Мобильная версия энциклопедии:

Глава 3 ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО

Почему уран?

Человечество связало себя по рукам и ногам электрическими проводами. Бытовая техника, промышленное оборудование, уличное освещение, троллейбусы, метро, электрички – все эти блага цивилизации работают от электрической сети; они становятся бессмысленными «кусками железа», если ток по какой-то причине пропадает. Более того, люди уже настолько привыкли к постоянству электропитания, что любое отключение вызывает недовольство и даже дискомфорт. И правда, чем заняться человеку, у которого разом вырубились все приборы, включая самые любимые – телевизор, компьютер и микроволновку? Особенно тяжело переносить «разлуку» вечером, когда так хочется после работы или учебы, что называется, продлить световой день. Разве планшет спасет или телефон, но ведь и у них заряд не вечный. Еще хуже оказаться в «тюремной камере», в которую по воле блэкаута может превратиться кабина лифта или вагон метро.

К чему весь этот разговор? А к тому, что человечество нуждается в стабильных и мощных источниках энергии – в первую очередь электроэнергии. При ее нехватке раздражающе частыми станут отключения от сети, да и уровень жизни снизится. Чтобы неприятный сценарий не стал реальностью, необходимо строить все новые и новые электростанции: глобальное потребление энергии растет, а действующие энергоблоки постепенно стареют.

Но что может предложить для решения проблемы современная энергетика, преимущественно сжигающая уголь и газ? Конечно же, новые газовые установки, уничтожающие ценное химическое сырье, или угольные блоки, коптящие небо. К слову, выбросы тепловых электростанций – известная экологическая проблема, но вред окружающей среде наносят еще и предприятия по добыче ископаемого топлива. А ведь его потребление огромно. Например, для обеспечения работы обычного холодильника в течение года придется сжечь около сотни килограммов угля или сотни кубометров природного газа. И это только один бытовой прибор, коих множество.

Кстати, а сколько ядерного топлива понадобится, чтобы упомянутый холодильник отработал целый год? Трудно поверить, но… всего один грамм!

Колоссальная энергоемкость ядерного топлива, изготавливаемого из обогащенного урана, делает его достойным конкурентом углю и газу. В самом деле, атомная станция потребляет в сто тысяч раз меньше топлива (по массе), чем тепловая. Значит, и горные разработки при добыче урана имеют значительно меньший масштаб, что важно для окружающей среды. Плюс – отсутствуют выбросы парниковых и токсичных газов.

А возобновляемые источники энергии? Они, конечно, хороши, но все же пока нуждаются в совершенствовании. К примеру, уран готов работать всегда, невзирая на время года, суток или погодные капризы, тогда как солнце принципиально не светит ночью, а ветер дует, когда ему вздумается. Более того, в некоторых местностях возобновляемая энергетика вообще не будет рентабельной из-за низкого потока солнечной энергии или малой средней скорости ветра. Для урана подобных проблем просто не существует.

Эти преимущества и определили выдающуюся роль урана – как ядерного топлива – в жизни современной цивилизации.

Кому сколько досталось?

В одном старом советском мультике зверята решали важную задачу – делили апельсин. В результате каждому, кроме волка, выдали по вкусной сочной дольке; серому же пришлось довольствоваться кожурой. Иными словами, ценный ресурс ему не достался. С этой точки зрения интересно узнать, как обстоят дела с ураном: все ли страны мира обладают его запасами, или есть обделенные?

На самом деле, уран можно обнаружить практически везде: в коре нашей планеты, в Мировом океане, даже в организме человека. Проблема заключается в его «размазанности» по земным породам, а следовательно, в низкой концентрации, из-за которой добыча металла может оказаться невыгодной. Впрочем, кое-где встречаются скопления с высоким содержанием урана – месторождения. Они распределены неравномерно, – соответственно, и запасы урана по странам различаются. Значительная часть богатых залежей этого элемента «уплыла» вместе с Австралией; кроме того, повезло Казахстану, России, Канаде и странам Южной Африки. Однако эта картина не является застывшей, положение дел постоянно меняется благодаря разведке новых месторождений и исчерпанию старых.

Распределение разведанных запасов урана по странам (для запасов со стоимостью добычи < $130/кг)

В водах Мирового океана растворено огромное количество урана – свыше четырех миллиардов тонн. Казалось бы, идеальное «месторождение», добывай не хочу. Ученые разработали специальные сорбенты для извлечения урана из морской воды еще в восьмидесятых годах прошлого века. Почему же этот отличный метод не применяется повсеместно? Проблема в слишком низкой концентрации металла: из тонны воды удастся извлечь лишь около трех миллиграммов! Понятно, что такой уран окажется слишком дорогим. По оценкам, килограмм будет стоить пару тысяч долларов, что значительно дороже «сухопутного» аналога. Но ученые не расстраиваются и изобретают все более эффективные сорбенты. Так что, возможно, в скором времени этот способ добычи станет конкурентоспособным.

На сегодняшний день общее количество разведанных запасов урана со стоимостью добычи менее $130 за килограмм превышает 5,9 миллионов тонн. Много ли это? Вполне достаточно, ведь если суммарная мощность атомных станций останется на нынешнем уровне, то урана хватит лет на сто. Для сравнения: разведанные запасы нефти и газа могут быть исчерпаны всего через тридцать-шестьдесят лет.

Первая десятка стран по запасам урана на своей территории (для запасов со стоимостью добычи < $130/кг)

Однако не следует забывать, что согласно прогнозам атомная энергетика будет развиваться, поэтому уже сейчас стоит задуматься над расширением ее ресурсной базы.

Один из способов решения поставленной задачи заключается в поиске и своевременной разработке новых месторождений. Судя по имеющейся информации, проблем с этим не должно быть:  только за последние несколько лет были найдены новые залежи в некоторых странах Африки, Южной Америки, а также в Швеции. Правда, нельзя с уверенностью сказать, насколько рентабельной окажется добыча обнаруженных запасов. Может случиться так, что из-за малого содержания урана в руде и трудности разработки месторождений некоторые из них придется оставить «на потом». Дело в том, что цена этого металла сейчас сравнительно низкая. С экономической точки зрения тут нет ничего удивительного. Во-первых, в мире еще остались залежи сравнительно легко извлекаемого, и, следовательно, дешевого урана – он поступает на рынок и «сбивает» цену. Во-вторых, после фукусимской аварии некоторые страны скорректировали планы по сооружению новых ядерных энергоблоков, а Япония вообще временно остановила все свои атомные станции – произошло падение спроса, дополнительно удешевившее уран. Но это ненадолго. В игру уже вступили Китай и Индия, запланировавшие масштабное сооружение АЭС на своей территории. Менее амбициозные проекты есть и у других стран Азии, а также у государств Африки и Южной Америки. Даже Япония не планирует расставаться со своей атомной энергетикой. Поэтому спрос будет постепенно восстанавливаться, что вкупе с исчерпанием недорогих залежей приведет к росту цен на уран. Аналитики считают, что ждать осталось недолго, – всего несколько лет. Вот тогда можно будет подумать о разработке оставленных «на потом» месторождений.

Интересно, что списки стран-обладателей крупнейших запасов урана и государств с наиболее развитой атомной энергетикой практически не совпадают. В недрах Австралии находится треть мирового уранового «богатства», но на зеленом континенте нет ни одной атомной станции. Казахстан – мировой лидер по производству этого металла – только еще готовится к строительству нескольких ядерных энергоблоков. Страны Африки по экономическим и иным причинам далеки от присоединения к мировой «атомной» семье. Единственная АЭС в этой части света находится на территории Южно-Африканской Республики. (ЮАР уже сообщила о намерении в дальнейшем развивать свою атомную энергетику).

Что же остается делать «атомным» гигантам – США, Франции, Японии – и наступающим им на пятки Китаю и Индии, если их потребности велики, а собственных запасов – кот наплакал? Конечно же, попытаться заполучить контроль над месторождениями и предприятиями по добыче урана в других странах. Эта задача имеет стратегический характер, и, решая ее, государства вступают в жесткие схватки. Перекупаются крупные компании, предпринимаются политические маневры, реализуются подпольные схемы с подкупом нужных людей или судебными войнами. В Африке эта борьба и вовсе может вылиться в гражданские войны и революции, скрыто поддерживаемые ведущими государствами, которые стремятся к переделу зон влияния.

