Какой смысл развивать атомную энергетику, если запасов урана осталось всего на 50 лет?
16 марта
3,9 тыс. прочитали
6,5 мин.
274 нравится
Становление ядерной энергетики как отрасли, со всеми её достоинствами и недостатками, волновало человечество с самого начала атомного века. И самой важной проблемой на заре ядерной промышленности были не ядерные отходы или возможные последствия ядерной аварии на АЭС - нет.
Главная проблема – ограниченность ресурсной базы.
Из 5 902 900 тонн урановой руды, содержащейся в разведанных запасах, пригодны для использования в современной атомной промышленности всего 42500 тонн.
Вся ядерная энергетика изначально выстраивалась вокруг одного химического элемента – Урана. Природная урановая руда содержит в себе наиболее распространённые изотопы: "Уран-235" и "Уран-238".
Изотоп уран-235 обладает нужными радиоактивными свойствами для получения цепной ядерной реакции. Поэтому он и применяется в современной ядерной энергетике.Уран-238 является слаборадиоактивным, и при его применении невозможно получить требуемую ядерную реакцию.
Беда в том, что в урановой руде содержится всего 0,72% нужного нам изотопа урана-235. Практически всё остальное составляет уран-238, который идёт в «отвал», как отход производства.
Этот факт делал развитие атомной энергетики делом очень рискованным и бесперспективным.
Какой смысл развивать столь высокотехнологичную и опасную энергетическую отрасль со столь ограниченной ресурсной базой?
Вопрос вполне логичный. Ведь если дело не имеет смысла, то лучше найти более перспективное направление с неисчерпаемыми энергетическими ресурсами (Солнце, ветер, или термоядерная энергетика).
Ещё в 1945 году учёные оценивали запасы урана, которых должно хватить «всего» на 100-150 лет. Но сегодня уже очевидно, что коммерческих запасов урана-235 при нынешнем потреблении в лучшем случае хватит на полвека.
Однако уже тогда учёные нашли способ включить в топливный ядерный цикл "отвальный" уран-238, экспериментально реализовав концепцию трансмутации (превращения) ядра урана-238 в ядро плутония-239, который так же, как и уран-235, подходит для цепной ядерной реакции.
Образование плутония-239 - наиболее вероятный исход захвата нейтрона ураном-238. Образуются также плутоний-241, уран-233 и прочие элементы. Элементы с нечётной атомной массой являются делящимися изотопами. Следовательно, их можно рассматривать как вторичное топливо для атомных станций. (1 из 2)
Это сулило ядерной энергетике нескончаемый топливный запас (как минимум, на 1000 лет), ведь теперь можно было использовать уран-238, которого в 140 раз больше, чем урана-235.
Для реализации подобного топливного манёвра требовалось строительство реакторов на быстрых нейтронах, которые в ходе своей работы были способны производить новое топливо – "Плутоний-239" (попутно вырабатывая при этом электроэнергию).
Специфика данных ядерных процессов такова, что плутония-239 может образовываться больше, чем «сгорает» урана-235.
В ядерный реактор загружается некоторое количество урана-235 вместе с ураном-238. Уран-235 «выгорает», производя энергию, а нейтроны, выделенные из реакции деления ядер урана-235, поглощаются ядром урана-238, трансмутируя его в плутоний-239, которого оказывается в 1,2 раза больше, чем «сгорает» урана-235.
Учёные приводят хорошую аналогию: представьте, что в печку вы бросили 10 берёзовых поленьев; они сгорели, выделили тепло, обогрели дом, а потом вместо пепла вы достали 12 еловых поленьев. Чудеса, да и только!
Но и это ещё не всё. Процесс образования нового топлива из старого является замкнутым ядерным топливным циклом (ЗЯТЦ), при котором "выгоревший" уран-235 превращает уран-238 в плутоний-239, а тот, в свою очередь, используется в ядерных реакторах совместно с ураном-238 для производства ещё большего количества плутония-239.
Однако эксперименты, начатые по сути ещё в 1946 году, когда в США был построен первый научно-исследовательский реактор на быстрых нейтронах, на сегодняшний день не дали уверенных результатов по промышленному освоению "реакторов-размножителей топлива".
Эта научная программа провалилась во всём мире, за исключением России, где наши учёные нашли способ безопасного метода эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.
Причём на всех этапах эксплуатации быстрых реакторов проявлялись какие-то мистические странности.
- Например, Франция, вложившая огромные средства и ресурсы в проекты быстрых реакторов "Феникс" электрической мощностью в 250 МВт и «Суперфеникс» мощностью в 1200 МВт, столкнулась в ходе эксплуатации с рядом неразрешимых проблем, некоторые из которых даже не получили объяснения.
Здание реактора "Суперфеникс" - самого мощного из когда-либо построенных реакторов на быстрых нейтронах. Проработал лишь с 1985 по 1998 годы.
- Работу быстрого реактора АЭС Мондзю (Япония) мощностью 280 МВт, запушённого в 1995 году, постоянно сопровождали аварии, и в общей сложности он не проработал даже года, что не позволило ввести его в долгосрочную эксплуатацию.
- Советский БН-350 (БН - Быстрый Натриевый) тоже не избежал многочисленных аварий, связанных с утечками натрия.
