри новых радиоактивных элементов радия и полония Менделеев приобретает в 1902 году во Франции препарат радия для проведения в Главной палате мер и весов исследований по радиоактивности. По-видимому, он хотел использовать радий в основном в готовящихся экспериментах с маятниками [1], полагая, что «объяснение радиоактивного распада надо искать в науке о природе тяготения и массы» [2]. В восьмой выпуске «Основ химии» Менделеев в 1906 г. пишет: «Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заняться урановыми соединениями» [2], Менделеев предполагал наличие за ураном более тяжелых элементов. В 1871 году в первом издании «Основ химии» он помещает следующую таблицу [2]:
Символ и атомный вес по Менделееву U-240 -245 -246 -248 -249 -250
Символ и атомный вес в наше время U-238 Np-237 Pu-244 Am-243 Cm-247 Bk-247
Менделеев оказался прав. В декабре 1938 года О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление ядер урана под действием медленных нейтронов. Это явление человечество использовало для создания через 4 года военного ядерного реактора (создание первого военного ядерного, реактора в СССР подробно изложено в книге М.П. Грабовского «Атомный аврал», М.: Научная книга, 2001 или в журнале История науки и техники, 2002, № 3, 4, 6, 7-12); через 7 лет атомного оружия и через 16 лет атомных электростанций, доля которых в производстве электроэнергии достигает в некоторых странах 50% и более. Например, в отечественном ядерном реакторе РБМК-1000 (элек.) развиваемая тепловая мощность равна 3200 МВт (тепл.) расход урана, обо-
гащенного ураном-235 до 2%, составляет 50,5 тонны в год [3]. Для работы тепловой электростанции на мощности 3200 МВт (тепл.) необходимо сжигать каменного угля 4,1 х 106 тонн в год, что в 8,1 х 104 раз больше, чем реактор расходует урана. Этот показатель обычно приводят в качестве основного преимущества атомной энергетики. Покажем, что это не так. В угольной руде содержание угля составляет 1. В богатых урановых месторождениях содержание урана в руде составляет 10-3, в бедных - 10-4 [4], в среднем примем 7-10-4. То есть по содержанию топлива угольная руда в 1428 раз выгоднее урановой. Уголь загружается в вагоны и после транспортировки поступает на ТЭС. Уран, прежде чем попасть на АЭС, должен побывать на четырех заводах [5]:
1. Урановая руда доставляется на гидрометаллургический завод, где уран концентрируется до 90% по и308.
2. Концентрат поступает на завод по рафинированию урана до требуемой химической частоты по ЦБ4 и ИБ6.
3. На газодиффузионном заводе по обогащению урана изотопом 235и в отвалы отправляют примерно такое же количество обедненного урана, сколько произведено обогащенного [3]. На этом заводе потери урана можно оценить коэффициентом 2.
4. Завод по производству топливных таблеток, тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих сборок.
Если уголь полностью сгорает в ТЭС, то огромные потери урана происходят на АЭС из-за недовыгорания его в ядерном реакторе, где под действием тепловых нейтронов делится с
235
выделением тепла только и.
235
Содержание И в урановом топливе, например, для реактора РБМК-1000 составляет 2%.
235
Из них примерно половина ядер И выгорает. Отсюда потери урана из-за недовыгорания можно оценить коэффициентом 100. Общий коэффициент потерь при добыче и сгорании урана составит 1 428 х 2 х 100=2,86-105,что в 3,53 раза больше показателя 8,1-104. Таким образом, уран не имеет преимущества перед углем и тем более перед мазутом и газом вследствие низкого содержания урана в руде, наличия отвалов низкообогащенного урана, недовыго-рания урана в реакторе, высокой стоимости комплекса производств из цепочки четырех урановых заводов. Кроме того, надо было уже 50 лет захоранивать отработанное топливо в глубокие геологические формации, а не хранить его в приреакторных бассейнах выдержки или в промежуточных хранилищах. В настоящее время в мире в результате годовой эксплуатации около 450 энергетических реакторов на «временное» (?) хранение отправляется: 450 реакторов х 50 тонн/год реактор = 22500 тонн отработанного топлива в год. Это 117 потенциальных Чернобылей только за год работы всех АЭС в мире. Кроме того, в каждом из 450 реакторов постоянно находится в работе около 60 т. топлива. Всего 27000 т. Это еще 140 потенциальных Чернобылей. А если стихийное бедствие, отказы инженерных систем, военные действия?