 В этом плане России повезло: к услугам наших атомных станций – вполне приличные собственные запасы урана, добыча которого ведется в Забайкальском крае, Курганской области и Республике Бурятия. Вдобавок организуется активная геологоразведочная работа. Предполагается, что большим потенциалом обладают месторождения в Трансбайкальском регионе, Западной Сибири, Республике Карелия, Республике Калмыкия и Ростовской области.

Кроме того, Росатом владеет еще и зарубежными активами – крупными пакетами акций уранодобывающих предприятий в Казахстане и США, а также работает над перспективными проектами на юге Африки. В результате Росатом уверенно держится в пятерке ведущих компаний мира, занимающихся производством урана.

Если долго мучаться, топливо получится

Обладание запасами урановой руды – это лишь одна составляющая успеха. В отличие от дров или угля, не требующих особо сложной подготовки, руду нельзя просто порезать на куски и закинуть в реактор. Чтобы объяснить почему, необходимо упомянуть о ряде особенностей, присущих урану.

С химической точки зрения этот элемент отличается высокой активностью, иными словами, он стремится к образованию различных соединений; поэтому искать в природе его самородки, наподобие золотых, – дело совершенно безнадежное. Что же тогда называют урановой рудой? Горную породу, содержащую очень небольшое количество минералов урана. Часто добавляют: небольшое, но достаточное для того, чтобы промышленная добыча была одобрена экономистами. К примеру, сегодня целесообразной считается разработка руды, тонна которой содержит лишь несколько килограммов или даже сотен граммов урана. Остальное – пустая, ненужная порода, от которой предстоит отделить минералы урана. Но их тоже нельзя загрузить в ядерный реактор. Дело в том, что данные минералы представляют собой соединения урана в компании других элементов, от которых его, как ни крути, нужно очистить. В противном случае ядерное топливо, изготовленное из такого «грязного» урана, может оказаться непригодным для реактора и стать причиной неполадок в его работе.

Впрочем, очищенному урану также далеко до топлива. Загвоздка состоит в его изотопном составе: на тысячу атомов урана в природе приходится лишь семь атомов урана-235, необходимого для протекания цепной реакции деления. Остальные – уран-238, который практически не делится, да еще и поглощает, ворует нейтроны. Реактор на природном уране вполне можно запустить, но только при условии использования очень эффективного замедлителя типа дорогостоящей тяжелой воды или чистейшего графита. По целому ряду соображений в подавляющем большинстве реакторов мира используется другой подход: природный уран обогащают по делящемуся изотопу. Иными словами, содержание атомов урана-235 искусственно повышают с семи до нескольких десятков штук на тысячу, благодаря чему нейтроны чаще на них натыкаются. В результате появляется возможность использовать более дешевый, хотя и менее эффективный замедлитель – обычную воду.

А обогащенный уран – это уже конечный продукт? Снова нет, поскольку в энергетических реакторах предусмотрена передача «ядерного» тепла теплоносителю, омывающему топливо, – чаще всего воде. Из-за накопления продуктов деления уран в работающем реакторе становится высокорадиоактивным. Ни в коем случае нельзя допустить его растворения в воде. Для этого уран переводят в химически стойкое состояние, спрессовывают в таблетки, и изолируют их от теплоносителя, помещая в металлическую оболочку. В результате получается сложное техническое устройство, содержащее внутри себя соединения обогащенного урана. Его обычно и называют ядерным топливом, хотя это не совсем правильно. Корректнее применять данный термин именно к таблеткам, изготовленным из химически стойких соединений урана. Более подробно об этом будет сказано дальше.

Упомянутые операции – добыча урана, его очистка и обогащение, а также изготовление ядерного топлива – это начальные стадии так называемого ядерного топливного цикла. С каждой из них необходимо познакомиться подробнее.

Период полураспада урана-238 – 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – всего 700 миллионов лет. Получается, делящийся изотоп распадается в несколько раз быстрее основного. Если подумать, это означает, что в прошлом содержание урана-235 в природной смеси изотопов было больше, чем сейчас. К примеру, один миллиард лет назад из тысячи атомов урана шестнадцать имели ядро с 235 нуклонами, два миллиарда лет назад их число составляло тридцать семь, а за три миллиарда лет до сегодняшнего дня – целых восемьдесят! По сути, руда в те далекие времена содержала уран, который мы сегодня называем обогащенным. И вполне могло случиться так, что в каком-нибудь месторождении сам собой заработал бы природный ядерный реактор!

Ученые уверены, что именно это произошло с несколькими сверхбогатыми ураном залежами месторождения Окло, расположенного на территории современного Габона. 1,8 миллиарда лет назад в них самопроизвольно запустилась цепная ядерная реакция. Ее инициировали нейтроны, образующиеся при спонтанном делении, а дальше сработала высокая концентрация урана-235 и наличие в руде воды – замедлителя нейтронов. Словом, реакция стала самоподдерживающейся и протекала, то активизируясь, то затухая, в течение нескольких сотен тысяч лет. Потом реакторы «погасли», – видимо, из-за изменения водного режима.

На сегодняшний день это единственный известный природный ядерный реактор. Более того, в настоящее время ни в одном месторождении подобные процессы запуститься не могут. Причина вполне понятна – слишком мало осталось урана-235.

Попробуй откопай

Урановые руды крайне редко выходят на поверхность. Чаще всего они залегают на глубине от пятидесяти метров до двух километров.

Неглубокие месторождения разрабатывают открытым или, как его еще называют, карьерным способом. Твердые породы бурят и взрывают, а затем с помощью погрузчиков укладывают в самосвалы и вывозят из карьера. Рыхлые породы разрабатывают и загружают в карьерные самосвалы с помощью обычных или роторных экскаваторов, широко используют бульдозеры. Мощь и размеры этой техники поражают воображение: к примеру, уже упомянутые самосвалы обладают грузоподъемностью в сотню и более тонн! К сожалению, велик масштаб и самого карьера, глубина которого может достигать трехсот метров. После завершения работ он зияет огромной ямой в земной поверхности, а рядом с ним высятся отвалы породы, покрывавшей залежи урана. В принципе, карьер можно засыпать этими отвалами, высадив сверху траву и деревья, но обойдется это непомерно дорого. Поэтому ямы постепенно заполняются водой – образуются озера, не подлежащие хозяйственному использованию из-за повышенного содержания урана в воде. Могут также возникнуть проблемы, связанные с загрязнением грунтовых вод, поэтому урановые карьеры требуют особого внимания.

Впрочем, открытая разработка урана постепенно уходит в прошлое по вполне банальной причине – близкие к поверхности месторождения практически исчерпаны. Теперь приходится иметь дело с глубоко запрятанными рудами. Традиционно их разрабатывают подземным (шахтным) способом. Только не стоит представлять себе суровых бородатых мужчин с кирками, ползающих по выработкам и рубящих руду. Теперь работа горняков в значительной степени механизирована. В горной породе, содержащей уран, сверлят шпуры – специальные глубокие отверстия, в которые закладывают взрывчатку. После взрыва измельченную руду ковшом забирает погрузочно-доставочная машина и по извилистым узким галереям бежит к вагонеткам. Заполненные вагонетки к вертикальному стволу шахты везет небольшой электровоз, а затем с помощью клети – своеобразного лифта – руду поднимают на поверхность.

Подземная добыча обладает рядом особенностей. Во-первых, она может быть выгодной только в случае высококачественных руд с большим содержанием урана, залегающих не глубже двух километров. Иначе расходы на горные работы, добычу и дальнейшую переработку руды сделают уран практически «золотым». Во-вторых, подземное царство урановых рудников – это замкнутое пространство, в котором витает радиоактивная пыль и не менее радиоактивный газ радон. Поэтому без мощной вентиляции и специальных средств защиты типа респираторов горнякам не обойтись.

