Ядерная спичка (NUC2)

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.

Первые магические цифры начнутся у нас сразу с обсуждения вопроса о мировых запасах урана. Вот мировые запасы урана (они, вне зависимости от изотопа, 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.
Источники данных для запасов-2006 и запасов-2011, если что — вот и вот. По первой ссылке я специально взял не сухие статистические данные из официальных отчётов, а мнение об ядерной энергетике эксперта "образца 2006 года", который высказывал свои мысли о будущем до момента наступления первого кризиса на рынке углеводородов. Можете почитать — ретроспективные прогнозы всегда интересны.

Россия обладает 8,9% от мировых резервов урана, находясь в общем списке на четвёртом месте — после Австралии (треть всех мировых запасов, 31%), Казахстана (12%) и Канады (у которой урана совсем чуть больше, чем у России — 9%).
Собственно говоря, именно на долю России и Австралии и пришёлся самый значительный рост запасов — Австралия увеличила их с 1,074 до 1,673 млн. тонн, а Россия — вообще скаканула с 7-го на четвёртое 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 чём же секрет столь быстрого магического роста извлекаемых запасов урана в мире?
Как ни удивительно, но и сюда "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 ХХ и за начало XXI века:



Зелёное — первичное производство урана в шахтах и карьерах по всему миру, синяя 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, авианосцы, "Петр Великий", "Ямал" и "Арктика" и 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.
Собственно говоря, именно эти избыточные, давным-давно добытые количества изначально оружейного, высокообагащённого урана сейчас "заскладированы" в боеголовках и военных запасах обогащённого урана по всему миру.

Ну, а полученный при обогащении оружейного урана обеднённый уран ²³⁸U либо спокойно себе лежит в хвостах обогатительных предприятий, либо его в целом очень неумно и поспешно разбрасывают в виде сердечников бронебойных снарядов. Впрочем Россия этим не страдает, по части бездумного использования обеднённого урана ²³⁸U впереди планеты всей у нас как раз США.
Загрузка морского зенитного комплекса Phalanx CIWS. Дура выбрасывает через стволы 100 кг обеднённого урана в минуту.

Конечно же, знающие люди поправят меня, что кроме урана в боеголовках давным-давно используют и ²³⁹Pu, но мы им резонно заметим, что любой атом ²³⁹Pu каких-то пятьдесят лет тому назад был атомом ²³⁸U, попавшим под нейтронную "раздачу" где-то в реакторе, а через 24 000 лет с вероятностью 1/2 станет нашей любимой "ядерной спичкой" — старым добрым ²³⁵U.

Собственно говоря, моя претензия к Пентагону именно в этом — несмотря на выдающиеся пирофорные качества и высочайшую плотность урана, это, в первую очередь — ценнейшее топливо будущего. Которое можно легко хранить и пустить в дело потом, когда настанет его время. Впрочем, США не впервой жечь нефтяной газ и лить бензин в реки, как ненужный компонент нефти.

В общем, ничего из добытых человечеством актиноидов не пропадает и не выбрасывается просто так (кроме приведенных выше печальных примеров бесхозяйственности) — рано или поздно, я верю, всё накопленное пойдёт в реакторные топки.

Собственно говоря, именно вокруг этих избыточных количеств оружейного урана, накопленных в 1945-1985 годах и построена международная урановая интрига последних лет.

Как мы помним из предыдущей части, за время Холодной войны, когда и были, собственно говоря, произведены основные избыточные количества урана, США и Франция успешно освоили газодиффузный способ разделения изотопов  и тихо радовались неспешной наработке делящихся изотопов, втайне считая, что у СССР дела с обогащением урана обстоят или на похожем уровне, а возможно — и того хуже.

При этом, что интересно, по стоимости газодиффузного способа разделения изотопов и сейчас часто любят делать заключения о "низком EROEI" ядерной энергетики, объявляя, что она работает чуть ли не на значениях EROEI 4:1 или ниже. Для начала разберём — что это составляет в абсолютных цифрах — как потраченные на обогащение кВт-часы и как они отражены в полученных килограммах урана?


Четыре реактора — один диффузионный завод.

Например, французский газодиффузионный комбинат "Евродиф" в Пьерлате электроэнергию на поддержание своего технологического процесса получает от 4 рядышком стоящих ядерных реакторов. То есть 3 000 МВт их электрической мощности и 26,280 млн. МВт-ч произведенной за год электороэнергии расходуются на производство 8,5 млн. ЕРР. В перерасчёте на "штуки" — каждый ЕРР на газодиффузном заводе обходится в 3 091 кВт-часа.
Для сравнения, в классической книге "Экономика ядерной энергетики: Основы производства ядерного топлива" Синева приведено для сравнения энерготопотребление центрифуг образца 1982 года — около 100 кВт-часов/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 50-60 кВт-ч на каждую ЕРР.

