Мир на пике – Мир в пике Анпилогов Алексей
Установка будет состоять приблизительно из 80–100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20–25 ступеней».
Представили себе масштаб вложенных усилий?
Около 2000 здоровенных установок ради каких-то 75–100 граммов изотопа 235U в сутки. По факту получилось, что выход урана оказался всего 70 грамм в сутки, а число ступеней разделительного завода пришлось поднять до 3100. Ну а куда деваться было, бомбы ведь тогда были нужны и СССР тоже! Нефтяной динозавр вполне мог в начале 1950-х годов задавить ядерного фокстерьера просто своим весом.
Здание первого в мире завода газодиффузионного обогащения урана К-25 в Окридже, США, занимало площадь несколько десятков гектаров. Строительство обошлось в 500 миллионов долларов США. Тех, старых, еще очень «свободных» и весьма весомых долларов. Протяженность U-образного здания этого завода – около 800 метров.
А внутри – станки, станки, станки! В смысле – диффузоры, диффузоры, диффузоры!
В СССР первая очередь комбината № 813#, рассчитанная на суммарный выпуск 140 граммов 90 % 235U в сутки на двух каскадах по 3100 ступеней разделения, открылась в недостроенном авиазаводе, в поселке Верх-Нейвинск, расположенном в 60 км от Свердловска. Здание завода тоже представляло собой циклопическое сооружение, рассчитанное изначально на сборку самолетов на конвейере. Позже поселок превратился в Свердловск-44, а 813-й завод – в Уральский электрохимический комбинат, крупнейшее в мире производство по разделению изотопов урана.
В чем еще проблема газодиффузионной технологии, кроме того, что под нее надо строить циклопические сараи, напичканные самой современной и весьма капризной техникой?
Она тратит безумно много усилий и горы энергии на очень неэффективное разделение изотопов урана.
При этом, что интересно, по стоимости газодиффузного способа разделения изотопов и сейчас часто любят делать заключения о «низком EROI» ядерной энергетики, объявляя, что она работает чуть ли не на значениях EROI 4:1 или даже ниже. Для начала разберем, что это составляет в абсолютных цифрах, потраченных на обогащение в виде кВт-ч, и как они отражены в полученных килограммах урана.
Например, газодиффузионный комбинат «Евродиф» во французском городе Пьерлате электроэнергию на поддержание своего технологического процесса получает от 4 рядышком стоящих ядерных реакторов. Так 3000 МВт их электрической мощности или 26,280 млн МВт-ч произведенной за год электроэнергии расходуются исключительно на производство 8,5 млн ЕРР за год. В перерасчете на «штуки» – каждый ЕРР на газодиффузном заводе обходится в 3 091 кВт-ч.
Для сравнения, в классической книге «Экономика ядерной энергетики: основы производства ядерного топлива» авторства советского профессора Синева приведено для сравнения энергопотребление центрифуг образца 1982 года – около 100 кВт-ч/ЕРР. Потребление же газодиффузной технологии тоже оценено в этой книге как «в ~25 раз более высокое», то есть составляет около 2 500 кВт-ч/ЕРР.
Согласно же последним оценкам, современные центрифуги как российского, так и европейского производства берут уже лишь 50–60 кВт-ч на производство каждой ЕРР.
Слава Богу, жить французскому газодиффузионному комбинату осталось приблизительно до 2015 года, а далее там останутся уже только одни центрифуги. Аналогичная ситуация складывается и в США – энергетический, а не «военный» подход к вопросу заставляет США закрывать уже в 2014 году газодиффузный комбинат компании USEC и пытаться переходить на технологию газовых центрифуг. Все по-честному: западный подход просто «не вписался в рынок». Здание завода К-25 в Окридже уже тоже, кстати, демонтировано. Совсем. В ноль. Бульдозерами.
Теперь нам, для понимания сути процесса, надо перебить ЕРР в килограммы урана. Вот этот график.
Как видим, для производства урана реакторной чистоты нам надо потратить 6–9 ЕРР на килограмм продукта. Или, в случае использования центрифужного способа производства урана – 600–900 кВт-ч на 1 килограмм урана. С центрифугами нового поколения – и того меньше, всего лишь 300–450 кВт-ч на 1 килограмм урана. Исходный продукт, как мы понимаем, тоже никуда при этом не исчезает, просто он оказывается обеднен изотопом 235U, и мы спокойно оставляем его лежать в отвалах – к перспективам его использования мы вернемся ниже.
Для газовой же диффузии, даже если использовать оценки Синева, а не фактическое потребление «Евродифа», которое еще на 20 % выше, получится гораздо более печальная цифра – от 15 000 до 22 500 кВт-ч на 1 килограмм урана.
При использовании современной реакторной технологии 1 кг урана, обогащенного до реакторной чистоты, достаточно для производства 315 000 кВт-ч электроэнергии. В случае газодиффузной технологии 7 % энергии при этом надо было бы потратить на обогащение самого урана (EROI = 14:1). В случае же использования центрифуг нового поколения эти расходы уменьшаются до смешного уровня в 0,2 %. Ну или в понятном уже нам EROI – эта фаза уранового топливного цикла работает с коэффициентом 500:1 (симпатично смотрится цифра, правда?).
И внезапно разделение изотопов, до определенного момента, с использованием западной газодиффузной технологии, будучи очень затратным и достаточно хлопотным делом, сразу и навсегда становится простым и дешевым процессом. Если, конечно же, опираться на надежные и экономичные «русские» центрифуги.
Как мы пришли к такому перекосу? Почему у России мало того, что 40 % обогатительных мощностей, но они еще и самые лучшие? На протяжении нескольких десятков лет во времена «холодной войны» технологии изотопного обогащения урана в СССР и странах Запада развивались абсолютно изолированно, хотя, как я написал, все начинали с газодиффузионной технологии. Из публикаций косвенных данных СССР было известно, какая промышленная технология используется Западом.
Но в конце 1940-х годов у СССР катастрофически не хватало энергии и денег на строительство «сараев» под диффузоры, и советские ученые вынуждены были искать альтернативы газодиффузному способу.
Найти «отца» технологии центрифуги, который подарил этот «безумный волчок», достаточно непросто. У победы, как вы помните, всегда много отцов.
В СССР в 1940 году сотрудниками Харьковского физтеха Ланге, Масловым и Шпинелем была подана заявка на «Способ приготовления урановой смеси, обогащенной ураном с массовым числом 235. Многокамерная центрифуга», на которую и было выдано авторское свидетельство.
Затем, уже на заре атомного проекта, инженер особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но другие участники проекта его идею не одобряли и смотрели в сторону газовой диффузии. Одновременно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ-5 в Сухуми работали и ученые из побежденной Германии. Это были доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером компании Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Конрад Циппе. Всего в их группу входило около 300 вывезенных из Германии «трофейных» специалистов.
Именно Виктор Сергеев в начале 1950-х годов, во время визита в Сухуми, предложил Штеенбеку поставить в центрифугу отборники газа в виде тонких трубок. Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на теме центрифуг, проявил немецкую категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения изотопов не будет!».
Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…»
В итоге, столкнувшись с неприятием своих идей группой «трофейных» немцев, Сергеев обратился со своей идеей центрифуг к уже упомянутому нами академику Кикоину.
К 1952 году лаборатория Кикоина закончила научную разработку газодиффузионных методов изотопного разделения и убедилась на своей шкуре в их громоздкости, капризности и энергозатратности. Сергеев оказался со своими идеями в нужном месте и в нужное время. Наиболее активным энтузиастом центрифуг был сотрудник академика Кикоина Евгений Каменев, который и возглавил экспериментальные работы по технической реализации идей Сергеева. В том же году на создание центрифуг было переориентировано и занимавшееся ранее газодиффузионными установками ОКБ при Кировском заводе (главный конструктор – упомянутый нами Синев). Итогом коллективной работы всех этих талантливых ученых, конструкторов и инженеров и стала надежная и производительная газовая центрифуга. Центрифуга, которую потом назовут просто – «русская центрифуга». Ведь мы все – русские, украинцы, белорусы, армяне или евреи для Запада именно это и есть – непонятные фокстерьеры из далекой холодной страны. Все – русские.