И при карьерной, и при шахтной добыче руда извлекается в виде довольно больших кусков. Зачерпывая их ковшом экскаватора или погрузочно-доставочной машины, оператор не знает, отбирает ли он руду, богатую минералами урана, или же пустую породу, или что-то среднее. Ведь месторождение не однородно, а мощные машины не умеют работать тонко и изящно. Но отправлять на дальнейшую переработку куски, в которых почти нет урана, по меньшей мере, неразумно! Поэтому руду сортируют, пользуясь главным свойством урана, по которому его нетрудно обнаружить, – радиоактивностью. Специальные датчики ионизирующего излучения позволяют разделить руду по интенсивности испускаемой ей радиации на несколько сортов. Пустую породу направляют в отвалы. Богатую руду – на гидрометаллургический завод. А вот руду с небольшим, но заметным количеством урана сортируют повторно, более тщательно. Сначала ее измельчают, после чего кусочки вываливают на движущуюся ленту транспортера. Над ней установлен датчик ионизирующего излучения, сигнал с которого поступает в систему управления заслонками, расположенными в конце ленты. Датчик настроен так, что реагирует на проезжающий под ним радиоактивный кусочек руды, содержащий минералы урана. Тогда заслонка поворачивается, и руда падает в специальный рудный бункер, откуда ее транспортируют на гидрометаллургический завод. В свою очередь, пустая порода никоим образом не «тревожит» датчик и заслонку и падает в другой ящик – в отвал.

Упрощенная схема радиометрической сортировки руды (современные комплексы устроены гораздо сложнее)

Описанная схема является приблизительной: ничто не мешает сортировать руду на предприятиях другими известными способами. Однако практика показала, что они плохо подходят для урановых руд. Поэтому радиометрическая сортировка – с детекторами излучения – постепенно стала базовой технологией.

В реальности при сортировке руды выделяют и некую среднюю категорию, которую по содержанию урана нельзя отнести ни к богатой руде, ни к пустой породе. Иными словами, направлять ее на гидрометаллургический завод накладно (пустая трата времени и реагентов), а в отвалы – жалко. Такую бедную руду складывают в большие кучи и поливают серной кислотой на открытом воздухе, постепенно растворяя уран. Полученный раствор перекачивают на дальнейшую переработку.

На гидрометаллургическом заводе богатой руде предстоит еще большее измельчение, почти до состояния пыли, а затем – растворение.

Дробят руду на различных мельницах, например, барабанно-шаровых: внутрь вращающегося полого барабана засыпают измельчаемый материал и металлические шары типа пушечных ядер. Во время вращения шары бьют по кусочкам руды, размалывая их и истирая в порошок.

Измельченную руду «вскрывают», то есть частично растворяют, обрабатывая серной или азотной кислотой, или их смесью. В результате получают раствор урана, содержащий множество примесей. Иногда, если урановая руда содержит много природных карбонатов, кислотой не пользуются. В противном случае произойдет реакция, напоминающая гашение соды уксусом, – с интенсивным выделением углекислого газа; и реагент будет потрачен впустую. Как же быть? Оказывается, подобные минералы можно «вскрыть» с помощью раствора соды. В итоге тоже получится раствор урана, который и пойдет на дальнейшую переработку.

А вот остатки нерастворившейся руды приходится направлять в специальные хвостохранилища – не самые «дружелюбные» по отношению к окружающей среде объекты. Стоит напомнить и о пустой породе, отделенной в процессе сортировки: ее складывают в отвалы. И хвосты, и отвалы содержат небольшие количества урана, что делает их потенциально опасными. В связи с этим возникает вопрос: можно ли организовать добычу так, чтобы наносить минимальный вред природе и обеспечить безопасность работников?

Можно, и это давно практикуют. Метод добычи, о котором идет речь, называют скважинным подземным выщелачиванием. Суть его в том, что месторождение «пронзают» множеством скважин. В некоторые из них, называемые закачными, подают серную кислоту, которая спускается на глубину, проходит сквозь руду и растворяет уран. Затем раствор ценного металла забирают из недр уже через другие – откачные – скважины.

Что же получается: ни отвалов, ни хвостохранилищ, ни пыли, ни ям или неожиданных провалов в земле, а в итоге – тот же самый раствор урана? Да. Более того, способом скважинного подземного выщелачивания разрабатывают очень бедные руды, которые экономически невыгодно добывать открытым или шахтным способом. Но при таком наборе достоинств обязательно должны быть недостатки! Что ж, во-первых, бурить скважины глубже восьмисот метров нерационально с точки зрения затрат. Во-вторых, метод не работает в плотных, непористых рудах. В-третьих, серная кислота все же нарушает состав и поведение подземных вод в месторождении, хотя эти нарушения со временем «рассасываются» сами собой. Гораздо опаснее, если раствор разольется по поверхности или, что хуже, через трещины и разломы поднимется с глубины в грунтовые воды. Поэтому за процессом пристально следят, пробуривая контрольные скважины.

Скважинное подземное выщелачивание

Во избежание упомянутых проблем был придуман «шахтный» вариант подземного выщелачивания: блоки руды в выработках дробят взрывами, а затем поливают сверху выщелачивающим раствором (серной кислотой), забирая раствор урана снизу – через дренажную систему.

В любом случае на сегодняшний день подземное выщелачивание является самым безопасным для окружающей среды способом добычи урана. Это одна из причин прямо-таки взрывного роста его популярности. Если в 2000 году всего пятнадцать процентов урана добывали подземным выщелачиванием, то на сегодняшний день эта цифра практически приблизилась к пятидесяти процентам!

Подземное выщелачивание становится лидирующей технологией добычи урана

Чистота - залог здоровья (ядерного реактора)

Раствор урана, полученный при «вскрытии» руды или в процессе подземного выщелачивания, не отличается особой чистотой. Иными словами, кроме урана в нем содержится куча химических элементов, встречающихся в земной коре: натрий и калий, кальций и магний, железо, никель, медь и множество других. Не стоит удивляться образованию такого густого «компота», ведь серная кислота отличается высокой химической активностью и растворяет многие природные вещества; хорошо еще, что не всю руду целиком. Но для изготовления ядерного топлива нужен максимально чистый уран. Если же среди атомов урана будут то тут, то там встречаться атомы примесей, запуск и работа реактора могут осложниться. О причинах подобных проблем будет сказано совсем скоро, а пока можно поставить задачу – очистить уран. И еще желательно получить его в твердом виде, удобном для перевозки. Действительно, растворы для транспортировки не годятся: слишком уж «любят» разливаться или просачиваться сквозь неплотности.

В промышленности эту задачу решают в несколько приемов. Сначала раствор концентрируют, пропуская сквозь специальные материалы, собирающие на себе уран, – сорбенты. Появляется первая возможность для очистки: сорбенты подбирают таким образом, чтобы другие элементы на них почти не «садились», оставались в растворе. Затем уран с сорбента смывают, к примеру, той же серной кислотой. Эта процедура может показаться бессмысленной, если не пояснить, что кислоты для «смыва» нужно гораздо меньше по сравнению с объемом исходного раствора. Так убивают двух зайцев: увеличивают концентрацию урана и частично убирают ненужные примеси.

Вторая стадия очистки связана с получением твердых соединений урана. Их осаждают из концентрированного раствора, добавляя известные «медицинские» реагенты: нашатырный спирт, перекись водорода, а также щелочи или карбонаты. Нужно обратить внимание, что уран не выпадает в осадок в виде металла (его вообще нелегко получить в металлической форме из-за высокой химической активности). Под действием упомянутых регентов на дно аппаратов опускаются разнообразные труднорастворимые соединения урана. Подсушенные и измельченные, они представляют собой желтый порошок, который из-за видимого сходства с пирожным (англ. cake) часто называют «желтый кек». Прокалив его при высокой температуре, получают уже менее красивую смесь оксидов урана – грязно-зеленого или даже черного цвета.

Желтый кек можно направлять на предприятия по обогащению урана

Желтый кек и смесь оксидов урана практически безопасны с радиационной точки зрения. Поэтому для перевозки их загружают в двухсотлитровые металлические бочки или специальные контейнеры. Находиться на расстоянии одного метра от подобной емкости и вполовину не так «вредно», как лететь в самолете, подвергаясь действию космической радиации. Но ведь летать большинство людей не боится! Так что нет повода опасаться и бочек с желтым кеком.

