научная статья по теме АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ЯДЕРНО-ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ЯДЕРНО-ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ»

альтернативным

ядерно-топливныш цикл

V____У

К.т.н. О. Э. МУРАТОВ (ООО "ТВЭЛЛ"), М. Н. ТИХОНОВ

(НИИ промышленной и морской медицины, Санкт-Петербург)

Ограниченность ресурсов углеводородов и их концентрация преимущественно на Ближнем Востоке -регионе политической нестабильности -требуют перевода национальных экономик на использование иных, стабильных и распространенных энергетических источников. Сегодня на высшем политическом уровне ряда стран делается ставка на ускоренное развитие ядерной энергетики (ЯЭ). Развивающиеся страны, прежде всего, Индия и Китай, сделали ядерный выбор неотъемлемой частью своей стратегии устойчивого развития.

За более чем полувековой период своего существования ядерная энергетика достигла 7% всей потребляемой человечеством первичной энергии и превзошла гидроэнергию и другие возобновляемые источники. За столь короткий период своего развития, она утвердилась как новый энергоисточник в мировом энергетическом балансе; продемонстрировала потенциальные возможности в устойчивом энергообеспечении растущих потребностей человечества без видимых ограничений их масштаба; наглядно засвидетельствовала свои достоинства: стабильность и надежность эксплуатации, отсутствие экологически вредных выбросов, значительно меньшие (по сравнению с тепловой энергетикой) объемы отходов, а также воспроизводство топлива путем создания замкнутого ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) без существенного использования ресурсов природы.

Вместе с тем, ЯЭ породила ряд проблем, требующих решения для дальнейшего развития отрасли. "Мирная" ядерная энергетика, как известно, стала следствием создания мирового ядерно-оружейного комплекса, и впервые мощь ее была продемонстрирована в качестве оружия колоссальной разрушительной силы. Именно этот фактор ЯЭ политизировал ее как ни одну другую область науки, промышленности и технологий. Создание промышленных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) потребовало высокого уровня смежных производств и технологий, что было доступно весьма ограниченному кругу стран с развитыми экономикой и технологической инфраструктурой. Поэтому широкой общественностью ЯЭ рассматривается как привилегия избранных, отсюда - ограниченность ее масштабов и регионов использования.

Наиболее распространенные в мире тепловые ядерные реакторы работают на обогащенном уране. Воспроизводство § делящихся материалов - ресурсная база § современной ядерной энергетики. В на- к стоящее время в мире используется н уран-плутониевый топливный цикл, изна- § чально созданный для наработки ору- | жейного плутония. Использование обога- 1 щенного урана и наработка плутония при ^ широкомасштабном развитии ЯЭ связа- § ны с нарастанием угрозы неконтролируе- § мого распространения ядерных материа- £ лов. Другой проблемой, определяющей | перспективы развития ЯЭ, является «

© О. Э. Муратов, М. Н. Тихонов

9

Таблица 1

Активность основных осколочных радионуклидов, образующихся в реакторе мощностью 1 ГВт после года работы

Радионуклид Активность, ТБк %

133Хе 2046.1 8.19

140Ва 1912.9 7.66

140Ьа 1912.9 7.66

952г 1820.4 7.29

91у 1809.4 7.25

95ыь 1783.4 7.14

141Се 1768.6 7.08

143Рг 1676.1 6.71

89вг 1413.4 5.66

132Те 1365.3 5.47

132| 1365.3 5.47

103Яи 1143.4 4.58

103ЯИ 1143.3 4.58

144Се 987.9 3.96

144РГ 987.9 3.96

1311 932.4 3.73

147ЫС 806.6 3.23

90вг 52.91 0.21

137Сэ 39.96 0.16

136Сэ 1.92 0.01

обеспечение экологически безопасного развития отрасли.

Мировая модель развития ядерной энергетики в XXI в., в том числе и отечественная программа "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 гг. и на перспективу до 2015 г.", базируются на использовании современных типов тепловых реакторов. Это российский ВВЭР-1000, французский ЕРЯ-1600 и американский АР-1000, технические решения которых в совокупности обеспечивают надлежащий уровень безопасности. По мнению многих специалистов, дальнейшее развитие ядерных энерготехнологий можно отложить на вторую половину XXI в. Однако, в рамках существующей модели ни одна из указанных выше проблем ЯЭ не решается.

Недостатки современной ЯЭ - ресурсные ограничения, проблемы нераспространения и накопления РАО связаны с использованием "военного" уран-плутониевого топливного цикла, в котором исходным делящимся материалом является 235и, а воспроизводящим 238и.

Наиболее сложной радиационной проблемой такого цикла является накопление высокофонового плутония (239'240'241'242Ри), нептуния (237Ыр), трансплутониевых элементов (241247Ат, 242 244Ст), а также изотопов урана (232 23423би). При использовании исходного топлива на основе 235и и 238и, кроме перечисленных выше изотопов, образуются в существенно меньших количествах и некоторые другие актиниды. Это, во-первых, 238Ри в результате цепочки:

235и(п, У) ^ 236и(п, У) ^ 237и(р") ^

^ 237Ыр(п, у) ^ 238Ыр(р-) ^ 238Ри

и, во-вторых, более тяжелые актиниды, образующиеся при выгорании 242Ри.