В дальнейшем, по понятным причинам условий «холодной войны», газовая диффузия и центрифугование урана стали каждая развиваться по отдельности – диффузия на Западе, а центрифуги в СССР.
Сейчас, после почти полувека развития технологии центрифуг в СССР и в России, параметры этих ядерных волчков поражают воображение. Они работают без остановки уже по три десятка лет! Сейчас в каскадах Уральского комбината вращаются центрифуги, включенные там еще при Брежневе. СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Нетрудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (прописью: два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Да и нет там подшипников. Сам ротор представляет собой обыкновенный волчок, внизу у него прочная стальная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец ротора висит в вакууме, удерживаясь только электромагнитным полем. Иголка тоже не простая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом. Способ закалки этой проволоки – государственная тайна. Нетрудно представить, что при такой бешеной скорости вращения сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной. И она – именно такая.
В общем, если вы хотели когда-то увидеть воплощенную упорядоченность и победу над хаосом – это и есть технология газовой центрифуги.
И, надо сказать, именно упорядоченность в нашем мире стоит много дороже энергии. Если у тебя есть энергия – ты получишь и еду, и тепло. Если у тебя есть порядок и упорядоченная структура для получения энергии, то ты сможешь обуздать энергию. В ущелье Олдувай, в пещере Сибуду, в Свердловске-44. Разницы нет никакой. Принцип один.
Впервые услуги обогащения урана странам Запада были предложены СССР еще в 1968 году, и тогда же СССР впервые была озвучена стоимость обогащения урана, которая оказалась примерно в четыре раза ниже западной даже в пересчете на деньги. Ну а первые поставки услуг обогащения на советских центрифугах для западного потребителя произошли еще в 1971 году, когда было подписано соглашение с Францией об обогащении западного урана на советских центрифугах.
В общем, что такое soviet power supreme, Запад узнал задолго до Рейгана и Горбачева. То, что СССР при таком раскладе неизбежно победил бы Запад в будущей ядерной гонке в мирном атоме, знали и понимали все умные люди на Западе. Скажу сразу, что ликвидировать этот разрыв в технологиях западные компании и страны не смогли до сих пор. Сейчас, по состоянию на 2013 год, на российских обогатительных заводах работает уже 9-е поколение центрифуг, а Запад только уходит от диффузии к своим собственным разработкам по технологии газовых центрифуг, которые уже догоняют «русские» центрифуги по уровню энергопотребления, но еще должны показать свою 30-летнюю надежность.
В итоге газодиффузное обогащение оказалось более чем в 20 раз энергозатратнее, нежели обогащение на центрифугах.
Кстати, дополнительную пикантность ситуации придает то, что один из создателей первых советских центрифуг, упомянутый немец Конрад Циппе, безуспешно пытавшийся довести до ума немецкие идеи в Сухуми, в конце 1950-х уехал на Запад. Конрад Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и Каменева и с гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент Циппе сейчас действует в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. Именно Циппе назвал эту модель «русской центрифугой», а потом название прижилось и пошло в народ. Затем Циппе сотрудничал с англо-голландским концерном Urenco и разработал другую модель центрифуги и для них. Сейчас концерн Urenco, который представляет собой конгломерат собственников из Германии, Великобритании и Бельгии, контролирует те самые 23 % мощностей по обогащению, которые засветились на нашем описании «Мирового изотопного клуба». И именно центрифуги Urenco сумел контрабандой сначала приобрести Пакистан, а потом, через Пакистан, и Иран.
В общем, как ни крути, но сейчас русские контролируют 40 % рынка обогащения, а еще около 25 % обогатителей используют русскую технологию обогащения. И, если разобраться, все центрифуги в мире пока в той или иной мере внучки и правнучки первой «русской центрифуги».
Два же из трех основных конкурентов России на мировом рынке услуг по обогащению урана, наиболее мощные компании – французская компания Areva (частично) и американская USEC (полностью), до сих пор используют чрезвычайно энергозатратную газодиффузионную технологию. Центробежной же технологией в условно «западном» исполнении совместно владеют европейские компании Urenco и Areva, но только последнее поколение их центрифуг, возможно, сможет хоть как-то конкурировать с новыми российскими центрифугами по уровню своего энергопотребления.
Причем, как вы понимаете, новым западным центрифугам еще надо наработать тридцать лет и 2 триллиона оборотов, пока они не станут столь же надежными, как советские волчки. То есть, если энергию, расходуемую на обогащение, западники победили достаточно быстро, то вот с упорядоченностью процесса у Запада еще все впереди.
Сами же США так и не смогли овладеть центрифужной технологией в должной мере. Проект «Американская центрифуга», который был начат еще в начале 1970-х годов, так и не «взлетел».
В 1970-е годы, глядя на постепенные успехи европейцев в деле доводки до ума советских центрифужных технологий, Министерство энергетики США (Department of Energy – DOE) потратило больше чем два десятилетия и около 3 миллиардов долларов на научные исследования по разработке и усовершенствованию метода газовой центрифуги для разделения изотопов урана. Интенсивно развернув исследования, специалисты США разработали серию центрифуг с разделительной способностью от 200 до 500 ЕРР в год. Более тысячи этих высокопроизводительных и весьма сложных машин были построены и испытаны прежде, чем программа была остановлена в 1985 году. Однако программа даже на момент своей остановки так и не выползла из стадии опытных разработок. Центрифуги выходили из строя, разрушались на ходу, разносили осколками стенды, да и вообще демонстрировали своим поведением то, что американцы так и не смогли совладать с технологией обогащения урана «по уму». А подход «бури, детка, бури» с центрифугами почему-то не сработал. Видать, материя разделения изотопов урана оказалась чуть тоньше, чем добыча нефти и газа.
В 2000-е годы уже частная обогатительная компания USEC, созданная из уранового подразделения DOE, вернулась к идее довести до ума «американскую центрифугу». Пилотный каскад такого завода должен был стать стандартным блоком для коммерческого завода по обогащению урана. До конца 2002 года должно было быть выбрано место сооружения пилотного каскада, сооружение же пилотного каскада должно было начаться в 2004 году, а его эксплуатация стартовать еще в конце 2005 года. Однако птичка так и не полетела, но при этом прокакала еще около 300 миллионов долларов казенных американских денег.
И какова же ситуация сейчас?
К 2013-му году американской обогатительной компанией USEC изготовлено 115 из 120 новых, доведенных центрифуг. Сборка демонстрационного коммерческого каскада центрифуг должна была начаться в феврале 2013 года, а пробные пуски с гексафторидом урана – к лету 2013 года. Чем закончится полет шмеля «американской центрифуги», пока неизвестно.
Поэтому США, в лучших традициях своего Манхэттенского проекта, зовут в гости европейцев. Завод Urenco в США недавно наконец-то пущен в промышленную эксплуатацию. 20 августа 2012 года первая очередь новых центрифуг Urenco была загружена гексафторидом урана.
Мощность завода Urenco составляет 1,5 млн единиц работы разделения (ЕРР) в год. Или 7 % от мощности существующих обогатительных предприятий России.
Россия же планирует до 2015 года увеличить мощности своих предприятий по разделению изотопов еще на 10 миллионов ЕРР в год. И разделять за год уже 33 миллиона ЕРР.
Русские волчки, уникальные «русские центрифуги» (не чета этим вашим «американским центрифугам») продолжают день за днем, год за годом производить разделение изотопов 238U и 235U для нужд всего мира.
Бабочки и шмели вьются вокруг цветков, делая траву сильнее и пробивая дорогу для мышей, хомячков и фокстерьеров судного дня. Евразия снова придумала невозможное, поставив с ног на голову вопрос того, как надо работать с энергией. Обскакав своими высокотехнологичными, упорядоченными «волчками» циклопические атомные сараи последнего нефтяного динозавра.