Осаждая соединения урана, процесс стараются вести так, чтобы большинство примесей оставалось в растворе. Но кое-кому из них все же удается «прорваться». Особенно плохо, если в продукцию попадают элементы, сильно поглощающие нейтроны, – бор, кадмий, редкоземельные металлы. По понятным причинам они даже в микроконцентрациях способны помешать протеканию цепной реакции деления.

Кроме того, к нежелательным примесям относят элементы, снижающие пластичность ядерного топлива, и вещества, заставляющие его распухать, расширяться с ростом температуры. В их число входят часто встречающиеся в природе кремний и фосфор, а также вольфрам и молибден. К слову, пластичностью принято называть способность материала изменять свою форму и размер, не разрушаясь. Это очень важно для топлива, которое подогревает себя изнутри и, следовательно, испытывает температурные деформации. Впрочем, высокая температура не должна приводить и к избыточному расширению уранового топлива, иначе оно разорвет защитную металлическую оболочку, после чего вступит в прямой контакт с теплоносителем. Последствием такого «общения» может стать попадание радиоактивных продуктов деления урана в горячий теплоноситель (чаще всего – воду) с их последующим растворением и разносом по всем трубопроводам и аппаратам. Наверное, не нужно объяснять, что это грозит ухудшением радиационной обстановки на энергоблоке: дозы, получаемые обслуживающим персоналом, значительно вырастут.

Как говорится, лучше перебдеть, чем недобдеть. Поэтому требуется еще и третья – завершающая – стадия очистки, называемая аффинажем. Доставленные в бочках или контейнерах соединения урана растворяют в кислоте, теперь уже в азотной. Полученный раствор приводят в контакт с экстрагентом – жидким органическим веществом, вбирающим в себя только уран, но не примеси. Итак, нежелательные элементы остаются в растворе, а уран уходит в «органику». В результате ряда последующих операций его снова переводят в форму оксидов, имеющих необходимую «реакторную» чистоту.

Теперь все хорошо, и можно перейти к следующему этапу – обогащению, то есть искусственному подъему концентрации урана-235.

Тайны обогащения

В начале главы уже упоминалось о том, что в природной смеси изотопов урана очень мало делящегося урана-235 и слишком много «ленивого» урана-238: на семь атомов первого приходится примерно девятьсот девяносто три атома второго. Для большинства реакторов, работающих в настоящее время, это не годится. Им нужно топливо, в котором из тысячи атомов урана к изотопу-235 принадлежат несколько десятков штук, а не единицы, как в природном уране.

Решить задачу обогащения урана, то есть повышения содержания делящегося изотопа, весьма сложно. Казалось бы, как так? Ведь химия обладает широчайшим набором приемов выделения веществ из смесей. Удается же «выковыривать» всего несколько сотен граммов урана из тонны руды! Неужели нельзя провернуть то же самое с изотопами, как-нибудь отделить один от другого? Проблема в том, что химические свойства всех изотопов определенного элемента одинаковы, ведь они определяются числом электронов. Иными словами, нельзя провести такую реакцию, в которой уран-235, например, остался бы в растворе, а уран-238 – выпал в осадок. При любых химических манипуляциях они поведут себя аналогичным образом.

Есть такой параметр – степень обогащения, который представляет собой долю (в процентах) урана-235 в общей массе урана. К примеру, степень обогащения природного урана, в котором на каждую тысячу атомов приходится семь делящихся, равна 0,7 %. В случае ядерного топлива АЭС этот показатель приходится поднимать до 3–5 %, а для производства начинки атомной бомбы – до 90 % и выше.

Как же быть? Нужно найти такие свойства, по которым изотопы хотя бы минимально отличались друг от друга. Первое, что приходит в голову, – масса атома. Действительно, в ядре урана-238 на три нейтрона больше, чем у урана-235; значит, «ленивый» изотоп весит чуть больше. А поскольку масса – это мера инерции, и  она проявляет себя в движении, то основные способы обогащения урана связаны с различиями в скорости перемещения его изотопов в специально созданных условиях.

Исторически первой промышленной технологией обогащения стало электромагнитное разделение изотопов. Из названия понятно, что в процессе каким-то образом задействованы электрические и магнитные поля. Действительно, в этом способе предварительно полученные ионы урана разгоняют электрическим полем и запускают в магнитное. Поскольку ионы имеют заряд, в этом поле их начинает «заносить», закручивать по дуге определенного радиуса. Для примера можно вспомнить разделение урановых лучей в магнитном поле на три потока – эффект, обнаруженный Резерфордом. Альфа- и бета-частицы, обладающие электрическим зарядом, отклоняются от прямолинейного пути, а гамма-излучение – нет. При этом радиус дуги, по которой движется заряженная частица в магнитном поле, зависит от ее массы: чем больше она весит, тем медленнее поворачивает. Это можно сравнить с попыткой вписаться в крутой поворот двух лихачей, один из которых ведет легковую машину, а другой – грузовик. Понятно, что легковушке гораздо проще совершить маневр, тогда как грузовой автомобиль может и не преуспеть. Что-то подобное происходит в магнитном поле с быстро движущимися ионами урана-235 и урана-238. Последние – чуть тяжелее, обладают большей инерцией, и радиус их поворота слегка выше, благодаря чему поток ионов урана разделяется на два. Образно выражаясь, можно поставить два ящичка, в один из которых собирать делящийся изотоп, уран-235, а во второй – «ненужный» уран-238.

В магнитном поле траектория заряженных частиц искривляется, и тем сильней, чем легче частица

Принцип метода электромагнитного разделения изотопов: более легкие ионы урана-235 движутся в магнитном поле по траектории меньшего радиуса по сравнению с ионами урана-238

Метод электромагнитного разделения хорош почти по всем параметрам, кроме производительности, которая, как водится, и ограничивает его промышленное применение. Собственно, поэтому американский завод Y-12 в Ок-Ридже, изготовивший по технологии электромагнитного разделения обогащенный уран для бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму, закрылся еще в 1946 году. Нужно уточнить, что на Y-12 доводили до высокой степени обогащения уран, предварительно обогащенный другими, более производительными способами. Их совершенствование как раз и вбило последний гвоздь в крышку гроба обсуждаемой технологии – в урановой промышленности она больше не используется.

Интересно, что электромагнитное разделение – это универсальный метод выделения изотопов. Росатомовский «Комбинат «Электрохимприбор» (г. Лесной Свердловской области) успешно реализует описанную технологию. Спектр его продукции включает более двухсот изотопов сорока семи химических элементов от лития до свинца. Это не просто внушительные числа – изотопы действительно нужны ученым, врачам, промышленникам… Кстати, их выпускают на установке СУ-20, на которой в начале 1950-х получали оружейный уран со степенью обогащения, близкой к 90 %.

Первые послевоенные десятилетия стали временем активного накопления арсеналов ядерного оружия. Решение этой задачи имело высочайший приоритет, поэтому с расходами особо не считались: важно было запустить массовое обогащение урана. Упор сделали на газовую диффузию – чрезвычайно энергоемкую, но одновременно и производительную технологию обогащения. Ее корни лежат в области теории газов, заявляющей, что при определенной температуре средняя скорость движения молекулы газа обратно пропорциональна массе: чем она тяжелее, тем медленнее перемещается. Особенно это различие заметно при движении по тонким «трубочкам», диаметр которых сопоставим с размером молекулы. Наглядным, хотя и не точным, примером может служить запуск бумажных корабликов в ручейке: маленький кораблик, увлекаемый потоком воды, будет перемещаться быстро; но если сложить из бумаги большое судно размером с русло ручейка, то оно пойдет медленнее, постоянно задевая берега. Возвращаясь к урану, можно сказать, что целевой изотоп с 235 нуклонами в ядре будет продвигаться по «трубочке» быстрее урана-238. На выходе получится газ, обогащенный делящимся изотопом. Вопрос лишь в том, как превратить уран в газ и где взять столь тонкую «трубочку».