Помимо актинидов и трансплутониевых элементов в составе ОЯТ содержатся и долгоживущие продукты деления -99Тс, 12Ч 79Эе, 137Рс1, 135Сэ, периоды полураспада которых составляют от нескольких десятков до сотен тысяч лет (например, для 99Тс - 2.12 • 105). При работе ядерного реактора в нем образуются и другие осколочные радионуклиды (табл. 1). Их количество зависит от времени нахождения реактора в эксплуатации.

Именно использование уран-плутониевого топливного цикла для широкомасштабного производства энергии создает наиболее серьезную и трудноразрешимую проблему - образование большого количества РАО, представляющих радиоэкологическую опасность в течение тысячелетий. Так, при производстве 1 ГВт электроэнергии на традиционных АЭС в год образуется: плутония - 200 кг, трансплутониевых элементов - 4.53 кг,

нептуния - 11.25 кг и продуктов деления -82.1 кг.

При нынешних масштабах ЯЭ в мире на АЭС ежегодно нарабатывается до 85 т высокофонового плутония, который является особым веществом в проблеме негативного воздействия на окружающую среду. Помимо высокой а-активно-сти, плутоний чрезвычайно токсичен химически. При его взаимодействии с силикат-ионами или кремниевой кислотой образуются комплексные соединения, которые не выпадают в осадок и остаются устойчивыми длительное время, а при гидролизе ионы плутония образуют химические комплексы, аналогичные коллоидам и полимерам.

Нептуний, которого ежегодно на АЭС мира нарабатывается около 5 т, кроме высокой радиотоксичности и длительного времени жизни (период полураспада 2.14 • 106 лет) обладает очень низкой сор-бируемостью и высокой миграционной способностью, более высокой, чем у других радионуклидов, что создает весьма сложную техническую проблему при его герметизации и хранении.

Остаточная активность плутония, трансплутониевых элементов, нептуния и продуктов деления, на несколько порядков превосходящая активность природного урана, представляет радиоэкологическую опасность в течение тысячелетий. Поэтому их изоляция от окружающей среды (помимо сложности технических решений) требует больших финансовых затрат, а любое существенное нарушение в процессе обращения с ними может привести к экологической аварии.

Даже при консервативном прогнозе мировой модели развития ЯЭ в XXI в. (~20% всего энергообеспечения) произойдет накопление значительного количества радиоактивных материалов.

Существенное количество плутония, содержащееся в ОЯТ, помимо радиоэкологических проблем, является, как уже говорилось, еще и такой острой проблемой современной ядерной энергетики, как ядерное нераспространение: плутоний может быть выделен из ОЯТ и использован для создания ядерного оружия.

Уменьшить наработку оружейного плутония и долгоживущих РАО можно в том случае, если в качестве топлива реакторов использовать высокообогащенный

235

92и , что, в частности, реализовано в корабельных реакторах. При использовании высокообогащенного ядерного топлива (обогащение по

235

92и до 99.9%), благодаря отсутствию в топливной компо- с» зиции 238и, не происходит на- § работки плутония и транс- £ плутониевых элементов, и в | отработавшем топливе от- § сутствуют минорные осколки | деления, а количество РАО в * 35 раз меньше, чем в реакто- ^ рах, использующих низкообо- | гащенное топливо (табл. 2). § Однако в этом случае на £ первый план выступает про- | блема нераспространения, о

Таблица 2

Состав и количество РАО, подлежащих длительному хранению

Состав РАО

Количество РАО при уран-плутониевом топливном цикле с использованием низкообогащен-ного топлива

Количество РАО при урановом топливном цикле с использованием высокообогащенного топлива

Продукты деления

238и

235и

236и

239-242ри

238Ри

Трансплутониевые элементы:

241, 242Ат

Ч^Ст

1 т 34.55 т 0.29 т 0.16 т 0.26 т 6.2 кг

4.9 кг 3.8 кг 1.1 кг

1 т

0.2 т 8 кг менее 1 кг

поскольку в качестве топлива используется высокообогащенный уран оружейного качества. Помимо проблемы нераспространения, в числе основных недостатков чисто уранового ЯТЦ следует назвать относительно малое наличие

235

природного 92и (0.7 % от общего количества природного урана).

В земной коре среднее содержание урана составляет 2.5 • 10-4% по массе. В ходе геологической истории за счет естественного радиоактивного распада содержание урана в земле постепенно уменьшается. Мировые урановые ресурсы в наиболее богатых месторождениях с концентрацией урана в рудах больше 0.1% в настоящее время оцениваются следующим образом: разведанные запасы - несколько больше 5 млн. т, потенциальные - 10 млн. т. Если исключить из числа рассматриваемых экзотический способ добычи урана из морской воды (хотя там его миллионы тонн), то нынешние разведанные месторождения гарантируют миру достаточную обеспеченность ураном только на ближайшие 7080 лет.

Промышленные запасы урана в России сосредоточены в основном в пределах Стрельцовской кальдеры в Восточном Забайкалье и в Бурятии. Потенциальные неосвоенные запасы урана содержатся в Эльконском урановом районе в зоне БАМа. В целом ситуация с сырьевой базой урана в России выглядит довольно напряженно. В настоящее время финан-§ сирование программы разведки урано-™ вых месторождений в стране значитель-| но увелич

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.

Показать целиком