«Более продуктивный и безопасный»: академик РАН — о работах по созданию замкнутого ядерного цикла

— В минувшем году произошло значимое событие: энергоблок Белоярской АЭС впервые был выведен на 100%-ный  уровень мощности. В энергоблоке находится реактор БН-800, который работает на инновационном МОКС-топливе. Как сообщал «Росатом», «это важный шаг в выстраивании двухкомпонентной атомной энергетики с замыканием ядерного топливного цикла». Что будет, если замкнётся ядерный топливный цикл? Возможно ли это? Чем МОКС-топливо отличается от топлива на основе урана?

— Это вопрос работы атомных реакторов и способов обращения с ядерными отходами. Сегодня в атомной энергетике есть два подхода.

Первый — это открытый ядерный цикл. Это значит, что топливо, которое помещается в реактор, облучается и потом, по окончании цикла, хранится в специальных бассейнах выдержки под водой или в сухом виде, чтобы обеспечить защиту окружающей среды от радиоактивности отработанного топлива. Отмечу, что топливо в данном случае не подвергается переработке, так как это очень сложный процесс. Второй подход — работа в закрытом ядерном цикле, который используют большинство стран. В этом случае уран на 90% перерабатывается в энергию и после облучения и окончания цикла отработанное топливо выгружается из реактора и перерабатывается.

• Реакторный зал четвёртого энергоблока Белоярской атомной электростанции имени И.В. Курчатова в Свердловской области
• РИА Новости
• © Павел Лисицын

Очевидно, что закрытый ядерный цикл экономически выгоден, так как облучённый уран может повторно использоваться для выработки энергии. Сейчас учёные исследуют, сколько раз можно перерабатывать уран.

На данный момент теоретически показано, что природный уран можно заново использовать (перерабатывать) до пяти раз. Однако это требует дополнительных затрат и ещё большей степени защиты от радиоактивности. Зато решается проблема с нехваткой уранового сырья. Это очень сложный процесс, поэтому над исследованиями в этой области работают учёные со всего мира, в том числе госкорпорация «Росатом» и Российская академия наук. В России такое топливо используется как минимум три раза. В будущем, возможно, уран будет перерабатываться до десяти раз.

Однако такие технологии ещё только предстоит создать: они должны отвечать требованиям радиационной безопасности и решать проблему радиоактивных отходов.

Над замыканием ядерного цикла работают специалисты в разных странах: во Франции, в Англии, Японии и, конечно же, России. При этом эта задача распространяется на два вида реакторов — тепловые и быстрые.

Также по теме

«Требование трансатлантической солидарности»: чем может обернуться для Финляндии её отказ от российского проекта АЭС

«Росатом» будет добиваться выплаты компенсаций от финской компании Fennovoima Oy, которая в мае расторгла контракт на строительство...

Интерес во всём мире к быстрым реакторам постоянно растёт с тех пор, как они появились в 1950-х годах, поскольку они способны обеспечивать эффективное, безопасное и устойчивое производство энергии. Быстрые реакторы, в которых деление компонентов топлива происходит под действием нейтронов быстрого спектра (свободные нейтроны, кинетическая энергия которых больше некоторой величины. — RT), расширяют топливную базу и значительно увеличивают энергетическую отдачу природного урана по сравнению с реакторами на тепловых нейтронах. Такой уровень использования топлива увеличивает продолжительность ядерно-энергетических программ на тысячи лет и обеспечивает значительные улучшения в области обращения с ядерными отходами.

Отличается не только конструкция реакторов, но и топливо. Оно бывает разного назначения.

В частности, МОКС-топливо появилось при работе учёных с плутонием. При облучении элемента — урана-235 — образуется плутоний-239, который используют при разработке атомных бомб, поэтому в мире действуют международные соглашения об ограничении накопления плутония. Этот элемент очень дорогой, но и очень продуктивный в выделении тепла, поэтому было бы просто грешно не использовать его в атомной энергетике.

