УРАН, ТОРИЙ И ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО
Разработка способов утилизации радиоактивных отходов (РАО) ядерного топливного цикла — одно из условий дальнейшего развития атомной энергетики. При этом наибольшую опасность представляют жидкие высокоактивные отходы. Какие формы их хранения самые безопасные и сможет ли смягчить проблему обращения с РАО внедрение в отрасль уран-ториевого цикла? На эти и другие вопросы корреспондента газеты «Страна Росатом» ответил заведующий лабораторией радиогеологии и радиоэкологии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН член-корреспондент РАН Сергей Юдинцев.
Выбор технологий для изоляции ядерных материалов — не единственная тема, над которой работает этот коллектив. Основная часть исследований направлена на детальное комплексное изучение урановых месторождений и урановорудных районов с помощью структурно-геологических, минерало-го-петрографических, геохимических, гидрогеохимических и изотопно-геохронологических методов. «Важно понять, как и почему сформировались месторождения урана, — отметил Сергей Владимирович. — Эту информацию можно использовать для поиска аналогичных типов месторождений. У каждого геологического объекта есть общие, повторяющиеся черты, которые позволяют группировать для анализа и прогнозировать подобные месторождения». К тому
же, продолжил он, специалисты лаборатории помогают добывающим предприятиям строить трехмерные компьютерные модели рудных полей, учитывающие положение залежей, перспективные участки, концентрацию урана и т.д. Радиогеологические работы, начатые в институте еще в 1946 г., стали прочной научной базой для интенсивного наращивания в стране сырьевого потенциала урана. На данный момент по запасам этого сырья Россия занимает шестое место в мире.
Сегодня одна из научно-исследовательских групп лаборатории работает на Стрельцовском месторождении (разведанные запасы урана 244 тыс. т), открытом в середине XX в. в Забайкалье и до сих пор остающемся единственным в стране масштабным местом добычи этого стратегического материала. Его выработку (ежегодно примерно 3000 т урана — 93 % российской и 8 % мировой добычи) шахтным способом ведет Приаргунское производственное горнохимическое объединение. Весь добываемый компанией металл поставляется на внутренний рынок.
Другая группа ученых трудится на перспективном сейчас рудном поле Хиагда в Бурятии, где промышленную добычу ценного сырья (его запасы оценены в 39,3 тыс. т) начали не так давно, в 1999 г. Урановый холдинг «АРМЗ» («Атомредметзолото»), входящий в горнорудный дивизион госкорпорации «Росатом», в 2010 г. произвел здесь 135,1 т урана, а в 2011 г. практически удвоил
Приаргунское
производственное
горно-химическое
объединение -
один из крупнейших в мире
поставщиков
природного урана.
Хиагдинское рудное поле (Курганская область, Республика Бурятия), где промышленная добыча урана идет методом скважинного подземного выщелачивания.
этот объем. К 2019 г. предприятие рассчитывает выйти на проектную мощность 1800 т природного металла в год. И тогда ОАО «Хиагда» станет крупнейшим в стране предприятием, добывающим уран методом скважинного подземного выщелачивания.
Кроме того, в лаборатории анализируют мировой опыт иммобилизации наиболее опасной группы жидких отходов с активностью выше 1 кюри на литр и уже более 20 лет ведут поиск оптимальных вариантов обращения с ними, имея в виду изоляцию в высокоустойчивой матрице и последующее захоронение в геологической среде.
В настоящее время наиболее распространенным методом перевода РАО в компактные формы стало так
называемое остекловывание, когда отходы смешивают со специальными боросиликатными или фосфатными стеклами, а потом полученную массу сплавляют и заливают в стальные канистры, размещая их глубоко под землей. Однако результаты исследований свидетельствуют о низкой устойчивости таких матриц в подземных водах, особенно после неизбежной рас-кристаллизации под действием радиогенного тепла. А это чревато проникновением в окружающую среду радиоактивных нуклидов, в том числе долгоживущих актиноидов (Np, Pu, Am, Cm), представляющих наибольшую опасность для человека.
Альтернативой методам остекловывания, считает Юдинцев, могут быть керамические матрицы на ос-
Разведочно-эксплуатационный ствол
Сильно трещиноватые, обводненные породы
Вентиляционный ствол
Схема подземной исследовательской лаборатории в Нижнекамском гранитоидном массиве (Красноярский край) для окончательного захоронения высокоактивных РАО.
нове веществ, близких по составу и структуре природным минералам. Некоторые из них, например содержащие уран и торий, имеют возраст от сотен тысяч до сотен миллионов лет и обладают высокой физико-химической стабильностью в глубоких геологических слоях. Поэтому синтез искусственных аналогов таких минералов с включением в их состав актинидов представляется наиболее перспективным путем длительного безопасного хранения радионуклидов. Правда, отметил Юдинцев, их использование как более надежных, но дорогих видов материалов — дело отдаленной перспективы. Внедрение керамических минералоподобных матриц требует обязательного фракционирования отходов — разделения на корот-коживущие (цезий, стронций) и долгоживущие актиниды, с которыми выделяются редкоземельные элементы. Однако эта технология в промышленном масштабе пока не отработана. Поэтому сейчас для иммобилизации высокоактивных РАО используют главным образом стекломатрицы.
