5.2 Мировые запасы ядерного топлива.
Основными ресурсами ядерного топлива являются природные запасы урана и тория. Уран является единственным природным элементом, способным делиться под действием нейтронов с выделением энергии. Торий может быть использован для наработки изотопа уран-233, которого нет в природе, но он обладает хорошими нейтронно-физическими характеристиками и может также использоваться в качестве ядерного топлива. Однако его использование в атомной энергетике ограничивается выполнением ряда научных исследований и не вышло на промышленный уровень. Суммарный энергетический эквивалент уран и тория намного превышает потенциал органических энергоресурсов, что является гарантией устойчивого обеспечения энергией населения Земли на многие и многие века (рис. 5.1).
Рис. 5.1 Диаграмма мирового распределения энергетических ресурсов
Кроме природного урана и тория к ядерным энергетическим ресурсам относятся отработанное ядерное топливо, регенерированный уран, обедненный уран и плутоний. Использование этих материалов в качестве ядерного топлива будет обсуждена ниже.
Природный уран.
Уран был открыт в 1789 году в урановой смолке немецким химиком М. Г. Клапротом, назвавшего его в честь планеты уран, открытой в 1781. Впервые получил металлический уран французский химик Ю. Пелиго в 1841, восстановив безводный тетрахлорид урана калием. В 1896 году А. Беккерель открыл явление радиоактивности урана случайным засвечиванием фотопластинок ионизирующим излучением от оказавшегося поблизости кусочка соли урана.
Уран - это металл, который содержится в большинстве пород и даже в морской воде и распространен более, чем ртуть, кадмий, серебро, содержится в промышленных рудах примерно в таких же концентрациях, как мышьяк или молибден. Его средняя концентрация в земной коре 0,003%. Однако, содержание урана в гранитных породах вполне достаточное, чтобы радиоактивный газ радон, продукт распада урана, представлял серьезную биологическую опасность в местах выхода гранита на поверхность. Уран обнаружен и в морской воде, в концентрации 150 мкг/м3. Уран не встречается в виде мощных месторождений, но зато известно большое число минералов, содержащих уран: карнотит, отенит, уранинит, торбернит, тюямунит. Уран входит в достаточной концентрации в 150 различных минералов, и в небольшом количестве - еще в 50.
В руде уран содержится в виде оксидов и имеет три радиоактивных изотопа с разными периодами альфа-распада (табл.5.1). Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234U, который образуется в ходе распада 238U. По содержанию урана выделяются 5 сортов руд: очень богатые руды (свыше 1% урана); богатые (1–0,5%); средние (0,5–0,25%); рядовые (0,25–0,1%); бедные (менее 0,1%).
Таблица 5.1. Состав природного урана.
-
Изотоп
Концентрация, %
Период полураспада, лет
U-238
99,2739
4,47×109
U-235
0.7205
7,00×108
U-234
0.0056
2.48×105
Промышленные запасы урана найдены на территории 20 стран. За период с 1938 до настоящего времени добыто около 2,5 млн. т природного урана. Основные запасы урана (96,5%) сосредоточены в 15 странах мира, из них – в Австралии (1673 тыс.т.), Казахстане (950 тыс.т.), Россия (565тыс.т), Канаде (545 тыс.т.). В целом запасы указанных стран составляют более 50 % мировых. Характер добычи и расходования урана весьма сложен и зависит от многих факторов (рис.5.2). Мировая добыча урана в настоящее время составляет приблизительно 50-60 тыс.т\год , что составляет около 60% текущих потребностей (рис.5.2).
Рис. 5.2. Мировое производство и расходывание урана
Из графика на рис. 5.2 видно, что в последние годы потребление урана заметно выше его добычи, что связано с использованием складских запасов урана, накопленных после сокращения ядерных военных программ. Однако к 2020 году эти дополнительные источники будут исчерпаны. По прогнозам МАГАТЭ (рис.5.3), годовая потребность АЭС в урановом сырье до 2050 года возрастет до 177 тыс. т\год (средний вариант), или даже до 283 тыс. т\год (высокий вариант). При существующих темпах потребления урана выявленных ресурсов урана извлекаемых при затратах меньших чем $ 130/kg U хватит на 80 лет. Это несколько выше соответствующих оценок запасов в 30-50 лет, для других стратегических полезных ископаемых (например, меди, цинка, нефти и природного газа). Общее количество мировых запасов урана по цене добычи не более $ 260\кг составляет около 7 млн.т.
