Тема замыкания ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), несомненно, пользуется популярностью, как некое секретное знание о будущем энергетики. В максимальном упрощении сюжет «положили два полена в реактор, а вынули три!» всегда находит поклонников. ЗЯТЦ выглядит эдаким белым принцем, который единственный может спасти Землю от надвигающегося углеводородного кризиса.

Однако, сегодня мы поговорим не про принца, а про его брата — вечно хмурое, озабоченное и непривлекательное реальное замыкание. Благо и повод есть — Росатом выходит на мировой рынок с предложением по реальному ЗЯТЦ


На фотографии запуск опытной линии по производству МОКС-топлива для БН-800 из аж 2014 года, но его символизм в виде Кириенко и МОКС в одном кадре мне кажется интересным.

Моим читателям хорошо известно, что основной причиной неявки широкомасштабного ЗЯТЦ на быстрых реакторах является замедление роста атомной энергетики, и как следствие — отсутствие потребности в другом топливе, кроме как природный уран. Система, в которой существуют реакторы-размножители и в качестве топлива выступает плутоний 239 или уран 233 становится конкурентноспособной примерно с цены природного урана в 300 долларов за килограмм. А поскольку уран сегодня стоит ближе к 30 долларам за килограмм, чем к 300, то нет никаких экономических резонов развивать «прекрасного принца».


Упрощенная схема того, что происходит внутри топлива в процессе выгорания в реакторе. В частности, в топливе остается 2% (точнее - около 1,5%) делящихся материалов, примерно поровну - плутоний и уран 235.

Однако есть и другие драйверы. Один из них — потребность в решении вопроса с накоплением отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Переработка ОЯТ (а это обязательная часть ЗЯТЦ) позволяет снизить объемы под захоронение, выделение трансурановых элементов — снизить время высвечивания ОЯТ, а получаемый в результате переработки уран и плутоний можно пустить в новое топливо, сэкономив на этом до 21% натурального урана.

Впрочем, все эти бонусы все равно не окупают стоимости переработки (которая лежит в диапазоне от 500 до 1500$ за килограмм ОЯТ). В свое время, Франция в рамках стройной стратегии построения электроэнергетики, базирующейся на АЭС, учитывая запланированный переход на быстрые реактора и замкнутый ядерный топливный цикл (который не состоялся) ввела большой завод по переработке топлива (перерабатывающий сегодня ОЯТ 2/3 реактров Европы) и затем еще один — по производству MOX топлива. Параллельно, возникла ситуация, когда во Франции не накапливается ОЯТ и проще выглядит конфронтация с зелеными. С же финансовой точки зрения, эксплуатирующая французские АЭС компания EDF вынуждена платить почти в два раза больше за топливный цикле, чем если бы была выбрана схема с покупкой свежего топлива, изготовленного из природного урана и организацией промежуточных хранилищ ОЯТ.


Интересная иллюстрация сложностей обращения с МОКС-топливом - 100-тонный контейнер на фото предназначен для перевозки 18 ТВС свежего МОКС-топлива...

Впрочем, понятно, что промежуточные хранилища в контейнерах — это временные решения, причем есть точка (отстоящая на 50-100 лет от начала хранения), где затраты на промежуточное хранение или геологическое захоронение сравниваются, и дальше вариант с контейнерым ХОЯТ становится дороже.

Тем не менее, здесь и сейчас ХОЯТ выглядит соблазнительно — затраты заметно ниже, а проблемы будут разгребать потомки.

Кстати, о потомках - на картинке классические графики падения радиоактивности (точнее радиотоксичности) некого среднего ОЯТ (красная линия), ОЯТ с извлеченным плутонием и минорными актиноидами (фиолетовые линии) и отдельно - продуктов деления. Видно, что переработка не только сокращает объем под захоронение, но и сурово снижает требования к времени существования физбарьеров в захоронении. 
 

По-настоящему конкурирующим решением к переработке является окончательное захоронение ОЯТ. На первый взгляд оно дешевле, да и много-десятилетние наблюдения в геологических лабораториях дают основание считать окончательное захоронение безопасным. Тем более, что появляются новые решения — например захоронение в глубоких (>2 км) скважинах большого (>50 см) диаметра, технологии дешевого бурения которых появились в прошлом десятилетии.