Кто контролирует уран, тот контролирует и энергию будущего. «Шпайш машт флоу», как говорили все сильные мира сего в романе «Дюна» Херберта.
Но тут внимательный читатель заметит: «А урана-то совсем мало! Да и он тоже выйдет на пик в 2050 году. Автору незачет!».
Но автор только начал свой рассказ.
Ключевые слова: лидеры, ядерный клуб, «пик урана».
Ключевые смыслы: все течет и все изменяется, но энергия нужна всегда.
Глава 12. Ядерная Спичка
Читательскому вниманию будет предложен целый ряд метафор на запоминание ликов изотопов урана и особо сложной информации. Главное – не надо расстраиваться, если и метафоры не помогут сообразить что к чему. В таком случае стоит сфокусироваться на знакомых фамилиях, типа Сталин, Берия, и почувствовать себя хотя бы гением в области истории.
Автор покажет непривычный и колкий для взгляда подход к ядерному будущему. И он, увы, «совсем не зеленый». Но цивилизация действительно бросает вызов. Это вызов прежде всего ответственности за свои действия людей, потребляющих избыточную энергию вообще и мирного атома в частности. Это и вызов человеческому духу, который не должен быть уничтожен заурядностью работ и избыточным потреблением.
Следующую часть нашего рассказа, которая касается запасов ядерного топлива и некоторых особенностей его обогащения и «горения», я, с вашего позволения, тоже начну с картинок и магических цифр. Ведь нам надо подготовить и историю нового, ядерного фокстерьера в его грядущей схватке с нефтяным динозавром.
Первые магические цифры начнутся у нас сразу с обсуждения вопроса о мировых запасах урана. Вот мировые запасы урана. Они, вне зависимости от изотопов, считаются по сумме наличия 238U и 235U в породе.
Скажу для понимания, что за пятилетний период – с 2006 по 2011 год запасы урана выросли с 3,507 млн тонн до 5,404 млн тонн. Или на 54 %. В полтора раза – хороший темп!
Россия обладает 8,9 % от мировых резервов урана, находясь в общем списке на четвертом месте – после Австралии (треть всех мировых запасов, 31 %), Казахстана (12 %) и Канады (у которой урана совсем на чуть-чуть больше, чем у России – 9 %).
Как видите, именно на долю России и Австралии и пришелся самый значительный рост запасов урана – Австралия увеличила свои запасы с 1,074 до 1,673 млн тонн, а Россия вообще рванула с 7-го на 4-е место в мировой табеле «о рангах», утроив свои запасы с 0,158 до 0,480 млн тонн.
Кроме того, в десятку лидеров в 2011 году ворвались Китай и Нигер, а Нигер даже обошел по уровню запасов США и Узбекистан.
Но в чем же секрет столь быстрого магического роста извлекаемых запасов урана в мире?
Как ни удивительно, но и сюда, как в случае с центрифугами, «дотянулся проклятый Сталин» вместе со своим приспешником – руководителем атомного проекта СССР Лаврентием Берией. Для понимания вопроса «длинных тоталитарных рук» посмотрим на график производства и потребления урана в мире за XX и за начало XXI века.
Голубое – первичное производство урана в шахтах и карьерах по всему миру, зеленая линия – потребление урана на производство электроэнергии на суше, красная линия – суммарное потребление урана на производство энергии на суше и для силовых морских установок (подводные лодки, американские авианосцы, крейсер «Петр Великий», ледоколы «Ямал» и «Арктика» и многие, многие другие).
Как видим, даже из беглого рассмотрения графика видно – в мире в 1945–1985 годах добывалось урана значительно больше, нежели его расходовалось на АЭС и в силовых установках атомного флота.
Именно эти избыточные, давным-давно добытые количества изначально оружейного, высокообогащенного урана сейчас «заскладированы» в боеголовках и военных запасах обогащенного урана по всему миру. Название «оружейный» к нему прилепилось из английского языка (weapon grade uranium), основная же его роль – это топливо для морских энергетических установок.
Ну а полученный при обогащении оружейного урана обедненный уран 238U либо спокойно себе лежит в хвостах обогатительных предприятий, как в России, либо его в целом очень неумно и поспешно разбрасывают в виде сердечников бронебойных снарядов. Все дело в том, что у нефтяного динозавра – США – нет технологий использования изотопа 238U. Речь идет именно о действующих технологиях «сжигания» 238U (теория там как раз ясна давным-давно). И по части такого бездумного использования обедненного урана 238U впереди планеты всей у нас как раз США. Нефтяной динозавр, – что с них взять. Они и в урановый мир будущего тянут свои подходы, выработанные ими за тучный XX век. То циклопические газодиффузные заводы построят, то обедненный уран разбросают по планете. Нефтяные варвары, одним словом.
Например, загрузка морского зенитного комплекса Phalanx CIWS состоит из снарядов с сердечником из обедненного урана. И эта дура выбрасывает его через свои стволы с темпом 100 кг в минуту.
Моя претензия к Пентагону, и в целом к США, именно в этом, – несмотря на выдающиеся пирофорные качества и высочайшую плотность урана, это в первую очередь – ценнейшее топливо будущего, которое можно легко сохранить и пустить в дело потом, когда настанет его время. Впрочем, США не впервой жечь нефтяной газ и лить бензин в реки как ненужный компонент перегонки нефти.
Поэтому, по факту, кроме 5,404 млн тонн природного урана в недрах, сейчас на складах «Росатома», в отличие от американского Министерства энергетики, лежит немало обедненного урана. Как вы понимаете, «смешав» снова оружейный уран с обедненным ураном, вы можете получить столько реакторного урана, сколько у вас есть оружейного. А у России, согласно многим оценкам, на 2013 год осталось около 800 тонн оружейного урана. Это соответствует еще около 100 000 тонн природного урана, но уже в готовом, очищенном виде. Скажу лишь, что это больше добычи всего мира за два года. Или же пятая часть всех ресурсов российского урана, известных на сегодня.
Второй интересный факт, который связан с низкой себестоимостью производства энергетического урана центрифужным способом и напрямую отражается в увеличении резервов урана на Земле – это тотальный пересмотр подхода к оценке геологических запасов и резервов природного урана.
Еще в 2006 году в мировые резервы урана записывали все месторождения, на которых можно было обеспечить производство урана с издержками не более 80 $ за килограмм природного урана. На фоне успехов центрифужной технологии в России и Европе уже к 2010 году «планка отсечения» для цены природного урана месторождений, которые из геологических запасов становятся извлекаемыми запасами или резервами, поднялась до уровня 130 $ за килограмм урана. Отсюда и рост резервов урана, есть и новые открытия, но основная часть прироста – это перевод геологических запасов в извлекаемые резервы.
Таким образом, улучшение используемой технологии разделения изотопов (замена газовой диффузии на центрифугование), казалось бы, далекое от каких-либо геологических вопросов, незримым образом подставляет плечо шахтам и карьерам по добыче урана в рамках единого ЯТЦ, позволяя добывать уран из гораздо более бедных руд.
Кроме того, в последнем отчете МАГАТЭ по запасам урана в мире справедливо указывается, что урановые запасы и резервы России по-прежнему недооценены. Причины этой ситуации такие же, как и для запасов нефти и газа – территория страны еще не до конца изучена в геологическом отношении, а там, где изучена и геологические запасы урана известны, не всегда есть инфраструктура для его рентабельной добычи.
В общем, вопрос освоения Сибири столь же актуален в случае урана, как он актуален в случае нефти или газа.
Таким образом, сейчас окончательный общий потенциал мировых запасов урана со стоимостью извлечения до 130 $ за килограмм оценивается в 6 306 300 тонн.
Много это или мало?
Как я писал ранее, содержание легкого изотопа урана 235U в породе для большинства месторождений составляет 0,71 %. Если посчитать общие мировые запасы урана исключительно по содержанию 235U, то они составят 45 406 тонн. Плюс, как я сказал, еще около 800 тонн такого практически чистого урана 235U есть в эксклюзивном распоряжении у России.