В нашей стране идут интенсивные поиски геологических формаций для долговременного подземного захоронения ядерных материалов. Скажем, оптимальной для этих целей специалисты считают площадку Нижнеканского гранитоидного массива (Красноярский край). Чтобы обосновать соответствие геолого-гидродинамических условий этой территории требованиям безопасной изоляции отвержденных РАО, здесь предполагают к 2020 г. создать подземную исследовательскую лабораторию. Ее разместят на глубине ~500 м от поверхности на площади около 1 км2. Конструктивно она будет представлять собой
комплекс горных выработок, включающий камеры для размещения контейнеров с отходами, горизонтальные и вертикальные стволы для вентиляции, транспортировки грузов и оборудования, а также другие элементы вспомогательного назначения. Пустоты в камерах захоронения РАО после установки контейнеров будут заполнять твердеющей закладкой на основе цементно-бентонитовой смеси. Вертикальные выработки диаметром 6 м и глубиной 508 м оборудуют устройствами для спуска и подъема людей и грузов в ходе разведочных работ, строительства и эксплуатации лаборатории.
Дополнительным весомым аргументом в пользу выбора красноярской площадки служит тот факт, что здесь с 1950 г. работает Горно-химический комбинат по производству оружейного плутония, основные объекты которого размещены в скальных породах. Проводившиеся тут многолетние натурные исследования геомеханических и физико-химических процессов в условиях длительного теплового воздействия (от теплообменников реакторных установок) подтвердили пригодность этого горного массива для подземных хранилищ РАО.
Вместе с тем атомщики решают еще одну глобальную экологическую проблему — создание безотходного по актинидам топливного цикла.
В природе, уточнил Юдинцев, есть два радиоактивных элемента, ценных для атомной энергетики: ^^ обладающий способностью делиться при облучении медленными нейтронами (так же «размножается» и искусственного происхождения ^^^ и 232^, из которого в результате ряда последовательных реакций
Предполагаемый вид
малогабаритного реактора, топливом для которого будет торий.
получается 233и — та же «ядерная спичка», способная запускать цепную реакцию деления. Именно этот радиоактивный нуклид является важным компонентом топлива будущих ядерных реакторов в уран-ториевом цикле.
И интерес к ториевой энергетике, заметил ученый, в мире растет. И вот почему. Запасы этого тяжелого слаборадиоактивного металла на планете превосходят арсеналы урана в 4—5 раз. Что касается России, то у нас разведанных залежей уранового сырья хватит только на 20 лет, а тория в районе Новокузнецка и Томска (Туганское месторождение) достаточно много.
С точки зрения наработки делящихся нуклидов его преимущество, считают специалисты, состоит в тугоплавкости: лишь при 1400-1500оС кристаллическая решетка данного металла начинает претерпевать фазовые превращения. Это позволяет ториевому реактору функционировать при более высоких температурах. Кроме того, радиоактивные отходы от работы таких агрегатов менее опасны по сравнению с традиционными урановыми, да и образуется их в несколько раз меньше. Наконец, ториевый «котел» не обладает запасом реактивности, поэтому по своей внутренней физической сути он не способен породить неконтролируемую цепную реакцию.
Практически каждый тип реактора в то или иное время «примеряли» к использованию в нем ториево-го топлива. Наиболее перспективны, с точки зрения Юдинцева, высокотемпературные с газовым теплоносителем. «Помимо электроэнергии эти реакторы генерируют высокопотенциальное тепло, — отметил он. — Для сравнения: у тепловых реакторов теплоноситель нагревается до 300 оС, у быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (БН-600) — до 600 оС, у газовых реакторов с гелием — до 900—1000 оС. При этом возрастает КПД. Современная АЭС треть вырабатываемой энергии превращает в электричество, а две трети теряются. У газовых реакторов за счет иной организации передачи энергии ядерного распада и ее трансформации в электроэнергию КПД уже за 40%. Каждый процент КПД дает значительную прибавку с точки зрения экономики ядерного цикла. Высокотемпературное тепло можно использовать и в нефтехимии, для газификации биомассы и получения водорода из воды, при производстве синтетического топлива, стекла или цемента и в ряде других задач, где необходимы температуры 800-1000 оС».
В России ториевой энергетикой, напомнил Юдин-цев, занимаются в Физико-энергетическом институте им. А.И. Лейпунского (г. Обнинск Московской области) и Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» (Москва). Однако адекватной технологии изг
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.