«Газификация» урана – обязательное требование технологии, тут уж ничего не попишешь. Но ведь все соединения урана представляют собой твердые вещества, которые и расплавить-то сложно, не то что испарить. Хотя, если подумать, имеется одно весьма удачное соединение – гексафторид урана, в котором уран окружен шестью атомами фтора. Оно с готовностью превращается в газ уже при 56 градусах Цельсия, минуя жидкое состояние. В физике такой процесс принято называть сублимацией или возгонкой. Это явление давно известно, и ничего удивительного в нем нет. Сублимацией, к примеру, пользуются деревенские хозяйки, сушащие белье на морозе: лед испаряется в сухом воздухе, попросту пропуская жидкое состояние.

Так можно представить себе молекулу гексафторида урана

Получается, что гексафторид урана очень удобен с технологической точки зрения. При обычной температуре он твердый и допускает перевозку в специальных контейнерах. В газ переходит при невысокой температуре. Ну а под определенным давлением нагретый гексафторид становится жидкостью, которую можно перекачивать по трубопроводам.

Еще одно удачное обстоятельство заключается в том, что природный фтор состоит всего из одного изотопа – фтора-19. Это означает, что разница масс молекул гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 определяется исключительно изотопами урана. В противном случае разделение оказалось бы слишком трудным или даже невозможным делом, поскольку фтор смягчал бы эту разницу.

Производство гексафторида урана в России осуществляется путем конверсии – фторирования различных соединений урана, например, желтого кека или смеси оксидов, поступивших с добывающих предприятий. Молекулярный фтор для этих целей получают из природного минерала флюорита. Последний обрабатывают серной кислотой с образованием плавиковой (фтороводородной) кислоты, электролиз которой и дает фтор.

Интересно, что фторирование одновременно является четвертой стадией очистки урана, поскольку фториды большинства вредных примесей не отличаются высокой летучестью: уран в форме гексафторида «улетает» от них в газовую фазу.

Итак, газ есть; а что с тонкими «трубочками»? Подходящим решением оказались пористые перегородки – пластинки, пронзенные множеством очень маленьких пор. Диаметр последних должен быть порядка десяти нанометров, чтобы молекулы проходили сквозь них почти поодиночке. Необходимость изготовления перегородок с порами столь малого размера вызвала определенные сложности, но все же задача была решена при помощи специальных подходов, среди которых – спекание никеля или же избирательное растворение одного из металлов, входящих в состав биметаллического сплава.

Если изготовить ящик c такой пористой перегородкой и закачать в него гексафторид урана, молекулы с легким изотопом будут проходить сквозь перегородку чуть быстрее. Иными словами, за ней гексафторид урана окажется слегка обогащенным по делящемуся изотопу. Если направить газ в следующий такой же ящик, степень обогащения станет больше и так далее. Но для получения высокой степени обогащения нужны каскады из тысяч (!) установленных друг за другом ящиков, называемых ступенями. А как заставить уран идти по этим ступеням? Только перекачивая его с помощью множества компрессоров. Отсюда и минусы метода: огромные энергозатраты, необходимость строительства миллионов квадратных метров производственных площадей (длина цеха может достигнуть километра) и использование дорогостоящих материалов. Правда, все это покрывается действительно высокой производительностью. Вот почему газодиффузионная технология обогащения долгое время оставалась основной для таких атомных гигантов, как США, Франция и позднее присоединившегося к ним Китая. Лишь в последние годы они начали активный переход к более экономичной технологии газового центрифугирования.

Схема работы газодиффузионной ступени

В 1960-х годах Ангарский электролизный химический комбинат (Ангарск, Иркутская область) (входит в Росатом), занимавшийся обогащением урана по газодиффузионной технологии,  потреблял около одного процента (!) всей электроэнергии, производимой в Советском Союзе. Энергию на него поставляли Братская и Иркутская ГЭС. По сути, это был крупнейший потребитель электроэнергии в СССР.

В общем, первый опыт показал, что газовая диффузия способна решить проблему, но уж слишком большой ценой. Советский Союз, втянутый в гонку вооружений, нуждался в более производительной и менее энергозатратной технологии обогащения урана. Угнаться за США с их мощным экономическим и энергетическим потенциалом ослабленному войной государству было не так-то просто. Сказывался, среди прочего, недостаток мощностей по производству электроэнергии в европейской части страны: вот почему обогатительные производства были построены в Сибири, где они могли получать питание с крупных гидроэлектростанций. Но все же газодиффузионные установки потребляли слишком много энергии, не позволяя увеличить производство обогащенного урана. Поэтому СССР пришлось стать пионером промышленного применения альтернативной технологии – газоцентрифужной.

Газовое центрифугирование заключается в раскрутке c огромной скоростью барабана, заполненного газообразным гексафторидом урана. Под действием центробежной силы более тяжелый гексафторид урана-238 «отжимается» к стенке барабана, а у его оси остается гексафторид урана-235 – более легкое соединение. С помощью специальных трубок можно забрать слегка обогащенный уран из центра устройства, а чуть обедненный – с периферии.

Схема работы газовой центрифуги

С технической точки зрения барабан, о котором только что шла речь, – это вращающаяся часть (ротор) газовой центрифуги. Он безостановочно крутится в вакуумированном кожухе и иглой опирается на подпятник, изготовленный из очень прочного материала – корунда. Выбор материала неудивителен, поскольку скорость вращения ротора может превышать 1500 оборотов в секунду – в сто раз быстрее барабана стиральной машины. Непрочное вещество такого воздействия не выдержит. Дополнительно, чтобы подпятник не истирался и не разрушался, ротор подвешивают в магнитном поле так, что он едва давит на корунд своей иглой. Этот прием, а также высокая точность изготовления деталей центрифуги позволяет ей вращаться быстро, но практически бесшумно.

Как и в случае газовой диффузии, одна центрифуга – в поле не воин. Чтобы достичь необходимой степени обогащения и производительности, их объединяют в огромные каскады, состоящие из десятков тысяч (!) машин. Упрощенно каждая центрифуга соединена с двумя своими «соседками». Гексафторид урана с пониженным содержанием урана-235, отобранный у стенки в верхней части ротора, направляется в предыдущую центрифугу; а слегка обогащенный по урану-235 газ, который отбирается у оси вращения в нижней части ротора, идет в следующую машину. Таким образом, на каждую последующую ступень подается все более обогащенный уран, пока не получится продукт необходимого качества.

Уходящие вдаль каскады газовых центрифуг

Сегодня центрифужное разделение является основным методом обогащения урана, поскольку эта технология требует примерно в пятьдесят раз меньше электроэнергии по сравнению с газодиффузионной. Кроме того, центрифуги менее громоздки, нежели диффузионные аппараты, что позволяет легче наращивать объемы производства. Метод центрифугирования применяется в России, Великобритании, Германии, Нидерландах, Японии, Китае, Индии, Пакистане, Иране; практически завершился переход к газоцентрифужной технологии во Франции и США. Иными словами, газовой диффузии уже не осталось места.

Благодаря длительной истории использования и совершенствования российские газовые центрифуги являются лучшими в мире. За полвека сменилось уже девять поколений скоростных машин, которые постепенно становились все более мощными и надежными. В результате СССР успешно выдержал «ядерную гонку» с США, а когда важнейшая задача создания арсеналов была решена – появились свободные мощности. И тогда наша страна стала мировым лидером не только в области разработки и производства газовых центрифуг, но и в сфере предоставления коммерческих услуг по обогащению урана.

Наши газовые центрифуги:

- традиционно имеют высоту от полуметра до одного метра, диаметр – десять-двадцать сантиметров;

- располагаются друг над другом в три-семь ярусов с целью экономии места;

- могут работать без остановки до тридцати лет, рекорд – тридцать два года.

Скорость вращения ротора газовой центрифуги такова, что после прекращения подачи электроэнергии он будет крутиться по инерции около двух месяцев!

Бум газоцентрифужной технологии связан с активным развитием атомной энергетики. Атомные станции являются коммерческими предприятиями, ориентированными на прибыль, и поэтому нуждаются в дешевом топливе и, следовательно, в дешевых технологиях обогащения. Это требование постепенно похоронило газовую диффузию.