Если «перебить» этот природный 235U в баррели нефти (как мы помним, килограмм урана «энергетичнее» килограмма бензина где-то в два миллиона раз), то мы получим для оценки мировых запасов изотопа 235U энергетический эквивалент около 90,81 млрд тонн нефти.
Для понимания значения этой цифры – самой нефти в мире «от царя Гороха» и до «сейчас» уже добыто около 1 триллиона 450 млрд баррелей нефти и еще где-то столько же находится в недрах. В тоннах накопленная добыча и остаток нефти в мировых недрах составит около 200 млрд тонн, то есть энергии нефти в недрах сейчас всего лишь в два раза больше, чем там принципиально содержится самого легко утилизируемого изотопа урана – урана 235U. Однако на самом деле накопленной энергии тяжелых ядер в недрах Земли гораздо больше, чем можно заключить, принимая в расчет исключительно один изотоп урана – 235U.
Как мы помним, в урановой руде и в отвалах наших обогатительных комбинатов есть 238U, в наших реакторах постоянно возникает изотоп плутония 239Pu, а кроме урана на Земле есть хоть и менее удобный, но тоже утилизируемый торий, представленный своим одним изотопом – 232Th, и его тоже можно вовлечь в ядерный топливный цикл.
А изотоп урана 235U – это все лишь ценнейшая «ядерная спичка», которой надо поджечь всю эту охапку «ядерных дров». Ведь изотоп 235U – это отнюдь не единственный тяжелый атом, который можно разделить с выходом энергии. Это просто самый доступный нам атом на современном уровне нашей технологии. С нашей текущей негэнтропией. Фокстерьеру надо еще вырасти в большого и сильного медведя.
Фокстерьер уже нашел «ядерную спичку». Пару раз неосторожное обращение с огнем уже обожгло ему лапы.
Вокруг фокстерьера идет дождь и валяется куча сырого дерева. Фокстерьеру холодно и страшно.
Но «ядерная спичка» по-прежнему у него в распоряжении. И фокстерьеру просто надо немного подрасти и научиться разжигать ядерный огонь этой «ядерной спичкой».
В общем, ничего из добытых человечеством тяжелых ядер не пропадет даром и не должно быть выброшено просто так, случайным образом, – рано или поздно, я верю, все накопленное пойдет в реакторные топки. Ну а пример урановой бесхозяйственности нефтяного динозавра по разбазариванию обедненного урана пусть будет у нас перед глазами. Посмотрим теперь на наш расклад по тяжелым ядрам глазами будущих ядерных медведей. В которых мы, наверное, хотим вырасти из смелых, но маленьких ядерных фокстерьеров. Чтобы не погибнуть вместе с нефтяным динозавром.
Сколько таких тяжелых изотопов есть у нас в запасниках?
Проще всего вопрос с самим ураном. Как вы понимаете, количество 238U я вам уже сказал, озвучив мировые запасы урана, которые определяются по сумме всех изотопов. За вычетом 45 406 тонн «легкого» изотопа 235U, нашей «ядерной спички», «тяжелого» изотопа урана 238U (только в открытых и оцененных месторождениях!) сейчас около 6 250 000 тонн. Плюс – у рачительной России еще около 250 000 тонн изотопа 238U сложено в виде обедненного урана просто на складах.
В бочках… В виде гексафторида урана. Под открытым небом. На бетонной площадке. Бери, откупоривай баклажки, думай, как поджечь эти «сырые дрова».
Мы же сосредоточимся на том, как поджигать ядерной спичкой атомные дрова на нашем текущем уровне понимания вопроса. Дети, подсаживайтесь поближе, и я расскажу вам, как разжигать настоящий «пионерский кастрик».
Пожалуй, трудно найти во всей известной человечеству физике раздел, более интересный и парадоксальный, нежели физика атомного ядра. Если классическая теория тяготения в чем-то напоминает аптеку, от термодинамики всегда неуловимо тянет запахом кладбища, а оптика со своими смешными линзами, призмами и радугой мне почему-то напоминает детский садик, то ядерная физика – это, безусловно, лотерея.
Тут тебе и разноцветные «шарики» протонов и нейтронов внутри ядра, пробуждающие скрытые ассоциации со «Спортлото-82». Тут тебе и терминология, от которой веет какой-то небывальщиной: «странные» и «очарованные» частицы. Тут тебе и совершеннейшая начальная непредсказуемость многих результатов ядерной физики за бурный XX век. («Так-с… что это за хрень залетела к нам в нашу пузырьковую камеру? Давайте-ка подумаем…»)
Не является исключением в этом ряду и физика трансурановых элементов.
Вплоть до изотопа свинца 208Pb все элементы таблицы Менделеева стабильны. Два показательных исключения из этого правила – прометий, элемент с порядковым номером 61, один из редких лантаноидов; и технеций, элемент с порядковым номером 43, который своим аномальным поведением смутил еще дедушку Менделеева.
Менделеев предсказал технеций в виде эка-марганца, но в силу того, что элемент технеций по необъяснимому капризу природы оказался радиоактивным (самые стабильные изотопы технеция живут несколько миллионов лет), то весь XIX век его никак не могли найти. Вот уж где была алхимия – «открывали», а потом «закрывали» эка-марганец как минимум пять раз. А что? При желании черная кошка находится в любой темной комнате. Правда, потом кошка может загавкать, но это уже будет потом.
Получили технеций только в 1937 году, уже искусственно, на циклотроне. Прометий синтезировали чуть позже, в 1945 году. Ну и тогда же придумали эмпирическое правило, почему у технеция и прометия не может быть стабильных изотопов. Правило хорошее, и оно работает, но вот до «периодической системы изотопов», которая бы хоть как-то напоминала по своей стройности «периодическую систему элементов», по-прежнему столь же далеко, как до победы коммунизма в масштабах отдельно взятой планеты.
Понятно, что такая система когда-то будет построена и, наверное, будет включать в себя достаточно понятную и простую математическую модель поведения любого изотопа, объяснит варианты распада существующих ядер и предскажет поведение новооткрытых; но пока мы имеем, что имеем. И, если при взгляде на верхний рисунок вас вдруг потом, во сне, как у Дмитрия Ивановича, посетит озарение и вы начнете резво набрасывать систему из сложных уравнений, – не пугайтесь. Это не болезнь, это гипотеза. Пишите, например, в Дубну или в Обнинск. Там тоже иногда по ночам не спят, они выслушают, поймут и поддержат.
На предыдущей картинке уже отчетливо видны и все доступные человечеству, благодаря капризам «лотереи» ядерной физики, квази-стабильные изотопы элементов, лежащих за стабильным «материком» легких элементов.
Это несколько «небоскребов» на острове, расположенном ближе всего к зрителю.
Квазистабильные изотопы – это изотопы, период полураспада которых измеряется сотнями миллионов и миллиардами лет, то есть нижняя черта стабильности для этих изотопов проведена сугубо условно – условием квазистабильности принята возможность обнаружения данного изотопа в каких-то значительных количествах в природе, на нашей Земле, по состоянию на 2013 год. Тот же прометий и технеций методами сверхточной спектроскопии нашли впоследствии в урановых рудах как результат распада ядер урана, но это лишь подтвердило фундаментальные выкладки. Никакого разумного использования это открытие не имело – при желании изотопы дешевле получить в реакторе из квазистабильных.
Дальше, если Вы не против, у нас пойдут «веселые картинки», которые помогут многим не заскучать во время рассказа о ядерных реакциях и изотопах.
Перечислим эти изотопы поименно. Это: уран, который в природе представлен тремя изотопами – 234U, 235U и 238U. Изотопы 238U и 235U являются квазистабильными и содержатся в породе с относительными концентрациями 99,283 % и 0,711 %. Легкий изотоп 235U, как вы помните, как раз и получают из природного урана, а потом запихивают в АЭС и в ядрен-батоны.
Изотоп 234U образуется тут же, прямо в залежи урана, за счет -распада основного стабильного изотопа урана – 238U (основного, малоактивного природного изотопа урана, тот, который на фото сверху в жутких семейных трусах и шлепках).