Впрочем, есть нюансы. Понятно, что ради одного-двух блоков АЭС и ее ОЯТ никто не будет затевать комплекс геологического захоронения. С другой стороны, для стран с большим количеством ОЯТ проблемой становится размер места захоронения — так, небезызвестная американская площадка Yukka Mountain способна вместить только 80000 тонн ОЯТ, что меньше даже уже накопленного в США.

Я встречал информацию, что гора Yukka Mountain является самой геологический изученой горой в мире. Для обоснования безопасности создания этого захоронения были потрачены десятки тысяч человеко-лет работы квалифицированных специалистов.

Таким образом, для стран, обладающих одним-двумя блокам и для стран с большой атомной энергетикой (и желательно — старой) переработка выглядит более привлекательной альтернативой.

Впрочем, напомню, переработка лишь снижает объем под геологическое захоронение, но не отменяет его.

На днях состоялась сессия WNA (Всемирной Атомной Ассоциации - объединение операторов АЭС), на котором темой переработки ОЯТ, как нового предложения Росатома, выступила директор Tenex Людмила Залимская.

Tenex – это структура Росатома, занимающаяся продажей услуг обогащения на разделительных заводах Росатома (и немножко продажей урана и услуг конверсии UO2 → UF6). Довольно логично именно через Tenex выводить на рынок предложения по завершающим этапам жизненного цикла ядерного топлива.

Здесь может удивить фраза «выводить на рынок» - ведь еще в СССР ОЯТ ВВЭР-440 вывозилось со станций и перерабатывалось на заводе РТ-1 на «Маяке». Однако, эта схема совершенно не учитывала интересов зарубежных владельцев ВВЭР-440 (Финляндии, Венгрии, Чехии, Словакии, Болгарии, ГДР и Украины). После распада СССР им было предложено платить за переработку ОЯТ довольно полновесные суммы, при этом делящиеся материалы оставались Маяку а ВАО от переработки должны были быть возвращены в страну происхождения ОЯТ. А если у стран происхождения не было подходящих хранилищ или захоронений для ВАО, то они еще и платили Маяку за его хранение.

В итоге, Финляндия, Чехия и Словакия перешли на промежуточное контейнерное хранение, Болгария и ГДР закрыли свои ВВЭР-440 и на переработке остались Венгрия и Украина (+Российские ВВЭР-440).

Корзины с ОЯТ ВВЭР-440 в бассейне хранения завода РТ-1 "Маяк". Уран из переработки этого ОЯТ используется в производстве свежего топлива РБМК, плутоний и нептуний сохраняются в хранилище, а продукты деления в виде выпара солей смешиваются с расплавленным стеклом и разливаются в контейнеры для хранения.

Теперь Росатом пытается предложить более гибкую схему, где как минимум часть расходов на ОЯТ должна быть закрыта поставками МОКС или РЕМИКС топлива. Экономический эффект тут невелик: если весь регенерированный уран и весь плутоний снова идут в производство топлива, а стоимость переработки условно равна стоимости захоронения, то топливный цикл с переработкой оказывается где-то на 5-15% дешевле цикла с захоронением (сумма отличается от 21% поскольку обращение с радиоактивным свежим МОКС/РЕМИКС-топливом обходится дороже, чем с не радиоактивным из урана).

Давайте посмотрим на экономику трех вариантов бэкэнда топлива, в прикидке к стандартной ТВС PWR/ВВЭР (содержащей примерно 500 кг ядерных материалов).

С точки зрения оператора АЭС процесс должен выглядеть так — вместо строительства промежуточного контейнерного хранилища стоимостью ~150 долларов за кг ОЯТ (~75 тысяч долларов за одну ТВС), или оплаты геологического захоронения (примерно 300....600 тысяч долларов на каждую ТВС, если брать пример Финляндии или Шведции), он отдает выдержанное в бассейне ОЯТ на переработку, заплатив от 500 до 1500 долларов за кг — т. е. где-то от 250 до 750 тысяч долларов за одну ТВС ВВЭР/PWR (возмем средние 500 тысяч). Затем, через какое-то время оператор может получить делящиеся материалы из своего ОЯТ в виде начинки МОКС/РЕМИКС/RepU ТВС. Стоимость этого материала из расчета на некую среднюю ТВС ОЯТ — примерно 80...100 тысяч долларов, если пересчитать на эквивалент стоимости природного урана и его обогащения, которые можно теперь не закупать. Кроме того, надо добавить расходы на захоронение ВАО (50...75 тысяч долларов на одну переработанную ТВС), дополнительную стоимость фабрикации ТВС из радиоактивных изотопов плутония (+60 тысяч долларов расходов в расчете на исходную ТВС), а так же стоимость компенсации нейтронных ядов, которые образуются в ТВС ОЯТ и попадают в МОКС/РЕМИКС/RepU ТВС — U236 и Pu240 — еще примерно 50 тысяч долларов.


