3.4 Энергетическая отдача ядерных реакторов

Любое производство электроэнергии требует определенных энергетических затрат, связанных с добычей и транспортировкой топлива, изготовлением оборудования и строительством электростанций. Энергетические потери при добыче и транспортировке урана значительно меньше, чем для любого органического топлива. С другой стороны большие энергетические затраты в ядерной энергетике  связаны с обслуживанием топливного цикла. Основных затрат требуют энергоемкие процессы обогащения уранового топлива (см. 4.2). Приведем некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт в год. Работа одного такого реактора в течение года требует  20 тонн уранового топлива с содержанием 3.5% U-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн естественного урана. Обогащение такого количества урана в соединении UF₆  на современных центрифугах требует 4.2 ГВт электроэнергии, а на более старых диффузионных установках до   200 ГВт. В затраты необходимо также включить изготовление топлива, реакторного оборудования и его эксплуатацию. Таким образом, энергетические затраты на  обслуживание топливного цикла составляют от 1.7% до 5% выделенной реактором энергии  в зависимости от использованного процесса обогащения.

Энергетические затраты в горнодобывающей  промышленности составляют 0.05 % от энергии, получаемой на легко-водных реакторах. Эти затраты полезно сравнить с аналогичными цифрами для органического топлива. К примеру, работа тепловой электростанции мощностью 1000 МВт течение года при нагрузке 80 % и при  термическом  к.п.д. 33 % (см. также Таблицу 3) потребовала бы 2.5  миллионов тонн высококачественного угля (сравните с 153 тоннами естественного урана для атомной электростанции). В случае Канадских реакторов CANDU, обогащение топлива не требуется, но необходимо производство тяжелой воды. Однако, тяжелая вода загружается один раз при запуске реактора, а сроков ее использования не существует.

3.5 Ядерное оружие как источник топлива

Все более важным источником ядерного топлива становятся мировые  запасы ядерного оружия.

Начиная с 1987 года Соединенные Штаты Америки и страны бывшего СССР подписали ряд соглашений о сокращении к 2003 году своих ядерных арсеналов приблизительно на 80%. Ядерное оружие содержит  уран, обогащенный более чем на 90% по содержанию U-235 (то есть, приблизительно, в 25 - 100 раз больше чем в реакторном топливе). Некоторое оружие содержит плутоний-239, который может использоваться в разбавленной форме в реакторах - размножителях.

Уран

Высокообогащенный оружейный уран от боеголовок и военных запасов, по соглашению между США и Россией, будет передаваться Обогатительным предприятиям Соединенных Штатов и затем направляться на использование в гражданских ядерных реакторах. Согласно соглашению, подписанному в 1994 году, Правительство США покупает у России 500 тонн высокообогащенного оружейного урана в течение 20 лет для переработки и продажи его электрическим компаниям на общую сумму около 11,9 миллиардов долларов США. Высокообогащенный оружейный уран содержит более чем  90%  U-235, в то время как топливо для легко-водных реакторов обычно обогащается до 3-4 %.  Для того чтобы быть использованным в  коммерческих ядерных реакторах, оружейный уран должен быть разбавлен в соотношении 25:1 с обедненным ураном (главным образом  это U-238), естественным ураном (содержащим 0.7 % U-235) или с частично обогащенным ураном. Поставляемый по контракту высокообогащенный оружейный уран смешивается до содержания 4.4% U-235 в России с использованием для этого 1.5 % U-235  (чтобы минимизировать уровни U-234 в изделии). 500 тонн оружейного высокообогащенного урана позволят произвести приблизительно 15 000 тонн низко-обогащенного (4.4 %) урана в течение  20 лет. Это эквивалентно приблизительно 152 000 тоннам естественного U, что вдвое больше   ежегодной добычи урана в мире. Работы в этом направлении планируется проводить достаточно интенсивно.

До 1999 года перерабатывалось около  10 тонн в год (что эквивалентно производству приблизительно 3700 тонн двуокиси урана в год). С 2000 переработка 30 тонн оружейного урана  в год заменит производство   приблизительно 11 000 тонн  двуокиси урана в год, что составляет  17 %  потребления этого топлива в мире. Кроме того, правительство США объявило, что 174 тонны высоко-обогащенного урана  являются избыточными  для  военных запасов страны,  и это количество будет переработано в   4300 тонн реакторного топлива. В ближайшей перспективе военный уран, вероятно, будет обеднен до содержания  20 % U-235, а затем заложен на длительное хранение. В этой форме его нельзя будет использовать для создания оружия.

Плутоний

Разоружение также высвободит приблизительно 150-200 тонн оружейного плутония, который будет представлять собой:

• Остеклованные   высокоуровневые отходы (обработанный специальным образом плутоний), или

• Смешанное с  двуокисью урана топливо (так называемое, MOX- топливо) для сжигания в существующих реакторах.

Правительство США объявило, что 38 тонн оружейного плутония являются избыточными для военных запасов страны, и изучает оба этих способа его утилизации. Хотя имеется достаточно оснований для широкого использования  смешанного оксидного топлива в гражданских реакторах, его внедрение в США связано с различными регулирующими и техническими проблемами. Тем временем США развивают "стандарт исчерпанного топлива", который означает, что  плутоний  никогда не должен быть доступен в чистом виде, а может содержаться только  переработанном  топливе.

Европа имеет хорошо-развитые технологии по производству MOX топлива, а Япония активно их развивает. Это говорит о том, что оружейным плутонием можно было бы распорядиться относительно быстро. Весь выработанный плутоний мог бы стать наполовину источником топлива для реакторов. Использование такого MOX-топлива позволит удалять из обращения приблизительно 15 тонн оружейного плутония в год. Это соответствовало бы сокращению 3000 боеголовок в год и позволило бы произвести 110 миллиардов кВтч электроэнергии, что обеспечило бы, например, 60 % энергетических потребностей Австралии. Более 35 реакторов в Европе имеют лицензии на использование смешанного оксидного топлива, а 20 Французских реакторов его уже используют.

Реакторы CANDU хорошо подходят для сжигания MOX-топлива, и их использование для этих целей запланировано с использованием произведенного в США MOX-топлива. Россия намеревается использовать свой плутоний как топливо для реакторов на быстрых нейтронах. Если бы весь плутоний использовался в реакторах на быстрых нейтронах вместе с обедненным ураном от имеющихся запасов на обогатительных заводах, * этого было бы достаточно для успешного выполнения мировых коммерческих ядерных программ по производству электроэнергии на несколько десятилетий вперед без использования производства урана на горнодобывающих предприятиях.

* При производстве обогащенного урана для обычных реакторов одновременно производится приблизительно в семь раз большее количество обедненного урана. Если же уран обогащают до 93 % содержания U-235 (для военных целей), то при этом производится приблизительно в 200 раз большее количество обедненного урана. Все это, учитывая очень большое количество всего урана, которое когда-либо добывалось, является очень ценным сырьем и потенциальным топливом для ядерных установок.