Но и газовому центрифугированию не стоит почивать на лаврах. В последнее время все чаще говорят о лазерном обогащении – способе, известном уже более сорока лет. Оказывается, при помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать, то есть превращать в заряженные частицы соединения урана-235. При этом соединения урана-238 не ионизируются, оставаясь незаряженными. Получившиеся ионы нетрудно отделить от нейтральных молекул химическим или физическим способом, например, притянув их магнитом или заряженной пластинкой (коллектором).

Возможная схема работы установки лазерного обогащения урана

Судя по всему, лазерное обогащение – очень эффективная технология, но вот ее экономические показатели пока остаются загадкой. Все предыдущие попытки перейти от лабораторного варианта к промышленному использованию «разбились о камни» недостаточной производительности и малого срока службы оборудования. В настоящее время предпринимаются новые попытки создания такого производства. Но даже если они окажутся успешными, останется вопрос экономической эффективности. Рынок обогатительных услуг примет новую технологию, только если она будет значительно дешевле существующей. А ведь газовые центрифуги еще не достигли потолка своих возможностей. Поэтому ближайшие перспективы лазерного обогащения остаются весьма туманными.

Существует ряд других способов обогащения урана: термодиффузия, аэродинамическая сепарация, ионный процесс, но они практически не применяются.

Когда речь заходит о технологиях обогащения урана, нужно обязательно помнить, что они открывают путь не только к ядерному топливу, но и к бомбе. Создание все более эффективных и компактных производств влечет за собой угрозу распространения ядерного оружия. В принципе, развитие технологий может привести к ситуации, когда бомба будет изготовлена государствами с, мягко выражаясь, неустойчивыми режимами или даже крупными террористическими организациями. И если газодиффузионный или газоцентрифужный завод трудно построить незаметно, а для их запуска потребуется ввоз больших объемов характерных материалов и оборудования, то лазерное обогащение практически гарантирует скрытность. В общем, риск для существующего хрупкого мира увеличивается.

Комбинаты по обогащению урана выпускают обогащенный урановый продукт (ОУП) – гексафторид урана с необходимым содержанием урана-235. Его помещают в специальные контейнеры и отправляют на заводы по производству ядерного топлива. Но вместе с тем на обогатительных предприятиях образуется и обедненный гексафторид урана (ОГФУ) со степенью обогащения 0,3 % – ниже, чем у природного урана. Иными словами, это – практически чистый уран-238. Откуда он берется? Дело в том, что процесс обогащения напоминает отделение ценных минералов от пустой породы. ОГФУ и есть своеобразная «пустая порода», из которой изъяли уран-235, хотя и не полностью. (Стопроцентное отделение делящегося изотопа от урана-238 невыгодно с экономической точки зрения). Сколько обедненного гексафторида урана образуется? Это зависит от необходимой степени обогащения урана. Например, если она составляет 4,3 %, как в топливе реакторов ВВЭР, то из десяти килограммов гексафторида урана, имеющего природный изотопный состав (0,7 % урана-235) получается всего лишь один килограмм ОУП и целых девять килограммов ОГФУ. Словом, довольно много. За все время работы обогатительных производств на их площадках в специальных контейнерах было накоплено более полутора миллионов тонн ОГФУ, из них в России – около семисот тысяч тонн.  В мире сложилось различное отношение к этому веществу, но преобладает мнение об ОГФУ как о ценном стратегическом сырье (см. главу 9).

Сфабриковать - в хорошем смысле этого слова

Гексафторид урана – чрезвычайно удобный материал для обогащения, но в реактор его не загрузишь: тут же начнет реагировать с водой или испаряться, да еще и разъест конструкционные материалы. Поэтому изготовление (фабрикация) ядерного топлива начинается с превращения обогащенного уранового продукта в химически стойкое соединение – диоксид урана. Этот процесс может осуществляться двумя основными способами. Первый из них носит название «мокрой» технологии и связан, как нетрудно догадаться, с водой – в ней растворяют гексафторид. Затем из полученного раствора уран действием щелочи выводят в осадок, который впоследствии сушат и прокаливают в атмосфере водорода. Но можно обойтись и практически без воды, просто «сжигая» гексафторид урана в водородном пламени с небольшой примесью пара. Эта технология – «сухая» – является оптимальной, поскольку не дает жидких радиоактивных отходов.

Впрочем, в обоих случаях получается порошок диоксида урана, который еще нельзя взять и засыпать в реактор: его предварительно прессуют в небольшие таблетки. Поскольку им предстоит «работать» в условиях высокой температуры и мощных потоков излучения, таблеткам стараются придать прочность путем спекания в печах при температуре около 1750 градусов Цельсия. Затем следует обработка на шлифовальных станках с помощью алмазных инструментов. Эта стадия необходима, так как качество поверхности и размеры таблетки должны быть выдержаны очень точно. В противном случае расширение некондиционных таблеток с ростом температуры (а в работающем реакторе она довольно высокая) может привести к крупной неприятности – повреждению защитной металлической трубки. Поэтому все таблетки диоксида урана проходят тщательный контроль и лишь после него попадают в специальный бокс. Здесь автомат помещает их в трубки, изготовленные из циркония с небольшой примесью ниобия.

Снаряженная таблетками трубка называется тепловыделяющим элементом или кратко – твэлом. Для удаления коррозионно-опасных газов твэл вакуумируют, то есть «высасывают» из трубки воздух, заполняя ее взамен инертным газом – чистейшим гелием, – и, наконец, заваривают. Сварка производится в атмосфере инертного газа (аргона), чтобы цирконий не окислялся кислородом воздуха. Вся информация о процессе отправляется на компьютер, а на каждый твэл ставят лазерную маркировку, чтобы в дальнейшем можно было отследить его судьбу.

Последней стадией процесса фабрикации ядерного топлива является монтаж твэлов в тепловыделяющую сборку (ТВС) при помощи дистанционирующих решеток. Они нужны для того, чтобы конструкция была прочной, а твэлы не касались друг друга. В противном случае в месте касания будет затруднено охлаждение, и разогревшаяся оболочка может прогореть. При этом топливо оголится и вступит в контакт с водой, что совсем нежелательно.

Последовательность операций при производстве ядерного топлива

Дистанционирующие решетки

Итак, ТВС представляет собой «пучок» твэлов из циркония, внутри которых находится ядерное топливо – таблетированный диоксид урана, обогащенный по делящемуся изотопу. Необходимо пояснить подобный выбор материалов. В ядерном реакторе тепловыделяющая сборка находится в условиях высокой температуры и мощного потока ионизирующего излучения, а также омывается с внешней стороны очень горячей водой под давлением. Поэтому элементы ядерного топлива должны обладать химической и радиационной стойкостью, хорошо проводить тепло и слабо расширяться при нагревании. Диоксид урана и цирконий удовлетворяют этим требованиям.

Следует еще раз напомнить, что таблетки диоксида урана находятся внутри твэлов, поэтому с водой не контактируют. Прямое взаимодействие с теплоносителем крайне нежелательно и происходит лишь при разрушении циркониевых оболочек, – например, при появлении в них трещин. В этом случае радиоактивные продукты деления урана, содержащиеся в ядерном топливе, начинают растворяться в воде, что приводит к повышению уровня ее радиоактивности и ухудшению радиационной обстановки на атомной электростанции. Вот почему так тщательно приходится следить за качеством применяемых материалов и работ по фабрикации ядерного топлива.

С радиационной точки зрения производство ядерного топлива не представляет особой опасности. Риск даже меньше, чем при добыче руды, поскольку в процессе очистки из урана удаляют все сопутствующие радиоактивные вещества.

Однако при работе с обогащенным ураном возможно достижение критической массы и, как следствие, возникновение самоподдерживающейся цепной реакции, о которой уже шла речь в главе 2. Это может произойти в результате ошибки, нарушения правил проведения работ или даже случайно. Всего в мире зарегистрировано шестьдесят таких аварий, из них в США – тридцать три, в СССР/России – девятнадцать. Вот два примера отечественных происшествий.

14 июля 1961 года, Сибирский химический комбинат (обогатительное производство). Образование критической массы в результате накопления гексафторида урана с высокой степенью обогащения (22,6 %) в масле, находящемся в расширительном баке вакуумного насоса. В результате всплеска радиации, сопровождавшего возникшую цепную реакцию деления, оператор получил значительную дозу излучения и перенес лучевую болезнь, – правда, в сравнительно легкой форме.