• Борис Фёдорович Мясоедов
• © Пресс-служба ГЕОХИ

МОКС-топливо — это смесь, содержащая в основном уран и определённое количество плутония, обычно 20—30%, добавление которого зависит от цели, задач и свойств реактора.

— В ядерной энергетике большое внимание уделяется избавлению от ядерных отходов. Чем опасны такие отходы? Например, в корпорации «Росатом» предложили избавляться от отработавшего ядерного топлива безводно и дистанционно. Что вы об этом думаете? Каким образом можно будет это реализовать? Какие ещё есть пути избавления от отходов?

— Когда мы говорили об открытых и закрытых ядерных топливных циклах, мы упомянули, что закрытый — это полностью доведённый до конца и в научной, и в практической реализации способ переработки отработавшего топлива. Полная переработка топлива позволяет решить проблему хранения отходов.

Переработка, или так называемый пурекс-процесс, состоит из многих этапов. В результате переработки плутоний должен на 99,99% отделиться от основной массы урана. Однако при облучении топлива в реакторе не только образуется плутоний, но и происходит деление, когда образуются новые элементы. Они радиоактивные, и соприкосновение с ними опасно для окружающей среды, в частности для человека.

Проблема с радиоактивными отходами сегодня решается путём их включения в специальные консервирующие матрицы.

• Сухое хранилище отработанного ядерного топлива (СХОЯТ) на Запорожской АЭС в Энергодаре
• РИА Новости

В этом виде опасные радиоактивные изотопы помещаются в специальные наземные или подземные хранилища, которые сооружают из бетона или другого материала. Многие такие отходы могут оставаться радиоактивными на протяжении нескольких сотен, а то и тысяч лет. Например, к таким относится америций. И хранить их нужно в таких условиях, где они не оказывают влияния на окружающую среду.

Например, в России предложена новая магний-калий-фосфатная матрица для надёжного хранения радиоактивных отходов, обладающая всеми необходимыми свойствами. При включении отходов в такую матрицу радионуклиды и другие компоненты формируют минералоподобные соединения, напоминающие по свойствам те, которые образовались в земле. Металлы, заключённые в минералы, хранятся очень долго.

Также по теме

«Уроки Чернобыля были усвоены сполна»: советник главы «Росатома» — о новых реакторах и перспективах развития отрасли

После аварии на Чернобыльской АЭС отечественная атомная отрасль претерпела радикальные изменения, которые выразились в создании новых...

Отечественная матрица уже прошла испытания на реальных радиоактивных растворах, которые образуются на наших радиохимических комбинатах.

Есть ещё варианты избавления от ядерных отходов. В частности, разрабатываются технологии, которые позволяют выделять и фракционировать содержащиеся в отходах элементы. Существенная их часть относится к платиновым элементам, в США и России из таких отходов получают палладий.

Также, чтобы не хранить тот же америций под землёй на протяжении тысяч лет, его трансмутируют (превращают) в более короткоживущие и неопасные изотопы. 

— Насколько технологии ядерной энергетики улучшились в России со времён СССР?

— Результаты говорят сами за себя. Наша страна имеет очень хороший авторитет на международной арене в плане строительства новых атомных станций. На данный момент проекты по строительству АЭС реализуются в Китае и Турции.

Ранее мы говорили об отечественной технологии разделения америция и отделения его от других веществ. Так вот, мы первые придумали такую технологию. Я считаю это важным достижением.

Цель российских учёных — создать инновационный пурекс-процесс, более продуктивный и безопасный в ядерном и экономическом отношении, а также уменьшить затраты, объёмы и состав получаемых радиоактивных отходов.

Сейчас также ощущается дефицит уранового сырья, поэтому российские учёные разрабатывают способ выделения урана из морской воды. Известно, что в Мировом океане растворены миллиарды тонн урана, что выше его подтверждённых запасов на суше. При этом добыча урана из морской воды может быть безопасным и устойчивым его источником.