Поскольку 234U имеет период полураспада «всего-то» в 245 тысяч лет, его в природном уране вообще очень мало – всего 0,0055 %.
Но, как говорится, «мал клоп, да вонюч». Поскольку этот изотоп короткоживущий, то его активность по сравнению с квазистабильными «старшим братом и сестрой» просто-таки адская и составляет около 49 % от общей радиоактивности природного урана. Кроме того, по причинам маленького веса ядра 234U, даже меньшего, чем у 235U, любые обогатительные технологии, отделяющие 235U от урана 238U, с еще большим удовольствием отделяют и нашего «вонючего клопа». При этом реакторный и, в еще большей мере, оружейный уран оказываются обогащенными и по содержанию 235U, и, еще больше, – по содержанию 234U. Спасает ситуацию только малое содержание «вонючего клопа» в начальной породе, которое при обогащении хоть и увеличивается быстрее, чем у 235U, но все же остается на более-менее пристойных уровнях.
Однако оценивать любой обогащенный уран (и реакторный, и, тем более, оружейный) уже приходится с учетом «активности клопа». То есть, если природный или, тем более, обедненный уран, при ярком желании и малом уме, можно даже положить себе на денек в трусы и вывезти за рубеж, то делать такие фокусы с оружейным ураном уже категорически не стоит.
В общем, у толстого парня на верхней фотографии (238U) не только жуткие семейные трусы и шлепки, так он еще и клопов (234U) нам в ядерное топливо заносит. А куда же без них? Без этого парня и его нательных членистоногих наша девушка «ядерная спичка» (235U) нигде не ходит.
Кроме того, что «клоп» не по-детски фонит, других неприятных особенностей у него нет – в обычном современном энергетическом реакторе, под «живительным потоком тепловых нейтронов» изотоп 234U потихоньку превращается в свою старшую сестру – 235U. Поэтому для целей получения энергии его считают «в общий зачет» с 235U.
Однако на превращение 234U в 235U все-таки приходится тратить один лишний нейтрон, а учитывая, что девушка-«ядерная спичка» (235U) при делении нам выдает эти нейтроны скупо и под четкий счет (обычно 2–3 нейтрона на деление), то тратить один из них на «конвертацию» клопа обидно, но приходится.
Разобравшись с ураном, перейдем к торию. Здесь наблюдаемая картинка гораздо проще, чем у урана. Природный торий представлен лишь одним квазистабильным изотопом – 232Th, который, как и основной изотоп урана – 238U, имеет период полураспада, исчисляемый миллиардами лет. Если быть точным, то у 238U это 4,47 млрд лет, а у 232Th – 14,05 млрд лет, то есть торий будет на нашей планете, когда уже никакого урана и в помине не останется.
Так что «ториевый цикл» – это, безусловно, наше будущее и будущее любого другого вида, который, возможно, при нашей глупости, когда-нибудь, через 500 миллионов лет, будет изучать черепа этих смешных и туповатых Homo sapiens.
Самое главное – не забывать, что без девушки-«ядерной спички», то есть без 235U, ни природный уран, ни природный торий гореть не хотят.
При этом, если 238U все-таки можно при определенных условиях (а именно в сильном потоке быстрых нейтронов) заставить разделиться, что успешно используется в термоядерном оружии, реакторах на быстрых нейтронах (действующих сейчас – 1 штука, в России, БН-600, Белоярская АЭС) и, в очень небольшой степени, в реакторах на тепловых нейтронах (коих сейчас в мире – подавляющее большинство), то с 232Th такие фокусы уже не проходят.
Изотоп 232Th – это так называемый «четно-четный» изотоп, что, кстати, и задает его феноменальную устойчивость. Такие изотопы вообще невозможно разбить на осколки за счет нейтронов, полученных в реакторах. Для вовлечения в топливный цикл прямого деления их надо облучать специальными нейтронами, полученными в ускорителях. А там, как вы понимаете, сразу встанет вопрос с проклятым EROI. Впрочем, идеи, откуда брать «халявные» нейтроны, еще будут. А пока все, чего можно от 232Th добиться, – это «скормить» ему один тепловой нейтрон.
В результате короткой цепочки превращений после этого 232Th мутирует в 233U, который хоть и имеет период полураспада всего в 159 тысяч лет, но уже может служить ядерным топливом. Ну и по понятным причинам (короткое время жизни изотопа, даже короче, чем у 234U) полученный изотоп фонит еще больше нашего первого «клопа» – 234U. Плюс, как вы понимаете, работать с 233U гораздо менее приятно, чем с 235U, который распадается целых 700 миллионов лет.
Кроме того, промежуточный изотоп для наработки изотопа 233U из начального тория – протоактиний 233Pa – имеет достаточно длительное время полураспада (27 суток), и поскольку он по-прежнему находится в активной зоне реактора-наработчика, то вполне успевает нахвататься нейтронов по самое не балуй. В итоге получается не 233U, а 234U, и опять возникает вопрос, что 234U, не делится, а хочет от нас еще один нейтрон на превращение в девушку «ядерную спичку».
С точки зрения переработки топлива с целью извлечения накопленных «ништяков» ториевый цикл также обладает некоторыми недостатками по сравнению с урановым. В процессе выгорания в топливе накапливается изотоп 232U, в цепочке распада которого в свинец присутствуют изотопы, фонящие гамма-квантами за счет своего собственного распада. Это висмут210Bi (с энергией кванта 1,6 Мэв), полоний 212Po (с энергией 2,6 Мэв) и особенно неприятный изотоп таллия 208Tl (энергия -частиц 2,6 МэВ).
Работа с таким облученным топливом требует развития технологий дистанционной переработки и изготовления топлива. В общем, как всегда во многих будущих энергетических проектах, как и в случае добычи гелия-3 на Луне или метан гидратов со дна Мирового океана, в замкнутом ториевом цикле у нас в конце тоннеля маячат огромные боевые человекоподобные роботы. Ну и, конечно же, пограничник, ведь, как мы помним: «Без участия человека это невозможно. Главное – это пограничник».
Это значит, что нужен еще и осознающий все последствия своих действий персонал. В общем, слоник под названием 232Th много гадит вокруг. И это есть проблема. А так слоник хороший, за слоником – будущее.
Почему за торием – будущее? И почему сейчас все же лучше заняться ураном и его производными? Ну, кроме того момента, что для тория желательно иметь «огромных человекоподобных роботов»?
Рассказываю.
Я люблю классическую фразу «железного канцлера» Отто фон Бисмарка, вошедшую в интервью Бисмарка «Петербургской газете», издававшейся в Санкт-Петербурге на немецком языке, которая звучит так: «Политика есть учение о возможном». Все то, что лежит за гранью возможного, – это не политика, это благие пожелания, пустые декларации, фата-моргана и бесполезная трата времени.
Точно так же с реальностью работают и экономика, и наука. Ведь экономика и наука – есть вещи, гораздо более детерминированные, нежели эфемерная и непостоянная политика. И да, экономика и наука – это тоже «искусство возможного».
В небольших количествах торий присутствует во всех горных породах (например в граните, а также в грунтах и почвах). Торий концентрируется в природе в нескольких минералах, в основном – в монаците – смешанном фосфате редкоземельных элементов (например церия) и тория (до 12 % ThО2).
В жизни монацит выглядит как блестящий мелкий черный «песочек», и товарищи отдыхающие часто даже не понимают, что, отдыхая где-нибудь на бразильской Копакабане, они, кроме яркого солнышка сверху, одновременно получают и живительную альфа-, бета– и гамма– радиацию непосредственно снизу, прямо из веселого песочка пляжа.
Именно по данному минералу оцениваются промышленные, рентабельные к отработке запасы тория в той или иной стране. Монацит в довольно больших прибрежных отложениях найден в Индии и Южной Америке (привет, Бразилия!).