Маловероятные события? Возможно. Но катастрофа в Чернобыле считалась не только маловероятной, но и невозможной. В результате прямые затраты на ликвидацию последствий катастрофы в 1986 году по минимальной оценке составили 35 млрд. советских рублей, косвенные - 125 млрд. руб. [6]. Авария в 1979 году на АЭС Три-Майл-Айленд в США обошлась в 3,5 млрд. дол. прямых затрат и в 130 млрд. дол. косвенных [6]. Возникает желание применить к урану известное изречение Менделеева «топить нефтью - топить ассигнациями». Для нефти имеется в виду потерянная выгода от ее переработки в углеводороды, для урана - затраты на ликвидацию аварий и обращение с отработанным топливом. Последующие поколения людей, в отличие от предыдущих, платят деньги не только за выгоду от использования АЭС, но и за отрицательнее последствия, связанные в основном, с радиоактивностью отработанного уранового топлива. При аварии реактора РБМК-1000 в Чернобыле все радиоактивные отходы, накопившиеся в 192 т уранового топлива и в 1650 г графита, оказались выброшенными на поверхность и в атмосферу Земли. В самой шахте реактора практи-
чески ничего не осталось [7]. Наиболее, пострадали территории на Украине и Белоруссии в радиусе 30 км. В «Рыжем лесу» на расстоянии 2 км от реактора суммарная мощность дозы от бета- и гамма-излучений составляла 140 рентген в час через 3 месяца после катастрофы [8], что в 107 раз больше фонового уровня радиации. После дозы в 100 рентген может начаться лучевая болезнь. В России наиболее пострадала Брянская Область [9]. В отличие от радиоактивных продуктов деления (90Бг, Сб и другие), которые опасны как источники радиации, уран, плутоний и другие тяжелые радиоактивные элементы, накапливающиеся в урановом топливе, опасны и как химические яды.
Некоторые этапы упомянутых аварий не выяснены. При аварии на Три-Майл-Айленд «несколько часов на пульте управления АЭС никто не понимал, что происходит» [10]. При катастрофе в Чернобыле «26 апреля 1986 года мы нажали кнопку аварийной защиты в обычных, предусмотренных всеми инструкциями режимах, чтобы заглушить реакцию. И вместо этого получили взрыв. Как вообще такое может быть: аварийная защита не глушит, а взрывает реактор?» [11]. В работе [7] предположено, что имеет место некоторое фундаментальное незнание нами физических процессов, протекающих в ядерном реакторе. Процессы проявляют себя в полную силу во взрывающихся звездах и взрывающихся ядрах галактик; на Земле в несравнимо меньших масштабах - в ядерных и будущих термоядерных реакторах.
Строительство хранилищ глубоко под землей, строительство реакторов на быстрых ней-
238 239
тронах, перерабатывающих неделящийся И в делящийся Ри и продлевающих энергоресурсы атомных электростанций до нескольких тысяч лет, строительство заводов по выделе-
239
нию из топлива Ри и невыгоревшего урана намного увеличит стоимость электроэнергии с АЭС. Радиоактивные отходы будут нарабатываться с той же скоростью, причем кроме отработанного топлива появятся радиоактивные отходы от переработки топлива.
Разведанные рентабельные запасы урана в рудах с содержанием урана 10"3-10"4 составляет по И308 6 х 106 т [4]. Расход топлива на всех АЭС в мире составляет около 22500 т/год. Умножаем на 2, чтобы учесть потери обедненного урана. Получаем 45000 т/год. Значит, запасов урана хватит на 133 года. Тогда зачем именно сейчас тратить деньги на развитие таких источников энергии, как реакторы на быстрых нейтронах и термоядерные реакторы, если запасов урана для реакторов на тепловых нейтронах хватит до 2100 года, запасов угла для ТЭС хватит до 2400 года? Зачем увеличивать вероятность следующей ядерной катастрофы? За сто лет могут быть открыты новые виды энергии (ядерный реактор был создан через 4 года после открытия деления ядер урана),
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.