Слава богу,  жить французскому газодиффузионному комбинату осталось приблизительно до 2015 года, а далее там останутся уже только одни центруфуги. Аналогичная ситуация складывается и в США — энергетический, а не "военный" подход к вопросу заставляет США закрывать газодиффузный комбинат USEC и переходить на европейские технологии центрифуг, о чём я уже писал в прошлом материале.

Теперь нам, собственно говоря, надо перебить ЕРР в килограммы урана.Вот этот график:


Источник

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 помним, тоже никуда при этом не исчезает, просто он оказывается обеднён изотопом ²³⁵U и мы спокойно оставляем его лежать в отвалах — к перспективам его использования мы вернёмся ниже.
Для газовой же диффузии, даже если использовать оценки Синева, а не фактическое потребление "Евродифа", которое ещё на 20% выше, то получится уже гораздо более печальная цифра — от 15 000 до 22 500 кВт-ч на 1 килограмм урана.

При использовании современной реакторной технологии 1 кг урана, обогащённого 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, в случае же использования центрифуг нового поколения эти расходы уменьшаются до смешного уровня в 0,2%. (Ну — или в понятных нам EROEI, эта фаза уранового топливного цикла работает уже с коэффициентом 500:1). И это — без учёта того, насколько технология газовых центрифуг конструктивно проще диффузионных мембран, где надо увязать между собой около тысячи стадий обогащения.

То есть, внезапно разделение изотопов, до определённого момента будучи очень затратным и хлопотным делом, сразу и навсегда становится простым и дешёвым процессом.

Собственно говоря, отсюда и следует первый интересный факт — к 1990-му году СССР уже наработал тонны и тонны дешёвого оружейного урана на своих производительных центрифугах, в то время, как США и Франция всё ещё сидели на дорогом и малопроизводительном "газодиффузном" уране. Как я писал, "побег Циппе" за рубеж с чертежами недоделанной советской центрифуги "сухумского разлива" ничего глобального Западу тогда ещё не дал — к 1990 году самые передовые западные центрифужные технологии компании Urenco всё ещё болтались в коротких штанишках опытных разработок.
Как следствие, к 1990-му году США смогли наработать (всего!) около 500 тонн оружейного урана, а Франция — ещё гораздо меньше.

Именно в такой исторической ситуации Россией и была начата программа ВОУ-НОУ (высокообогащённый уран в низкобогащённый уран, HEU-LEU по-английски). Соглашение ВОУ-НОУ было заключено в 1993 году и предусматривает необратимую переработку накопленного российского оружейного урана в топливо для атомных электростанций США. Соглашение рассчитано на 20 лет — до 2013 года (заканчивается в следующем году), и предусматривает переработку 500 тонн накопленого ещё во времена СССР оружейного урана, что соответствует 20 000 уничтоженных ядерных боеголовок. Боеголовка условно принята содержащей 25 кг урана, на самом деле речь, понятно идёт об "эквиваленте" — по факту разубоживается и отгружается просто оружейный уран из советских запасников. Фактическая статистика программы ВОУ-НОУ, если что, есть тут.

За продолжение данной программы современное российское правительство не устают упрекать. "Продажа Родины за бесценок" и "Односторонее ядерное разоружение" — вот самые скромные эпитеты, употребляемые для описания программы ВОУ-НОУ.

Что же по факту дала программа ВОУ-НОУ России, США и миру? Перечислю по пунктам самое, на мой взгляд, важное:

1. Российская обогатительная отрасль получила гарантированный сбыт своего топлива в США по демпинговым ценам. Отметим — сбыт был де-факто прогарантирован правительством США.

2. Российская обогатительная промышленность не была порезана на металлолом в 1990-е годы и продолжила обогащение урана дешёвым и производительным центрифужным способом, по-прежнему имея возможность выдавать "на гора" не меньше 2500 тонн урана реакторной чистоты в год.

3. Фактические поставки низкообогащённого (реакторного) урана в США составили за период 1995-2010 годов от 350 до 1040 тонн в год. Всего на конец 2010 года "уничтожено" 16 494 боеголовки, что соответсвует общей поставке 412 тонн оружейного урана. В случае же перевода этих цифр в фактически поставлявшийся в США низкообогащённый уран реакторной чистоты, речь идёт о 11 682 тоннах реакторного урана  — или средним поставкам в 730 тонн низкообогащённого урана в год.