Содержание тория в земной коре в 3 раза выше содержания урана. Но проблема поиска месторождений тория сходна с проблемой поиска месторождений редкоземельных металлов – его способность к концентрации очень слабая, и торий весьма неохотно собирается в какие-то значительные залежи, являясь очень рассеянным элементом земной коры.
В силу вышеизложенного момента, сам торий обычно не добывается. Его в качестве побочного продукта извлекают при добыче редкоземельных элементов или урана. Во многих минералах, в том числе и в монаците, торий легко замещает атом редкоземельного элемента, что и объясняет сродство тория с месторождениями редких земель.
Монацит – минерал прочный, устойчивый против выветривания. При выветривании горных пород, особенно интенсивном как раз в тропической и субтропической зонах, когда почти все другие минералы разрушаются и растворяются водой, монацит не изменяется.
Ручьи и реки уносят его к морю вместе с другими устойчивыми минералами – цирконом, кварцем и минералами титана. Волны морей и океанов довершают работу по разрушению и сортировке минералов, накопившихся в прибрежной зоне. Под их влиянием происходит концентрирование тяжелых минералов, отчего пески морских пляжей, рядом с которыми с континента вытекали реки, выносившие монацит и другие минералы, приобретают темную окраску.
Так, индийские монациты содержат в среднем 9,9 % ThО2, бразильские – всего 6,8 %.
Наиболее крупные месторождения этого типа находятся на южном и восточном побережьях Индии и на восточном берегу Бразилии, включая и знаменитый пляж Копакабаны.
В песке пляжа содержание самого монацита в индийских россыпях варьирует от 0,5 до 2,0 %, в бразильских, более богатых, от 2,0 до 5,0 %, но кое-где попадаются участки практически сплошного «черного пляжа».
Единственным же в мире коренным месторождением ториевых руд, имеющим промышленное значение, на котором торий сумел-таки обмануть свою природу и собраться в рудные жилы в пристойном для добычи количестве, является жильное месторождение Стинкасмкрааль в ЮАР.
Есть свои собственные «черные пляжи» и на территории бывшего СССР. Причем в самой что ни на есть курортной зоне. На побережье Азовского моря – начиная от Бердянска и заканчивая Таганрогом. Каждый год тысячи отдыхающих в буквальном смысле «едут на юг за свежей дозой». Ну и детишек везут оздоравливать.
Не буду голословным – благо по некоторым монацитовым песочкам под Бердянском я походил буквально своими ногами. Активность «черных пляжей» составляет: Таганрог – 9 938 мкР/ч, Мариуполь – 2 236 мкР/ч, Бердянск – 1 908 мкР/ч. Радиационный фон в районе 4-го энергоблока ЧАЭС, если что, составляет около 68 мкР/ч. Фонит не по-детски. Ловите последние теплые деньки уходящего сезона на Азове!
Впрочем, организованно и с толком пугаться «мирного атома» мы будем в отдельной главе. Скажу пока лишь, что монацитовый пляж не опасен для отдыхающих – наша кожа спокойно выдерживает убойные дозы радиации. Главное – не есть желтый снег и не вдыхать пыль из этого песка внутрь.
Возможно, кто-нибудь когда-нибудь и будет добывать эти пески хотя бы для того, чтобы не облучать отдыхающих. Но добывать их будут скорее из-за ферротитана, циркона или рутила, а не для извлечения тория. Чуть ниже расскажу собственно «почему это так».
В СССР поиск ториевых руд начался еще до Второй мировой войны. В 1937 году была организована Красноярская поисковая партия № 3 Западносибирского отделения Союзредметразведки. Партией были подсчитаны первые запасы тория, которые относились к Таракскому месторождению и составили 2700 тонн нашего знакомого – минерала монацита. Ведь, кроме концентрации россыпей на побережьях современных морей, часто россыпи устойчивых минералов ассоциированы с морями древними, уже давным-давно пересохшими и погребенными. Например, именно такой погребенной россыпью явлется знаменитое Малышевское месторождение титановых и циркониевых руд под Днепропетровском, расположенное в районе Вольногорска.
Полномасштабная геологическая разведка ториевых руд была начата в СССР после окончания Второй мировой войны, в рамках проекта создания ядерного оружия.
В августе 1946 года Лаврентий Берия направляет Иосифу Сталину письмо с представлением на утверждение проекта постановления Совета Министров СССР об организации в Министерстве цветной металлургии Второго главного управления. Задачей этого управления было руководство предприятиями по добыче ториевых руд, получению окиси тория и металлического тория для наработки 233U в специальных ядерных реакторах. Постановление было утверждено 13 августа 1946 года. В 1949 на месторождении монацитовых песков (запасы тория более 1000 тонн) в Алданском районе Якутской АССР была начата промышленная добыча тория.
Однако уже к середине 1950-х годов быстрая наработка плутония из урана позволила СССР отказаться от более затратного в добыче и более капризного в дальнейшем превращении в изотоп урана 233U тория. Да и огромных человекоподобных роботов для работы с торием и ураном у СССР в 1950-е не было, а людей, как ни странно, СССР под работу с радиацией посылал крайне неохотно. Торий был отставлен в сторону, но, как и всегда у этих «запасливых русских фокстерьеров», был аккуратно сложен в Красноуфимске на складах, сейчас принадлежащих государственной компании «Урал-монацит», а тогда входившей в предприятие со скромной вывеской «Среднеуральский машиностроительный завод».
Сейчас на складах предприятия хранится 82 653 тонны монацитового концентрата. Здесь изотопа тория 232Th по числу атомов лежит где-то на 1/10 от запасов атомов 235U во всех месторождениях мира. Ну – или энергии, как в 9 млрд тонн сырой нефти. Добыча России за 20 лет. О как. Монацитовый песок был аккуратно собран на месторождениях России, Монголии, Китая и Вьетнама. Кроме того, огромные запасы тория в качестве военного трофея были вывезены из гитлеровской Германии. Немцы экспериментировали с торием, рассматривая его в качестве потенциального компонента для создания ядерного оружия. Советская армия конфисковала ториевый монацит у гитлеровской Германии и вывезла в СССР. Сейчас он также находится на красноуфимских складах.
В общем, обедненный уран – на бетонных площадках, торий – в деревянных ящиках на старых складах. Запасливый фокстерьер прикопал в Красноуфимске вкусную «ядерную косточку». Опять. Целых 6 000 тонн тория уже находится буквально «на складе» в полностью готовом к дальнейшей переработке виде.
Монацитовый песок находится в деревянных ящиках (1 620 000 штук!) в деревянном сарае. Именно эти ящики и это здание приведены на фотографиях выше. К началу XXI века и тара, и склады сильно разрушились, что создало радиационную опасность для населения. В 2002 году принято решение о строительстве завода по переработке монацита с целью улучшения экологической обстановки в этом районе. Однако из-за протестов это решение было отменено.
В настоящее время над старыми складами построены металлические ангары.
В начале 2000-х годов в Красноуфимске предполагалось строительство на территории складов небольшой фабрики по переносу монацитового концентрата в новую герметичную тару. Тогда концентрат можно было бы хранить еще сто лет, вплоть до появления потребности в тории. Однако и вопрос строительства такой фабрики был торпедирован усилиями местных «зеленых» и подогреваемой слухами о «жутких опасностях тория» общественностью.
И в 2010 году было принято другое решение – ОАО «Уральский электрохимический комбинат» станет головным предприятием в «кластере производства редкоземельных металлов», который создается в Свердловской области. Скорее всего, речь пойдет для начала об извлечении редкоземельных металлов из монацита, а торий еще оставят на «потом».