15 мая 1997 года. Новосибирский завод химических концентратов (производство ядерного топлива). Образование критической массы в результате накопления осадка высокообогащенного (90 %) урана на дне двух соседних емкостей из-за их деформации. К счастью, дозы облучения были незначительными.

Каков вывод? Обращаться с обогащенным ураном нужно крайне осторожно, соблюдая все требования безопасности, постоянно контролируя радиационную обстановку и еще – «включая голову», то есть заранее просчитывая возможные риски.

В заключение можно привести примерные параметры тепловыделяющих сборок, используемых на российских АЭС с реакторами ВВЭР-1000.

Топливная таблетка представляет собой цилиндрик высотой от 9 до 12 миллиметров и диаметром 7,6 миллиметров. Она состоит из диоксида урана, степень обогащения которого находится в диапазоне от 3,3 до 5,0 %.

Таблетки помещены в тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из циркония с примесью 1 % ниобия. Длина такой трубки приближается к четырем метрам, тогда как ее диаметр (9,1 мм) и толщина стенки (0,65 мм) достаточно малы, а значит, твэлы требуют крайне предупредительного обращения. Твэл заполнен таблетками не полностью: высота слоя таблеток около 3,5 метров, а их суммарная масса примерно 1,6 килограмма, причем 62 грамма приходится на уран-235. Остальная часть представляет собой «компенсирующий объем» – он необходим для сбора газообразных продуктов деления и учитывает возможность расширения столба таблеток, например, с ростом температуры.

Тепловыделяющая сборка (ТВС) собирается из 312 твэлов при помощи 12-15 дистанционирующих решеток. Высота ТВС достигает почти 4,6 метра, а ее масса – 760 кг. При этом масса диоксида урана – около полутонны, остальное приходится на цирконий и другие металлы. При взгляде сверху сборка представляет собой шестигранник с размером по граням 235 миллиметров. Почти в каждой сборке есть 19 каналов для стержней управления реактором, содержащих карбид бора – элемента, хорошо поглощающего нейтроны.

В реактор помещается 163 ТВС, что соответствует 80 тоннам диоксида урана, которых хватает на 4 года работы реактора.

Варианты ТВС для реакторов различного типа

Возможны варианты

Итак, самым распространенным топливом для ядерных энергетических установок является таблетированный диоксид обогащенного урана. Однако существуют и другие виды ядерного горючего.

Наряду с чисто урановым активно внедряется смешанное оксидное топливо, известное под названием «МОХ-топливо» (читается как «мокс»). Сейчас оно производится в основном в виде смеси оксидов урана и плутония-239. Такой подход позволяет использовать для выработки электроэнергии избытки оружейного плутония, накопленного в период «ядерной гонки».

В качестве топлива также может быть использован металлический уран. Его отличают высокая теплопроводность и максимальная концентрация делящихся ядер –других-то элементов в составе нет. В то же время уран в форме металла (по сравнению с диоксидом) обладает худшей радиационной, химической и жаростойкостью, поэтому его крайне редко используют в чистом виде. Для улучшения параметров металлического топлива в уран добавляют немного молибдена, алюминия, кремния, циркония. Сегодня металлический уран и его сплавы используют только в исследовательских реакторах.

Вместо диоксида возможно применение нитрида урана, то есть его соединения с азотом. Такое топливо обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с диоксидным – и сравнимой температурой плавления (2855 градусов Цельсия). В нашей стране нитридному топливу уделяется самое пристальное внимание, так как его планируется использовать в следующем поколении реакторов на быстрых нейтронах. Причем применять будут так называемое СНУП-топливо – смесь нитридов урана и плутония. В конце 2016 года успешно завершились испытания первых образцов тепловыделяющих сборок со СНУПом на реакторе БН-600 (см. главы 5 и 10).

Уран способен образовывать соединения с углеродом – карбиды. Возможность применения карбидов в качестве топлива для реакторов интенсивно изучалась в шестидесятые-семидесятые годы прошлого века применительно к космическим ядерно-энергетическим установкам. В последнее время к данному типу топлива вновь возник интерес, связанный с разработками пластинчатых твэлов и микротвэлов. Положительными чертами карбидов являются хорошая теплопроводность, высокая температура плавления, высокая твердость, химическая и термическая стабильность, а также совместимость с керамическими покрытиями, что особенно важно для микротвэлов. Топливо на основе карбида урана может оказаться оптимальным вариантом для определенных типов реакторов следующего поколения, в частности, для быстрых реакторов с газовым охлаждением.

Но все же до сих пор подавляющее число реакторов на Земле работает на ядерном топливе, изготовленном из диоксида урана. Технологии его изготовления и эксплуатации хорошо отработаны и уже стали традиционными для атомной промышленности.

Топливный цикл Росатома

Теперь, ознакомившись с особенностями работы добывающих и перерабатывающих производств, стоит бросить беглый взгляд на историю и современное состояние нашего, отечественного топливного цикла. Начать нужно, конечно же, с добычи урана.

Поначалу урановые руды интересовали российских ученых лишь в качестве источника радия. В 1900 году профессор И.А. Антипов сделал на заседании Петербургского минералогического общества сообщение об обнаружении минерала урана  в образцах, привезенных из Ферганы, с горного массива Тюя-Муюн. Позднее данный минерал был назван тюямунитом.  В 1904 году на этом месторождении начались разведочные работы, в 1908 году в Петербурге был построен пробный завод для переработки урановой руды, а в 1913 году было учреждено международное акционерное общество по добыче тюямуюнского радия.

Когда началась Первая мировая война, работы на руднике практически прекратились, и лишь в 1922 году на Тюя-Муюн была отправлена экспедиция в составе восьми специалистов. В том же 1922 году в тяжелых послереволюционных условиях, в окружении банд басмачей удалось заново наладить промышленную добычу руды. Она продолжалась до 1936 года, когда обильные подземные воды на глубине в две сотни метров прервали разработку месторождения. Впрочем, эта проблема не стала критической, поскольку добыча радия была налажена на «Водном промысле» на реке Ухте – радиоактивный металл извлекали из подземных соленых вод. Уран сам по себе в те годы мало кого интересовал, поскольку практически не использовался в промышленности.

Новый всплеск интереса к урановым месторождениям произошел в начале 1940-х годов, когда перед СССР встала необходимость ответа на исходящую от США ядерную угрозу, – то есть, когда возникла потребность в создании отечественного ядерного оружия.

Уран для первой советской атомной бомбы буквально по крупицам собирали по всей стране и за ее пределами. В 1943 году началась добыча на крохотном, по современным меркам, Табошарском руднике в Таджикистане с производительностью всего 4 тонны урановых солей в год. Причем, по воспоминаниям П.Я. Антропова, первого министра геологии СССР, «руду на переработку по горным тропам Памира возили в торбах на ишаках и верблюдах. Не было тогда ни дорог, ни должной техники».

В 1944-1945 годах, по мере освобождения Европы от фашистов, СССР получил доступ к урановой руде из Готенского месторождения в Болгарии, Яхимовских рудников Чехословакии, шахт немецкой Саксонии. Кроме того, в 1946 году был вновь запущен Тюя-Муюнский рудник, хотя особого вклада в общее дело он не дал.

В 1950-х годах силами Лермонтовского производственного объединения «Алмаз» была начата добыча урана на рудниках в горах Бештау и Бык (Ставропольский край). В это же время приступили к освоению месторождений Южного Казахстана и Средней Азии.

После 1991 года большинство разрабатываемых месторождений оказались за границами России, в независимых государствах. С этого момента основная добыча урана ведется шахтным способом на Приаргунском производственном горно-химическом объединении (Забайкальский край). Кроме того, постепенно набирают силу два предприятия, использующих технологию скважинного подземного выщелачивания – «Хиагда» (Республика Бурятия) и «Далур» (Курганская область). Проектируются производства в Якутии. Есть и перспективные для добычи регионы – Трансбайкальский, Западно-Сибирский, Северо-Европейский…

2016 год

По разведанным запасам урана Россия занимает третье место в мире.