4. Американская обогатительная промышленность по факту находится в глубоком кризисе. Оператор контракта ВОУ-НОУ c американской стороны — компания USEC, которая и сама является крупным обогатителем, по факту продаёт дешёвый российский уран, при этом не имея возможность толком довести до ума свою технологию газовых центрифуг, ни каким-либо разумным способом реформировать свой собственный газодиффузионный завод в Падуке.

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 млрд 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/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 вышла из стадии опытных разработок.

В 2000-е годы USEC 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 году должно было быть выбрано место сооружения пилотного каскада, сооружение пилотного каскада должно было начаться в 2004 году, а его эксплуатация начаться в конце 2005 года. Но проклятый Сталин программа ВОУ-НОУ дотянулася и до "американской центрифуги". Поэтому, по факту, у США  пока нет своего "харвестера", чтобы обеспечить дешёвым ураном свою ядерную энергетику.

5. Программа ВОУ-НОУ заканчивается в следующем году и уже было предварительно заявлено, что дальнейшая работа по поставкам российского урана на американский рынок будет осуществляться в рамках отдельных уже полностью коммерческих соглашений. Учитывая пункты 1-4, я думаю, Вам уже неудивительно, что флагман американского обогащения — компания USEC после работы программы ВОУ-НОУ находится в глубоком кризисе, а Россия по-прежнему почему-то обладает ещё 800 тоннами свободного оружейного урана. 

В общем — не в американского коня пошёл дармовой российский корм. И российский оружейный уран никак не утилизировали, да американскую обогатительную индустрию подуничтожили. А был ли мальчик?
То есть, я конечно верю, что вначале, при предателе Ельцине, мальчик был. Но вот когда он "моргнул и взрослее стал" —
я уже сказать не ручаюсь. Отличить разубоженный оружейный уран от обогащённого природного, в принципе, нельзя.

Со стороны США тоже надо задать вопрос экономическому вредителю Клинтону. Конечно, отрадно, что ядерная энергетика в США наслаждалась низкими ценами на уран в 1990-е и 2000-е годы — но как жить дальше? Как заново поднимать американский атоммаш?

Второй интересный факт столь низкой себестоимости  производства энергетического урана центрифужным способом — тотальный пересмотр подхода к оценке геологических запасов и резервов природного урана.

Если ещё в 2006 году в мировые резервы урана записывали все месторождения, на которых можно было обеспечить производство урана с издерками не более 80$ за килограмм природного урана, то, на фоне успехов центрифужной технологии в России и в 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 запасов урана — есть и новые открытия, но основная часть прироста — это перевод геологических запасов в резервы.

Таким образом, улучшение используемой технологии разделения изотопов (замена газовой диффузии на центрифугование), казалось бы, далёкое 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 отчёте 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 ещё 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, окончательный потенциал мировых запасов урана оценивается в 6 306 300 тонн.

Много ли это?
Если учесть, что как я писал ранее, что содержание урана в породе для большинства месторождений составляет 0,72% (есть интересные исключения, но мы их отдельно коснёмся в части рассказа о радиофобии), а большинство реакторов (легководные) работают на обогащении урана по изотопу ²³⁵U до 4-5% (хотя есть варианты реакторов на тяжёлой воде, которым достаточно 2% содержания ²³⁵U в делящемся материале), то общий энергетический потенциал природного урана, посчитанный исключительно по содержанию ²³⁵U, составляет 45 406 тонн.

Если "перебить" этот природный ²³⁵U в баррели нефти (как мы помним, килограмм урана "энергетичнее" килограмма нефти где-то в 2 000 000 раз), то мы получим для оценки мировых мировых запасов ²³⁵U энергетический эквивалент около 90,81 млрд. тонн нефти.

Для понимания значения этой цифры — самой нефти в мире "от царя Гороха" сейчас уже добыто около 1 триллиона 450 млрд. баррелей,  и ещё 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 уже всего лишь в два раза больше, чем там принципиально содержится самого легкоутилизируемого изотопа урана — урана ²³⁵U.

Однако, на самом деле накопленной энергии тяжёлых ядер в недрах Земли гораздо больше, чем можно заключить, принимая в расчёт 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 общий ядерный топливный цикл.
А изотоп урана  ²³⁵U — это все лишь ценнейшая "ядерная спичка", которой надо поджечь всю эту охапку "ядерных дров".



Обезьяна нашла "ядерную спичку". Пару раз неосторожное обращение с огнём уже обожгло ей пальцы.

Вокруг неё идёт дождь и валяется куча сырого дерева. Обезьяне холодно и страшно.
Но — ядерная спичка по-прежнему у неё в руках. И обезьяне надо просто объяснить, что огонь — это не страшно.