Хорошо, скажут внимательные читатели. А почему идут такие непонятные пляски вокруг тория? Что мешает взять и разом освоить хотя бы 80 000 тонн монацитового песка в Красноуфимске? Ведь там уже все, как в старой песне, «взорвано, уложено, сколото». «Черное золото» монацита лежит и буквально просит – переработайте меня! Да и огромные человекоподобные роботы уже вроде для «Росатома» не проблема…
Все дело в том, что торий – это Неуловимый Джо ядерной энергетики. Его никто не хочет ловить. И если в период «ядерной гонки» разные страны еще вели эксперименты с торием и с получаемым из него 233U, то теперь торий просто лежит и ждет своего часа. Просто он пока невыгоден – ни в добыче, ни в извлечении, ни в наработке из него делящегося материала. 238U удобнее добывать, удобнее нарабатывать из него плутоний. Да, наука говорит, что ториевая энергетика возможна и, более того, энергетически даже выгодна. Но ториевая энергетика практически по всем статьям проигрывает ураново-плутониевой. И младшая сестренка науки – экономика – ненавязчиво говорит нам: подождите со своим торием, разберитесь с ураном, в конце-то концов.
Вы хотите цифр? Их есть у меня.
Мировое производство тория в период 1978–2010 годов составило примерно 150–200 тонн ThО2 в год. В 2000-м году мировое производство монацитового концентрата для извлечения всех металлов, содержащихся в нем, составляло около 12 000 тонн в год.
Торий, который в монаците, составляет ни много ни мало, а 6–12 % по массе, исходя из уровня производства монацитового концентрата в мире и реальной мировой потребности в тории – в большей степени отправлялся в отвалы.
Мировая потребность в тории на современном этапе достаточно низкая, во всем мире в 2000 году его потребление составило 200 тонн, и то – при производстве специальных сплавов. К середине 1990-х годов рыночная продажа монацитового концентрата практически прекратилась ввиду отсутствия спроса на него. Весь добываемый монацитовый концентрат перерабатывается в мире теми же компаниями, которые его и извлекают из недр, причем, как вы поняли, не с целью извлечения тория, а для получения оксидов постоянно сопутствующих ему редкоземельных минералов.
Рассеянный торий в России, как и везде в мире, в основном концентрируется там же, где и редкоземельные минералы. По количеству запасов РЗЭ Россия занимает второе место в мире после Китая. Причем речь идет именно о месторождениях, то есть о геологических структурах, рентабельных к освоению. Более 68 % этих объектов находится в Мурманской области, кроме того, они разведаны в Республике Саха (Якутия) и в Иркутской области.
Содержание редкоземельных элементов в рудах большинства российских месторождений значительно ниже, чем в китайских: на разрабатываемых месторождениях Китая средние содержания оксидов редкоземельных металлов в рудах достигают 5 %, в российских объектах – редко превышают 1 %.
Основная часть балансовых запасов редкоземельных металлов (и тория!) России (почти 82 %) связана с апатитовыми рудами, причем 70 % запасов заключено в апатит-нефелиновых рудах Хибинской группы месторождений в Мурманской области.
Среднее содержание суммы оксидов редкоземельной группы здесь не превышает 0,4 %. Многие из этих месторождений сейчас активно разрабатываются. Однако при применяемой сегодня технологии из руд извлекается только фосфор и в небольших количествах – титан; редкоземельные же элементы, а тем более торий, остаются в материале складируемых отвалов обогатительных фабрик.
Когда-нибудь настанет время извлечь и РЗМ, и торий из этих отвалов. Его там, мягко говоря, до хрена и больше, много.
В природных водах содержится особенно мало тория: в пресной воде 210—9 %, в морской воде 10—9 %. Или в море у нас 1 атом тория на сто миллиардов других атомов, а в пресной воде таких атомов – аж вдвое больше. Та же фигня у нас и с другими редкоземельными металлами.
И если вдруг вы читаете, что «японцы налаживают производство РЗМ из морской воды», то знайте – вас дурят. Причем самым наглым образом. Легче наладить такое производство в пресном водоеме. В два раза легче.
А на отвалах апатитов такое производство наладить в сто миллионов раз легче. А вот «доедят» китайцы последние богатые месторождения РЗМ во Внутренней Монголии – будет праздник редкоземельный и на нашей улице.
Вот ведь они лежат, апатитовые отвалы, природу своим непотребным видом портят. Бери – не хочу, вас еще и экологи в попу поцелуют, поддержат.
Вот такие вкусные косточки с торием прикопаны у ядерного фокстерьера всюду по его холодной, пустынной территории севера Евразии. А начать осваивать торий можно с Красноуфимска. Там тория целых 6000 тонн – хватит на постройку любого исследовательского реактора, еще и на ускорители разные останется. И содержание там не 0,4 % по сумме оксидов, как в апатитовых отвалах, не две миллиардных доли процента, как в пресной воде, а целых 7,8 % только по торию!
Бери откупоривай ящики, лежащие со времен Лаврентия Берии, думай, как поджечь эти «сырые дрова».
Ведь наука – это искусство возможного. Торий возможно поджечь, а за огромными человекоподобными роботами у нас не заржавеет. Я их вам тоже покажу. Чуть позже. Они уже у фокстерьера тоже есть. И это тоже – воплощенная упорядоченность, которая и позволяет нам управлять энергией так, как мы хотим.
Хорошо, а что делать с потным толстым парнем в некрасивых шлепках? В смысле, с изотопом урана 238U, который у нас лежит в баклажках с гексафторидом урана на бетонных площадках?
И здесь нам, удачливым представителям отряда приматов, снова приходит козырная карта.
Кроме того, что ядро 238U может разделиться в сильном потоке быстрых нейтронов (при этом энергия этих нейтронов должна быть не менее 1 Мэв – толстого парня надо бить очень сильно), 238U может еще и захватывать медленные нейтроны.
Делает он это тоже крайне неохотно. Не вдаваясь в вопросы, что такое «эффективное сечение захвата по тепловым нейтронам», скажу лишь, что вероятности захвата теплового нейтрона у изотопов урана 234U (клопа), 235U (девушки) и 238U (парня) относятся, как 98 : 683 : 2,7, то есть «девушка» у нас где-то в шесть раз горячее «клопа» и в триста раз горячее парня в шлепках.
«Девушка» заводится с «пол-оборота», а парень у нас в шлепках, толстый и к тому же «тормозной».
Кроме того, если при захвате теплового нейтрона ядро 235U (девушки «ядерной спички») делится, то ядро 238U (парня) подобно ядру 232Th (слона), опять-таки мутирует через цепочку ядерных превращений в изотоп 239Pu, который у нас плутоний, оружейный, страшный, токсичный и всякое такое. В общем – Джокер, туз в рукаве и вообще негодяй.
А еще из него бомбы делают.
При этом апологеты быстрого старта ториевой энергетики, которые часто почему-то являются жуткими противниками энергетики урановой и плутониевой, тиражируют одни и те же давным-давно перетертые факты:
Из плутония можно сделать бомбу!
Да. Можно. И из урана можно. Можно сделать вообще из любого изотопа который способен к вынужденному делению. Даже из 238U можно бомбу сделать – парень, конечно, тупой и тяжелый на подъем, но сделайте поток нейтронов поэнергетичнее и помощнее, и он взорвется. Термоядерные боеприпасы именно так и делают.
Плутоний можно легко отделить от урана!
Можно. В условиях радиохимического завода, который по своей сложности сравним с заводом по разделению изотопов урана. Никакая «Аль-Каида» этот процесс не освоит – тут надо государство среднего размера и с идеей получить ядерное оружие. Грецию или Габон не предлагать – не смешно. Ну а Израиль и Северная Корея уже с бомбами, потому что хотели. Ну или если совсем уж припечет, то за «Аль-Каидой» будет стоять государство, у которого такой радиохимический завод есть.
В одном реакторе на плутонии – тысячи плутониевых бомб!
Да, а еще там нет ни грамма оружейного плутония. Весь плутоний там замешан в адский коктейль из плутония, урана и еще сотни короткоживущих и долгоживущих изотопов, для разделения которых вам потребуется как минимум радиохимический завод из второго восклицания.
Торий не для бомбы!
Ну тогда и 233U должен не обладать свойством вынужденного деления. А так задача отделения урана от тория ничем не хуже задачи отделения плутония от урана. А насчет того, что 233U не для бомб, то можно посоветовать неверующим почитать о «взрыве MET/операции Teapot». Сердечник той американской ядерной бомбы был именно что из 233U.