Перечисленные уранодобывающие предприятия (ППГХО, «Хиагда» и «Далур») находятся под управлением Уранового холдинга «АРМЗ» (www.armz.ru), принадлежащего Росатому. Кроме того, у Госкорпорации есть зарубежные активы, управляемые международной компанией «Юраниум Уан Инк» (www.uranium1.com). В результате по объему контролируемой сырьевой базы Росатом выбился на второе место среди крупнейших глобальных компаний!

Примерная ситуация на мировом рынке производства природного урана (2014)

Эстафету от добывающих предприятий принимает целый комплекс производств по аффинажу, конверсии и обогащению урана, а также по фабрикации ядерного топлива. Большинство из них родом из сороковых и пятидесятых годов прошлого века – времени активного накопления ядерного оружия. Сегодня они работают на сугубо мирную отрасль – атомную энергетику – и, в том числе, предоставляют свои услуги зарубежным компаниям.

Обогатительных производств в России – четыре, на некоторых из них также проводятся операции по окончательной очистке (аффинажу) и фторированию (конверсии) урановых соединений.

Исследования и отработка различных технологий обогащения урана начались еще в 1940-х годах в Лаборатории № 2 (теперь – Курчатовский институт), где под руководством будущих академиков И.К. Кикоина и Л.А. Арцимовича были созданы опытные установки.

Первый газодиффузионный завод по обогащению урана Д-1 в Свердловске-44 (современный г. Новоуральск Свердловской области) заработал в ноябре 1949 года. Сначала его продукцию приходилось дополнительно обогащать на электромагнитной установке СУ-20 будущего завода «Электрохимприбор» в Свердловске-45 (г. Лесной), но спустя пару лет Д-1 стал справляться своими силами и начал разрастаться. А с 1967 года стартовала замена диффузионных каскадов на каскады центрифуг, также испытанных и отработанных в Курчатовском институте. Сегодня на месте демонтированного Д-1 находится крупнейшее в мире предприятие по обогащению урана – Уральский электрохимический комбинат.

В 1953 году в Томске-7 (сейчас – г. Северск Томской области) начал работу будущий Сибирский химический комбинат, который c 1973 года стал постепенно переходить на газоцентрифужную технологию.

Первый обогащенный уран с Ангарского электролизного химического комбината (г. Ангарск Иркутской области) был получен в 1957 году, а замена диффузионных аппаратов на центрифуги стартовала в 1985 году.

Наконец, 1962-ой стал годом запуска Электрохимического завода в Красноярске-45 (ныне – г. Зеленогорск Красноярского края). Спустя пару лет и там были установлены первые центрифуги.

Эта краткая справка, конечно, не отражает реалии той нелегкой эпохи. Хотя по секретным, «номерным» названиям закрытых городов и по туманным наименованиям комбинатов можно понять, что Советский Союз тщательно хранил свои тайны обогащения. Тем не менее, места расположения основных производств стали известны зарубежной разведке. А вот активный переход на газоцентрифужную технологию она, что называется, «проморгала». Возможно, это стало причиной некоторой самоуспокоенности наших конкурентов: не зная, что в СССР внедряется более производительная и эффективная технология, Соединенные Штаты придерживались изначально выбранного способа – газовой диффузии. Очевидно, что сложившаяся ситуация была на руку Советскому Союзу и позволила быстро достичь ядерного паритета. В то же время пионерские разработки советских ученых и инженеров по созданию высокопроизводительных газовых центрифуг не пропали втуне. Благодаря им Россия вышла в лидеры на мировом рынке обогащения урана и производства центрифуг.

Обогащенный урановый продукт с четырех комбинатов поступает на Машиностроительный завод (г. Электросталь Московской области) и Новосибирский завод химконцентратов (г. Новосибирск), где выполняется полный цикл производства тепловыделяющих элементов и сборок (ТВС). Цирконий для твэлов и другие конструкционные материалы тепловыделяющих сборок поставляет Чепецкий механический завод (г. Глазов Удмуртской республики) – единственное в России и третье в мире предприятие по изготовлению изделий из циркония.

Изготовленные тепловыделяющие сборки поступают на российские и зарубежные атомные станции, а также используются в реакторах иного назначения.

2016 год

Предприятия по обогащению урана, фабрикации ядерного топлива, производству газовых центрифуг, а также конструкторские и научно-исследовательские организации объединены в составе Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» (www.tvel.ru).

В результате многолетней успешной работы этой компании и входящих в нее предприятий Росатом уверенно возглавляет список крупнейших поставщиков услуг в сфере обогащения урана (более трети мирового рынка).

В Ангарске действует банк ядерного топлива – гарантийный запас, который сможет приобрести страна, лишенная по каким-либо причинам возможности покупки урана на свободном рынке. Из этого запаса она сможет изготовить свежее ядерное топливо и обеспечить бесперебойную работу своей ядерной энергетики.

Доля Росатома на мировом рынке ядерного топлива – 17 %, благодаря чему в каждый шестой энергетический реактор на Земле загружается топливо марки «ТВЭЛ». Поставки идут в Армению, Болгарию, Венгрию, Иран, Словакию, Украину, Чехию, Финляндию, Индию и Китай.

Сверху - мировой рынок обогащения урана (2015), снизу - мировой рынок фабрикации топлива (2015)

Открытый или закрытый?

Можно обратить внимание, что в этой главе не были рассмотрены вопросы производства ядерного топлива для исследовательских реакторов, а также реакторов, установленных на атомных подводных лодках и ледоколах. Все обсуждение было посвящено горючему, применяемому на атомных электростанциях. Однако это было сделано не случайно. Дело в том, что принципиальные отличия между последовательностью производства топлива для АЭС и, например, атомных подводных лодок просто отсутствуют. Конечно, могут быть отклонения в технологии, связанные со спецификой судовых и исследовательских реакторов. Например, первые должны быть небольшими по размеру и одновременно мощными – это вполне естественное требование для атомного ледокола и, тем более, маневренной подводной лодки. Необходимых показателей можно достичь, увеличив обогащение урана, то есть, повысив концентрацию делящихся ядер, – тогда топлива понадобится меньше. Именно так и поступают: степень обогащения урана, используемого в качестве топлива судовых реакторов, находится в районе 40 % (в зависимости от проекта может колебаться от 20 до 90 %). В исследовательских реакторах обычным требованием является достижение максимальной мощности нейтронного потока, а число нейтронов в реакторе напрямую связано с числом делящихся ядер. Поэтому в установках, предназначенных для научных изысканий, иногда применяют высокообогащенный уран. Но вот технология обогащения от этого не меняется.

Конструкция реактора может определять химический состав топлива и материал, из которого изготавливается твэл. В настоящее время основная химическая форма топлива – это диоксид урана. Что касается оболочек твэлов, то они преимущественно циркониевые, но, например, для реакторов на быстрых нейтронах типа БН производят твэлы из нержавеющей стали. Это связано с использованием в качестве теплоносителя жидкого натрия, в котором цирконий разрушается (корродирует) быстрее, чем нержавеющая сталь. Тем не менее, суть процесса фабрикации ядерного топлива остается прежней – из обогащенного уранового продукта синтезируют порошок диоксида урана, который прессуют в таблетки и спекают, таблетки помещают в металлические трубки – оболочки твэлов, готовые твэлы собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС).

Более того, если рассматривать ядерные топливные циклы различных стран, то окажется, например, что в России соединения урана при конверсии фторируют молекулярным фтором напрямую, а за рубежом сначала обрабатывают плавиковой кислотой и только потом фтором. Разница может обнаружиться в химическом составе растворов для «вскрытия» руды, сорбентов и экстрагентов; могут различаться параметры проведения процессов… Но схема ядерного топливного цикла от этого не меняется.

Принципиальное различие пролегает лишь между его открытой (разомкнутой) и закрытой (замкнутой) версиями: в первом случае топливо после «работы» на атомной станции просто изолируют от окружающей среды в глубоком могильнике, а в последнем – перерабатывают с извлечением ценных компонентов (см. главу 9). Россия сделала свой выбор: она – одна из немногих стран, уже давно начавших реализацию замкнутого цикла и далеко продвинувшихся на этом пути.

Пример замкнутого топливного цикла с указанием роли Топливной компании Росатома «ТВЭЛ»