Очевидное преимущество промежуточного хранилища для кошелька иногда приводит к странным результатам. На фото - контейнерное хранилище ОЯТ Игналинской АЭС, которое теперь будет много лет тянуть деньги (правда, относительно небольшие) из государства. Впрочем, для Литвы сооружение геологического репозитория является почти неподъемной задачей прежде всего по кадрам.

Итоговый расчет выглядит так:

0. ТВС приобретается по цене приблизительно 1 млн долларов за штуку и вырабатывает электроэнергии на, скажем, 15...25 млн долларов.

1. Утилизация ОЯТ в виде контейнерного хранения обходится в сущие копейки на фоне других вариантов, и даже через 30-40 лет, за которые стоимость в расчете на килограмм примерно удваивается до 150 тысяч долларов за ТВС, контейнеры стоят все еще вдвое дешевле других вариантов. Тем не менее, совершенно очевидно, что где-то в момент возникновения переупаковки ОЯТ в новые контейнеры (лет через 100 или может быть меньше), хранение уже перестает быть таким экономичным, а впереди еще более 100 тысяч лет этой мороки.

2. Захоронение ОЯТ имеет фиксированный ценник примерно в 500 тысяч долларов на кассету.

3. Переработка ОЯТ самая дорогая и обходится в ~650...850 тысяч долларов, однако эта стоимость сильно зависит от рыночной цены природного урана (если уран дорогой — то переработка ОЯТ становится выгоднее) и объемов переработки — большие объемы позволяют снизить стоимость радиохимического производства, а значит и переработки в целом. Кроме того, в будущем возможно появление извлечения из ОЯТ образующихся там драгоценных металлов палладия и рутения, что может добавить прибылей переработчикам и операторам АЭС.

Что бы дополнительно запутать ситуации, надо еще сказать, что в мире сегодня главенствует переработка ОЯТ по технологии PUREX (придуманной в свое время для получения оружейного плутония) – экстракция урана и плутония органическим растворителем из азотнокислого раствора ОЯТ. У этой технологии есть проблема большого объема низкоактивных отходов (похожая на проблему с водой на Фукусимской АЭС). Теоретически есть замечательные конкурирующие решения — электрорафинирование на жидкометаллических катодах, дистилляция фторидов, электромагнитное разделение ОЯТ в виде плазмы(!) и т. п. - однако PUREX был отработан в военных программах, где на него не жалели денег и людей, а все потенциальные заместители военным сегодня не нужны. В теории, развитие конкурентных технологий может привести к удешевлению переработки и сделать ее более привлекательной. Кстати, такая попытка перейти на более «интересный» метод переработки ОЯТ предпринимается в рамках проекта АЭС «БРЕСТ-ОД-300».

Наконец, последним аспектом этой картины является ярое неприятие США технологий переработки. Американцы считают, что переработка слишком плотно связана с ядерно-оружейными технологиями и спят и видят полное прекращение переработки ОЯТ в мире для фиксации количества делящихся оружейных материалов. Кроме того, что в самой США действует запрет на переработку ОЯТ (что автоматически ликвидирует крупнейший рынок переработки), Америка навязывает такую политику своим союзникам — например Южной Корее и Тайваню, да и ввод большого завода по переработке ОЯТ в Японии, который все никак не состоится уже почти 20 лет — возможно успех американской дипломатии. Эта позиция, возможно , хорошо помогает сдерживать расползание ядерно-оружейных технологий, однако, однозначно сдерживает развитие технологий переработки.

Как итог можно сказать, что реальный ЗЯТЦ нашел сегодня свою небольшую нишу, балансируюя на грани рентабельности и пользуясь разнообразными вторичными (по отношению к деньгам) аспектами жизненного цикла ядерного топлива. Его развитие (и превращение в прекрасного принца идеального ЗЯТЦ) зависит как от общего роста объема атомной энергетики, так и от вложений в разработку технологий.

Источник  https://tnenergy.livejournal.com/118554.html