Господа, поджигаем все дрова. И уран, и торий. Урана у нас где-то 6 250 000 тонн, тория – где-то около 12 000 000 тонн. Львиная доля тория – во всяких отвалах. Точнее торий никто и не считал на сегодняшний день. Пока он – Неуловимый Джо.
Если же перебить все это в нефть… Ну, плюс-минус, получится… что-то около 40 трлн тонн нефтяного эквивалента.
Где-то на 10 000 лет жизни при текущем уровне энергопотребления.
Фокстерьеру еще есть куда расти. А вот динозавру расти совсем некуда.
Хорошо, скажет внимательный читатель. Нам тут автор пишет про мутации изотопов, про создание урана из тория и плутония из урана… А это что – практика или теория?
Господа, это практика. Реакторы, которые могут и выдавать нам новое ядерное топливо, и одновременно производить электроэнергию, созданы и работают. Созданы они уже многими, но вот, как и центрифуги, стабильно работают именно в СССР, а теперь – в России. Реакторы, работающие по такой схеме, называются реакторами на быстрых нейтронах. Как мы помним, именно быстрые нейтроны нужны, чтобы развалить ядро 238U или превратить негорючий уран изотопа 238U и торий в топливо. Идея такого реактора была предложена в 1942 году Энрико Ферми. Разумеется, самый горячий интерес проявили к этой схеме военные: быстрые реакторы в процессе работы вырабатывают не только энергию, но и плутоний для ядерного оружия. По этой причине реакторы на быстрых нейтронах называют также бридерами (от английского breeder – производитель).
Однако, начиная в 1960-х годов и по сей день, основная масса реакторов, которые были построены в атомной энергетике, – это реакторы на тепловых, малоэнергетических нейтронах. Обусловлено это многими причинами. Например, тем, что быстрые реакторы могут вырабатывать плутоний, а значит, это может привести к нарушению закона о нераспространении ядерного оружия. Однако, скорее всего, основным фактором было то, что тепловые реакторы были более простыми и дешевыми, их конструкция была хорошо отработана на военных реакторах для подводных лодок, да и сам уран был очень дешев. Вступившие в строй после 1980 года промышленные энергетические реакторы на быстрых нейтронах во всем мире можно пересчитать по пальцам одной руки. Это Superphenix (Франция, 1985–1997), Monju (Япония, 1994–1995) и БН-600 (Белоярская АЭС, 1980), который в настоящий момент и является единственным в мире действующим промышленным энергетическим реактором.
Почему же при всех своих достоинствах реакторы на быстрых нейтронах не получили широкого распространения? И опять у нас на сцене, как и в случае с центрифугами, появляется структура и упорядоченность. В первую очередь сложность реактора на быстрых нейтронах связана с особенностями его конструкции. Воду нельзя использовать в качестве теплоносителя, поскольку она является замедлителем нейтронов, отбирая у них столь необходимую для работы с упрямыми ядрами тория и «тяжелого» изотопа урана энергию. С учетом этого в быстрых реакторах в основном используются металлы в жидком состоянии – от экзотических свинцово-висмутовых сплавов до жидкого натрия. Натрий сейчас – самый распространенный вариант для АЭС, и именно его использовали все промышленные реакторы на быстрых нейтронах. Использует натрий и работающий БН-600 в российском городе Заречный. Хотя экспериментальный реактор со свинцово-висмутовым теплоносителем тоже вскорости построят в Белгородской области. Как вы понимаете, это тоже – в России.
В реакторах на быстрых нейтронах термические и радиационные нагрузки гораздо выше, чем в тепловых реакторах. Нейтроны в них быстрые, «злые». А это приводит к необходимости использовать специальные конструкционные материалы для корпуса реактора и внутриреакторных систем. Корпуса топливных элементов в них изготовлены не из циркониевых сплавов, как в тепловых реакторах, а из специальных легированных хромистых сталей. Эти стали менее подвержены радиационному «распуханию», и технология их изготовления – российское производственное «ноу-хау». Как и в случае с центрифугой, так и в случае с реакторными сборками Запад не смог повторить русские технологии. Все западные попытки изготовить тепловыделяющие сборки даже для обычных российских реакторов закончились полномасштабным «пшиком». Ну а чешские и украинские атомщики практически вручную были вынуждены вытаскивать застрявшие уже «горячие» ТВЭЛы из своих реакторов, и поминать какую-то мать в связи с американской компанией «Вестингауз». В случае же реактора на быстрых нейтронах повторить советский, а теперь и российский, успех в США никто и не пытался.
В первые годы эксплуатации основные трудности были связаны с радиационным распуханием и растрескиванием топлива. Эти проблемы, впрочем, вскоре были решены, были разработаны новые материалы – как для топлива, так и для корпусов ТВЭЛов. Но даже сейчас компании ограничены не столько выгоранием топлива (которое на БН-600 достигает показателя 11 %), сколько ресурсом материалов, из которых изготовлены топливо, ТВЭЛы и ТВСы. Дальнейшие проблемы эксплуатации были связаны в основном с протечками натрия второго контура, химически активного и пожароопасного металла, бурно реагирующего на соприкосновение с воздухом и водой. Длительный опыт эксплуатации промышленных энергетических реакторов на быстрых нейтронах есть только у России и Франции. И российские, и французские специалисты с самого начала сталкивались с одними и теми же проблемами. Однако Россия эти проблемы успешно решила, с самого начала предусмотрев специальные средства контроля герметичности контуров, локализации и подавления протечек натрия. А французский проект оказался менее подготовлен к таким неприятностям, в результате в 2009 году реактор Superphenix был окончательно остановлен.
Проблемы действительно были одни и те же, но вот решали их в России и во Франции различными способами. Например, когда на Superphenix погнулась головная часть одной из сборок, чтобы захватить и выгрузить ее, французские специалисты разработали сложную и довольно дорогую систему «видения» сквозь слой натрия, которая использовала сложную излучающую систему и дорогие детекторы. А когда такая же проблема возникла на БН-600, один из русских инженеров предложил использовать видеокамеру, помещенную в простейшую конструкцию типа водолазного колокола, – открытую снизу трубу с поддувом аргона сверху. Когда расплав натрия был вытеснен, операторы с помощью видеосвязи смогли навести захват механизма, и гнутая сборка была успешно извлечена. Вот так вот – важна структура реактора, но еще важнее – люди, которые могут эту структуру осязать и «видеть» в своей голове. Ведь умные люди – это и есть упорядоченность самого высокого порядка. Перефразируя великого русского геолога Ивана Губкина, могу сказать: «Реакторы не подведут, если не подведут люди».
Сейчас Россия строит уже следующий, более мощный реактор-размножитель БН-800 рядом со «старичком» БН-600, ровесником Олимпиады-80. И проектирует следующий, еще более крупный и мощный блок – БН-1200, который превзойдет по своей мощности серийные блоки реакторов на тепловых нейтронах серии ВВЭР.
По русскому пути в реакторостроении идет и Китай. С истинно китайским мощным размахом. Китайская Народная Республика построит в обозримом будущем «малую серию» блоков с БН-800 под контролем и при очень масштабном участии российских специалистов. Пока размер этой «малой серии» Китаем еще не озвучен, но, судя по планам Китая иметь 240 ГВт ядерной энергетики к 2050 году, «малая серия» реакторов на быстрых нейтронах будет для Китая сродни фразе из старого анекдота про «прорыв мелкими группами по 5–7 миллионов солдат».
Прорыва на русских технологиях. Под российским патронажем. На советских реакторах. В целом фокстерьеру еще есть куда расти. И тем, кто идет по пути фокстерьера, тоже. Ведь урана, в общем-то, хватит надолго и на всех желающих. А вот динозавру расти совсем некуда. Потому что нефти мало и она уже на пике своей добычи.
Ключевые слова: запасы, резервы, изотопы, бомба.
Ключевые смыслы: уран урану рознь; новые границы возможного.
Глава 13. Несчастливая для нефтяного динозавра
Читать бесплатно другие книги:
