Времени осталось немного

Д.Н.Суглобов, P.M.Яковлев, ГУП НПО «Радиевый институт им. В.Г.Хлопина»

Интеллектуальное развитие, философское умение справляться с последствиями «материального прогресса» все более отстает от новаций в сфере науки и техники. Сегодняшние инженеры не могут заниматься только конкретными вопросами. Они должны разбираться и в общих проблемах.

Конструктивное мышление о будущем требует обобщенного взгляда, выхода за границы узкоспециализированного взгляда. Изменилась не только численность, но и возможности людей. Область влияния человека значительно расширилась. Он научился преобразовывать под свои потребности не только природные системы, но и человеческое сообщество, поставив все на конвейер потребления. «Завтра» не будет прямой экстраполяцией «сегодня». Для такого развития исчерпаны не только ресурсы, но и резервы. Необходим иной стиль деятельности, требующий постоянного выхода за рамки сегодняшних потребностей, оценка принимаемых решений с позиций завтрашнего дня.

До сих пор техника отвечала на вопрос «как?»: как сделать много, быстро, точно, легко. Пришло время ответить на вопрос «для чего?»: следует ли это делать, с какой целью, каковы будут последствия.

И в первую очередь это касается таких областей науки и техники, последствия воздействия которых глобальны во времени и пространстве. В данной статье мы хотели бы обсудить реальные шаги по созданию замкнутого топливного цикла в атомной энергетике, в потенциале способной обеспечить человечество чистой и безопасной концентрированной энергией на ближайшее тысячелетие. В середине XX века все смотрели в будущее ядерной энергетики, основанной на уран-плутониевом цикле, с большим оптимизмом. Урана на Земле немало (в земной коре его ~ 4.10-4%)). И хотя промышленных месторождений сравнительно немного, это не так уж и важно, поскольку можно строить реакторы-размножители, которые эффективно переводят неделящийся уран-238 в делящийся плутоний-239, и тогда может быть использован весь уран (а не только делящийся уран-235), и его хватит надолго. А там, на подходе будет термоядерная энергетика с практически неограниченным ресурсом. По этой причине развитие атомной энергетики пошло по линии освоенного оборонной промышленностью уран-плутониевого цикла с использованием простых и удобных в эксплуатации твердотопливных реакторов с водяным охлаждением, несмотря на то, что в 50-60-х годах были выполнены многообещающие заделы по уран-ториевому циклу. И еще одно обстоятельство было в пользу уран-плутониевого цикла: в годы политического противостояния капиталистической и социалистической систем некогда было заниматься чисто гражданской энергетикой и, к тому же, небесполезно было иметь дополнительный источник плутония-239 как взрывчатого вещества. Однако последующая жизнь кардинально изменила задачи и приоритеты человечества. Официальное противостояние систем закончилось, и оружейный плутоний в больших количествах оказался уже ненужным. Зато масштабно проявились такие грозные и неожидаемые явления, как терроризм при решении политических задач и изменение (потепление) климата Земли, которое приписывается парниковому эффекту (возможно, динамическому).

Террористам хотелось бы иметь ядерное оружие или хотя бы доступ к ядерным материалам, поскольку их превращение в ядерные заряды не представляет особых технических трудностей. Что касается глобального потепления, то атомная энергетика пока является единственным источником чистой (с точки зрения загрязнения атмосферы, окружающей среды в целом) и концентрированной энергии, способным к наращиванию мощностей (гидроэнергетика практически исчерпана). Более широкое использование углеводородных газов смягчит проблему, так как при получении равной энергии их сжигание дает в два раза меньше двуокиси углерода (парникового газа) по сравнению с углем, но не закроет. Внедрение же термоядерной энергетики существенно затягивается. Более того, на современном этапе о термоядерной энергетике больше говорят не как о прямом источнике энергии в виде тепла или электроэнергии, а, скорее, как об источнике нейтронов, которые должны поглощаться урановыми или ториевыми бланкетами с последующим использованием делящихся изотопов урана и плутония в качестве топлива в традиционной атомной энергетике.

На оба указанных вызова эпохи по целому ряду причин современная атомная энергетика достойно ответить не может, находясь в глубоком идеологическом и (в перспективе) экономическом кризисе. Во-первых, она недостаточно безопасна и сама по себе (это стало ясно после Чернобыльской катастрофы) и с точки зрения доступности ядерных материалов. Во-вторых, использование уран-плутониевого цикла в современных энергетических реакторах тянет за собой пока нерешенную проблему обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) и радиоактивными отходами (РАО). Если не предусматривать расходов на обращение с ОЯТ, то стоимость ядерной электроэнергии может быть сопоставима со стоимостью энергии от сжигания органического топлива. Но бесконечно отодвигать проблему переработки ОЯТ нельзя, и тогда расходам на производство энергии пойдет уже другой счет, поскольку придется выкладывать большие деньги на обезвреживание отходов. Самый трудный вопрос, что делать с актинидами (неделящимися изотопами плутония, нептунием, америцием и кюрием), которые в больших количествах нарабатываются в энергетических реакторах уран-плутониевого цикла. Они представляют наибольшую опасность, поскольку очень ядовиты, выделяют много энергии и долго живут. Захоранивать их с гарантией надежности на геологические времена (миллионы лет) практически невозможно, особенно с учетом современных изменений тектонической активности, а трансмутировать очень дорого (нужно строить специальные реакторы или ускорители и периодически проводить дорогие химические переделы высокоактивных продуктов). Наконец, запасы промышленных руд урана не бесконечны. Согласно последней информации (ноябрь 2004 г.) разведанных руд в России хватит на ближайшие 15 лет.

Победно звучащие реляции о решении проблемы РАО и ОЯТ грешат определенным лукавством. Официальные представители, отвечающие за безопасное развитие атомной энергетики, заявляют о том, что «методы обращения с РАО, включая их переработку, в основном, существуют». И проблема лишь «в отсутствии или недостаточной развитости экономических механизмов кооперации и координации работ по различным этапам обращения с РАО» (АС, сентябрь 2004 г., с. 8).

«Рост объемов накопленных отходов связан с нехваткой необходимых мощностей по их переработке». А «для создания современной рыночной эффективной системы обращения с РАО... необходимо разработать и утвердить в Правительстве доктрину обращения с РАО с соответствующим перечнем постановлений и других нормативных актов для ее реализации». Между тем только за последнее десятилетие принято восемь федеральных законов, пять постановлений Правительства РФ и указ Президента РФ, касающихся безопасного использования атомной энергии (там же, с. 16). Но по-прежнему важность проблемы утилизации «ядерного мусора» официальными кругами до конца не осознана, по-видимому, в расчете, что на их век чистой природы хватит. Но это далеко не так. Времени на размышления осталось немного: «Наш мир умирает раньше нас» и по нашей вине, в результате нашей интеллектуальной беспечности. После полувекового периода разработки и эксплуатации ядерных объектов наступила пора расчета за эту эксплуатацию. В ближайшие 25 лет должна быть решена судьба 30 ядерных энергоблоков АЭС, 13 промышленных реакторов, 250 кораблей с ЯЭУ и 90 вспомогательных судов, свыше 30 исследовательских реакторов мощностью до 150 кВт. Требуется решение по 20 открытым бассейнам-хранилищам жидких РАО с суммарной активностью порядка 1,3*108 Ки, практически исчерпан проектный срок эксплуатации 16 предприятий системы «Радон», на которых сосредоточено свыше 200000 м3 отходов (данные д. х. н. СПГТИ А.Ф. Нечаева, «Атомная стратегия», сентябрь 2004 г., с. 2). Суммарный объем требуемых вложений только в вывод ядерных установок оценивается в 700-800 млрд рублей при фактическом финансировании заявленных федеральных целевых программ на уровне 10-12% от утвержденных правительством сумм. Технологических мощностей для переработки поступающих ОЯТ у основного российского предприятия такого профиля - ПО «Маяк» Челябинской области недостаточно. Во временных хранилищах при АЭС накапливаются около 1000 тонн ОЯТ в год. Мощность перерабатывающего ОЯТ комбината РТ-1 сейчас составляет 400 тонн/год. Запланированный много лет назад РТ-2 производительностью 2000 тонн/год до сих пор не построен. Стоимость переработки ОЯТ и высокоактивных РАО с их последующим захоронением в геологические формации составляет по разным оценкам величину от 0,2 (советские оценки) до 1,0 (зарубежные оценки) стоимости изготовления ядерного топлива. Госатомнадзор констатировал, что «ПО «Маяк» не выполняет требуемый современным законодательством РФ и международными правовыми документами объем работ, направленных на повышение безопасности водоемов-хранилищ жидких РАО».

Выделенных 50 млн руб. для Красноярского предприятия по переработке ОЯТ и РАО, строительство которого было заморожено в «ельцинскую эпоху», (из проектных 800 млн), хватит лишь на разработку тары для доставки ОЯТ к месту переработки. Особую неприятность для экологии представляют жидкие РАО (АС, ноябрь 2004 г., с. 33). В России более 413 млн куб. м РАО хранится в жидком состоянии. Все водоемы для хранения переполнены. Их необходимо переводить в твердое состояние и затем хоронить. Ни один грамм сейчас не переработан. Для отверждения низко- и среднеактивных отходов требуется 1800 руб./куб.м, а на хранение отвержденных от 112500 до 375500 руб./куб.м. От накапливаемых со скоростью до 100 тыс. Ки в сутки при «диких» сбросах жидких отходов страдают жители не только Челябинской области, но через систему рек «радиоактивные подарки» поступают и в Ледовитый океан (Н.И. Миронова, там же, с. 21). Спрятаться за Садовым кольцом от подобных угроз вряд ли удастся. Да и мировая общественность не позволит.

А пока принимаются многочисленные программы, воззвания, правительственные решения... конвейер по наработке ОЯТ и РАО продолжает свою тупиковую накопительную функцию. Непереработанная активность ОЯТ и РАО растет, паллиативные решения типа создания реакторов на быстрых нейтронах проблему не решают, так же как и заявления о возможности многократного использования активного плутония после переработки.

После загрузки оружейного плутония в качестве МОХ-топлива в реактор на тепловых нейтронах в конце всего одной кампании, состав плутония становится таким, что делящиеся изотопы (239 и 241Ри) составляют 65,9%. В дальнейшем, после длительной выдержки этот «плохой» плутоний может быть извлечен и использован в ядерной энергетике еще один только раз (далее плутоний становится совсем плохим) или же употреблен для создания атомной бомбы, что из мирного энергетического плутония и сделали в мирных целях индусы. При сильном желании их достижения могут повторить и другие. На реакторе ЛВР мощностью 1000 МВт (эл) за год нарабатывается 200 кг энергетического плутония, а на всех энергетических реакторах - 70 тонн в год. На одну небольшую атомную бомбу хватает 8 кг.

Быстрые же реакторы, на которые особенно уповают в связи с ограниченными запасами дешевого естественного урана атомщики, нарабатывают в зоне воспроизводства чистый плутоний и значительно эффективнее чем на ЛВР. Проторенная военными в период «холодной войны» колея наработки оружейного плутония как сопутствующего элемента в уран-плутониевом цикле засосала не только политических «ястребов», но и технарей, привыкших мыслить линейно, в рамках устоявшейся парадигмы.

А меж тем в тех же США еще в 60-х годах XX в. был создан реактор с замкнутым уран-ториевым топливным циклом. В СССР экспериментальные петли с циркуляцией расплава были созданы на действующем реакторе в ИАЭ им. И.В.Курчатова в 70-80-х годах. Возможно, сегодня американцы сознательно «запамятовали» об этой идее, преследуя цели «гуманитарных интервенций для реализации своих стратегических интересов в странах «оси зла» типа Ирана, Ирака, Северной Кореи, дабы пресечь там использование двойных технологий на атомных энергетических объектах. Разработкой жидкосолевого реактора на уран-ториевом топливном цикле с применением современных технологий и материалов активно занимается творческий коллектив питерских ученых из Радиевого института им. В.Г.Хлопина, Военно-морской академии им. Н.Г.Кузнецова (см. «Атомная стратегия», апрель 2005 г., с. 14). С переходом на уран-ториевый топливный цикл и жидкосолевой реактор все вышеперечисленные проблемы в принципе решаются. Такой реактор имеет очень низкий запас реактивности (обусловленный очисткой топлива от осколочных элементов-поглотителей нейтронов в ходе эксплуатации реактора) и большой отрицательный температурный коэффициент реактивности, что полностью обеспечивает ядерную безопасность реактора. Радиационная опасность для внешней среды такого реактора обеспечена практически отсутствием в активной зоне радиоактивных газов и летучих продуктов, которые выводятся в процессе циркуляции солевого расплава. Существенным для безопасности внешней среды является отсутствие тепловыделяющих сборок (ТВС) с облученным ядерным топливом (ОЯТ), которые надо хранить, перевозить на комбинат и перерабатывать. Кроме того, добыча тория из руды сопровождается радием-228, период полураспада которого 2,5 года, а не 70 лет для тория-230, которым сопровождается добыча урана.

В ходе функционирования уран-ториевого реактора, наряду с синтезом урана-233 сразу по нескольким каналам идет синтез небольших количеств урана-232. Этот изотоп характеризуется интенсивным жестким гамма-излучением, что полностью исключает возможность проводить какие-либо операции с ураном-233 в легких лабораторных боксах, подобно тому, как оперируют с ураном-235 и плутонием-239. Это гарантирует невозможность использования урана-233, нарабатываемого в реакторе, для приготовления ядерных зарядов (даже при участии в работах операторов-самоубийц) без предварительного отделения изотопа уран-232, что практически также невозможно. За время эксплуатации уран-ториевого реактора в нем нарабатывается в 104–105 раз меньше изотопов трансурановых элементов, чем в аналогичном по мощности уран-плутониевом реакторе. Это обстоятельство переводит проблему обращения с радиоактивными отходами уже в практическую плоскость, поскольку для малых количеств трансурановых элементов организация трансмутации не будет разорительной. Кроме того, в схеме ЖСР реализуется непрерывная очистка солевого расплава от основных осколочных элементов-поглотителей нейтронов, и выделяемые осколки (газообразные и твердые) прямо в ходе эксплуатации реактора разделяются на фракции, удобные для последующего хранения или захоронения. За исключением наиболее значимых долгоживущих осколочных изотопов I-129, Тс-99 и Cs-135 хранение осколков (до их распада) должно длиться не более 1000 лет. Достижение надежной изоляции РАО на такой срок с помощью современных особо стойких к радиационному воздействию специальных керамик и модифицированного углерода с добавкой фуллеренов становится реалистичным. Эти же материалы совместимы и их предполагается использовать в активной зоне ЖСР.

Наконец, запасов тория в природе, пригодных для промышленной добычи, гораздо больше, чем запасов урана (например, монацитовые пески с содержанием тория от 3 до 10%, образующие большие залежи).

Рабочие кампании ЖСР предполагаются гораздо более длительными, чем для реакторов на твердом топливе - до 30 и более лет. Для восполнения сгорающего тория-232 в солевой расплав будут периодически добавляться порции тетрафторида тория. В проектном институте ВНИПИЭТ (С.-Петербург) были выполнены изыскания по сопоставлению экономической эффективности уран-ториевого и уран-плутониевого топливных циклов, которые убедительно свидетельствуют о больших преимуществах первого.

По совокупности ключевых параметров уран-ториевый топливный цикл в отличие от уран-плутониевого цикла может удовлетворить потребности человечества в «чистой» энергии (в том числе, обеспечить водородную энергетику водородом и термоядерную энергетику тритием) на современном этапе его развития, поскольку вписывается в указанные выше главные ограничения. Задача практического воплощения этого цикла в жизнь достойна стать научной и инженерной целью Агентства по атомной энергии Российской Федерации на обозримую перспективу без распыления средств на паллиативные варианты решений.

Производительность и четкость производства, считавшиеся главным мотором деятельности, стержнем, вокруг которого организуется социально-экономическая активность, перестали быть приоритетом современного управления. Такой способ поведения стал деструктивным. Научно-технический прогресс, бывший целью в предыдущие полтора столетия, сегодня может претендовать только на роль орудия, средства для реализации более глобальной цели - сохранения земной цивилизации.

Подготовила Т. Девятова

назад

Материалы из архива

10.2007 Программный комитет ярмарки «Атоммед-2007» провел первое заседание

Программный комитет ярмарки «Атоммед-2007» провел первое организационное заседание. В его работе приняли участие представители Российского агентства по здравоохранению, Комитета Государственной Думы по образованию и науке, Комитета Государственной Думы по охране здоровья, Главного военно-медицинского управления Министерства Обороны, Торгово-промышленной палаты РФ, ОАО «Российские железные дороги», Московского научно-исследовательского Онкологического института им. П.А. Герцена

7.2007 Россию оттесняют от казахского урана

 Михаил Сергеев, "Независимая газета" Российские атомщики рискуют лишиться традиционной сырьевой базы в Казахстане. Астана ведет переговоры о покупке 10% американской компании Westinghouse, крупнейшего конкурента «Атомэнергопрома», учредительные документы и совет директоров которого вчера утвердил премьер Михаил Фрадков. С помощью полученных у американцев технологий казахи намерены к 2014 году полностью прекратить поставку на внешний рынок, включая Россию, природного урана, заменив его экспортом готового продукта с высокой добавленной стоимостью – тепловыделяющих сборок, собранных не по российским, а по западным стандартам.

8.2006 Молодые ученые – вымирающий вид?

"Чтобы сохранить сложившееся соотношение научных сотрудников и персонала, сокращение коснется обеих групп примерно поровну. Может показаться, что вспомогательного персонала многовато, но это не так. Площадь серьезных установок, скажем, в институтах ядерных исследований, в химической отрасли доходит до сотен квадратных метров, и, чтобы поддерживать их, нужны многочисленные инженеры, техники, лаборанты…