• Слаборадиоактивный нуклид химического элемента урана — уран-238
• Legion-Media
• © Phil Degginger

Наш институт принимает самое непосредственное участие в решении вышеуказанных задач по созданию новых технологий, в открытии и освоении новых месторождений полезных ископаемых, в том числе ведутся работы по разработке новых технологий изготовления ядерного топлива, например с использованием СВЧ-излучения (сверхвысокочастотное излучение. — RT), а также по обращению с отработавшим топливом, облучёнными металлическими материалами и образующимися радиоактивными отходами, например с применением новой минералоподобной матрицы, о которой я ранее упоминал.

— В атомной энергетике чуть ли не главную роль играют знания по радиохимии. Что это за наука и какие ещё области она охватывает?

— Годом рождения радиохимии считается 1898-й, когда будущие нобелевские лауреаты Анри Беккерель и Мария Кюри объявили об открытии нового явления, выступая на заседании французского химического общества. Речь шла о радиоактивном распаде атомов, имеющихся в природе элементов, а также о возможности делать элементы радиоактивными в определённых условиях. Исследователи не только открыли само явление радиоактивного распада, но и выделили первый радиоактивный элемент — радий.

Так появилась радиохимия. Это открытие тогда взволновало весь мир.

До Второй мировой войны учёные во всё мире, в том числе в нашей стране, изучали радиацию — оказалось, что человек, сам того не зная, всегда имел дело с радиоактивностью. Дело в том, что космическое излучение тоже частично состоит из радиоактивных или возбуждённых атомов.

Со временем учёные смогли определить, что даже нерадиоактивный материал может стать радиоактивным при облучении частицами, которые рождаются при распаде или в искусственных ускорителях частиц. После 1940-х годов широкое распространение, в том числе в СССР, получили атомные реакторы.

Первая атомная электростанция была запущена в России в 1954 году в Обнинске. В качестве топлива для таких станций и сейчас используют чистый обогащённый уран или смесь урана и плутония.

• Реакторный зал Обнинской АЭС. Реактор АМ-1
• РИА Новости
• © Павел Быков

Открытие радиоактивного распада позволило во многом решить проблему обеспечения человечества энергией. За счёт атомной энергии с топливом на основе урана и плутония производится в среднем 15% энергии по всему миру. Я уверен, что это будет одним из самых надёжных источников электроэнергии и в перспективе.

Благодаря открытию радиоактивности также появилось новое медицинское направление — ядерная медицина. Радиофармацевтические препараты позволяют прицельно доставлять радионуклиды к месту злокачественного новообразования. Эта методика лечения рака сегодня широко применяется во всём мире.

Нейтронные источники (устройства, излучающие нейтроны. — RT) используются, например, при поиске нефтяных залежей. Это метод геофизических исследований, основанный на взаимодействии нейтронов с веществом горных пород. В скважину опускают устройство, содержащее нейтронный источник и детектор, регистрирующий вторичное излучение. Последнее возникает в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами породы. После облучения породы нейтронами в ней возникает радиоактивность, измерение которой даёт информацию о составе породы. Таким образом можно находить месторождения нефти или газа.

Радиохимия находится на пересечении сразу нескольких наук: химии, физики, математики, биологии. Если говорить о её роли в развитии науки в целом, то она тоже колоссальная.

• Дмитрий Иванович Менделеев
• Gettyimages.ru
• © Sovfoto / Universal Images Group

Изначально в периодической таблице Менделеева было 92 элемента, последним из которых был уран. После создания в 1945 году в США атомной бомбы ядерные реакторы стали использоваться для получения новых трансурановых элементов, которые не существуют в природе, но могут быть получены искусственно. Такие работы вели не только американские, но и советские учёные.

С 1945 года по 1950-е в СССР было синтезировано 18 элементов, пять из них — впервые. Их свойства были изучены сначала в Москве — в Институте атомной энергии (НИЦ «Курчатовский институт»), а в последнее время в Дубне — в Объединённом институте ядерных исследований. К сегодняшнему моменту в мире открыто 119 таких элементов.