БН-350
Некоторые проекты, например, Германский "SNR-300" - быстрый реактор с натриевым теплоносителем, несмотря на огромные затраты в 4 миллиарда долларов, достроить так и не смогли.
Возможно, именно поэтому США в 1980-х годах прошлого века вообще отказались от строительства промышленных образцов, ограничившись маломощными исследовательскими реакторами.
Но то ли знаменитая русская смекалка, то ли русская гениальность, то ли простое везение, а может быть и всё это вместе - помогло решить большинство проблем БН-350, в результате чего стало возможным применить полученный опыт в ректоре БН-600, который эксплуатируется с 1980 года по настоявшее время.
Эксплуатация БН-600 дала не только России, но и всему миру надежду на то, что приручить быстрые реакторы и затем безаварийно их эксплуатировать - это вполне посильная для человечества задача. Перебои в работе БН-600 случаются, но они больше не несут критический характер. Сегодня эксплуатацию БН-600 продлили до 2030 года. Рассматривается продление ресурса до 2040 года.
Мы так и не решились сразу перейти к проектной мощности в 1200 Мегаватт, запустив в 2015 году промежуточный быстрый ректор БН-800 мощностью в 880 МВт.
Белоярская АЭС - это уникальное сооружение, где эксплуатируются два промышленных реактора на быстрых нейтронах: БН-600 и БН-800. Планируется строительство третьего реактора - БН-1200.
В 2018 году прошла конференция по достижению и перспективам проекта «Прорыв», где была обоснована концепция строительства мощного реактора БН-1200, так как эксплуатация БН-800 доказала возможность безопасной эксплуатации мощных реакторов на быстрых нейтронах.
Проект БН-1200 постоянно дорабатывается, и по состоянию на 2021 год он претерпел существенные изменения, обретя новую аббревиатуру: «БН-1200М».
Из-за постоянных доработок и изменений срок строительства реактора постоянно переносится. Изначально решение о строительстве должны были принять 2014 году, но сегодня стоит вопрос о переносе сроков на 2022 год.
Без строительства подобных мощных энергоблоков на быстрых нейтронах замкнуть топливный ядерный цикл будет проблематично и, скорее всего, невозможно.
Между тем, в России идёт разработка более безопасных быстрых реакторов со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителем.
По одному из проектов в рамках программы «Прорыв» уже начата реализация целого комплекса, демонстрирующего применение технологий по замыканию топливного ядерного цикла. Он включает в свой состав: фабрику по переработке отработанных ядерных отходов, фабрику по производству мокс-топлива и реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем "БРЕСТ-ОД-300" электрической мощностью в 300 МВт.
Опытно-демонстрационный энергетический комплекс ЗЯТЦ с реактором "БРЕСТ-ОД-300" - это без преувеличения ядерный проект будущего всего человечества. Запуск всего комплекса намечен на 2029 год. Сооружение комплекса уже началось.
Пока Россия восстанавливала после развала 90-тых свою ядерную промышленность и развивала новые технологии, западный мир планомерно отказывался от ядерной энергетики, утрачивая компетенции в данном направлении энергетики.
Успели пройти через процедуру банкротства и деградировать все крупные западные компании, которые были способны сооружать АЭС (например, "Westinghouse" и "Areva").
И это казалось вполне объяснимым в рамках тотального отказа мира от ядерной энергетики, особенно после событий 2011 года на АЭС "Фокусима-1". Но с недавнего времени вновь появился интерес к АЭС, причём как единственной на сегодня возможности сокращения углеродных выбросов и достижения нейтрального воздействия на климат к 2050 году.
Так, в апреле 2020 года министерство энергетики США признало, что будущее мировой энергетики - за АЭС.
Энергетический коллапс начала 2021 года, вызванный холодами в Японии, Европе и США,
показал, насколько ненадёжной является альтернативная энергетика. Это ещё больше подтолкнуло мировое сообщество к восстановлению ядерной отрасли.
Билл Гейтс вообще назвал атомную энергию единственным способом защитить климат.
И уже даже старейший британский авторитетный мировой журнал «The Economist», ранее всячески восхвалявший альтернативную энергетику как энергетику будущего, 6 марта 2021 года
выпустил материал, в котором откровенно признал, что отказ от ядерной энергетики был ошибкой и её немедленно нужно восстанавливать.
Статья о необходимости развития ядерной энергетики в журнале «The Economist».
Общая деградация ядерной промышленности привела к тому, что в мире осталась единственная компания, способная самостоятельно сооружать и обслуживать современные ядерные реакторы нового поколения. Это российская компания «Росатом».
Но остаётся нерешённым главный вопрос: без замыкания ядерного топливного цикла ресурсная база урана-235 будет исчерпана задолго до начала 22 века.
Следовательно, сегодняшний шанс ядерной энергетики на возрождение будет её последним...
Мрачное стереотипное представление о самом чистом и безотходном в конечном итоге виде выработки электроэнергии. Такова мистика ядерной энергетики...
Теперь фактически весь мир будет смотреть на Россию с надеждой на реализацию технологии ЗЯТЦ, которая сегодня является не только климатически нейтральным, но и единственным методом по энергетическому обеспечению устойчивого развития человечества.
О признании ошибок отказа от ядерной энергетики и о планах её восстановления, в том числе предложенные в журнале «The Economist», поговорим в статье «Атомная энергетика официально получила второй шанс. Последний в нашей истории... ».