Рис. 5.3. Прогнозные оценки добычи урана
Россия входит в число крупнейших мировых производителей урана. В стране имеется ряд предприятий по разработке месторождение урана. Наиболее крупные месторождения находятся в Читинской, Курганской областях, Бурятии и Якутии. Среднее содержание урана в руде российских месторождений - 0,38 %. В Читинской области уран добывают шахтным способом, потом ее доставляют на завод и с помощью различных химических процессов извлекают уран, который дальше идет на переработку для получения топлива в той форме, в которой оно необходимо. На месторождениях урана в Курганской области, в Бурятии и Якутии возможно применения подземного скважинного выщелачивания урана. Когда в одну скважину закачиваются специальные кислотные растворы, которые выщелачивают уран, а через другую скважину все это с помощью насоса извлекается наверх. Затрат при таком способе гораздо меньше, чем при прокладывании шахты, и технология выщелачивания обеспечивает экологическую безопасность работ.
Урановые руды содержат обычно небольшое количество ураносодержащего минерала (0,05-0.5% U3O8), так что необходимы предварительное извлечение и обогащение.
Плутоний.
Плутоний в природном виде не существует. Его получение происходит в ядерном реакторе в результате взаимодействия урана-238 с нейтронами по следующей схеме (рис.5.4):
Рис. 5.4 Схема получения плутония при захвате нейтрона ядром урана-238.
Плутоний-239 обладает хорошими нейтронно-физическими характеристиками, делится, как и уран-235, нейтронами различных энергий и поэтому может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов. Наработка плутония происходит во всех ядерных реакторов, использующих природную или обогащенную по урану-235 смесь изотопов урана. На каждую тонну выгружаемого из реактора отработанного ядерного топлива (ОЯТ) приходится в среднем около 10 кг наработанного плутония. Суммарный мировой запас накопленного энергетического плутония составляет уже около 3000 т. После переработки ОЯТ выделенный плутоний может использоваться в качестве топлива для ядерных энергетических реакторов в составе смешанного уран-плутониевого топлива.
Торий.
Запасы тория в земной коре примерно в 4 раза превышают запасы урана. Известны шесть природных изотопов тория, но только один их них (232Th) имеет практическое значение, так как концентрации других изотопов ничтожны. 232Th является радиоактивным элементом с периодом полураспада 14,1млрд. лет. Этот изотоп не может быть использован как ядерное топливо, так как не поддерживает цепную реакцию деления. Торий является дополнительным видом топливного сырья и может использоваться для наработки делящегося нейтронами всех энергий изотопа 233U. Реакция получения из 232Th изотопа 233U выглядит следующим образом:
(T1|2=1,6·105лет)
(5.1)
Естественный изотоп торий-232 при поглощении нейтронов превращается в делящийся изотоп урана-233). Этот изотоп, участвуя в цепной реакции деления, выделяет как энергию, так и избыточные нейтроны, которые преобразовывают еще большее количество тория в U-233.
Использование тория для атомной энергетики привлекательно тем, что, во-первых, позволяет избежать производства плутония, во-вторых, в качестве топлива используется довольно распространенный торий, а, в-третьих, нет необходимости в разделении изотопов. При добыче тория происходит меньшее радиоактивное загрязнение окружающей местности относительно добычи урана. Кроме того, торий имеет отличные термомеханические свойства: он тугоплавкий, менее склонен к растрескиванию и выделяет меньше радиоактивных газов при повреждении оболочки ТВЭЛ. Однако, количество урана-233, производимого таким образом, не совсем достаточно, чтобы поддерживать цепную реакцию деления в ториевой активной зоне.
Другие недостатки ториевого цикла то же хорошо известны: торий-урановый цикл, в целом, дороже уранового; ториевые твэлы обладают высокой гамма-радиоактивностью, что затрудняет обращение с ними; топливо на основе, выделенного из тория урана-233 характеризуется жестким γ-излучением энергии 2,6 Мэв, источником которого является Tl-208, который, в свою очередь, образуется при радиоактивном распаде U-232; в свою очередь U-232 образуется из U-233 в результате (n, 2n) реакции. Наличие высокоэнергетического γ-излучения обусловливает необходимость дистанционного проведения всех операций топливного цикла, что увеличивает затраты ториевого цикла по сравнению с урановым топливным циклом. Поэтому, ториевое топливо будет использоваться в энергетических реакторов только после создания полностью автоматизированного дистанционного торий-уранового цикла. В настоящее время значимые работы по созданию ториевого топливного цикла ведутся только в Индии.
Таким образом, для использования в ЯТЦ искусственных изотопов Pu-239 и U–233, необходимо предварительное облучение материнских элементов U-238 и Th-232 в реакторных условиях. Однако в настоящее время пока что освоено применение в атомной энергетике топлива на основе урана, обогащенного изотопом U–235, и только начинается использование Pu-239 в составе смешанного с ураном топливе оксидного типа (UO2 + PuO2), или нитридного (UN+PuN).