Ядерная зависимость Франции

Фото: strana-rosatom.ru

Французское издание La Tribune в конце ноября опубликовало заметку, позволю себе процитировать (цитата по "Коммерсантъ"): "Электроэнергетическая компания EDF решила не прекращать сотрудничество с Росатомом по урану. <…> EDF рассчитывала, что американская энергетическая компания Westinghouse снова введет в эксплуатацию завод в Великобритании. Westinghouse сочла запуск объекта невыгодным. EDF планировала использовать этот завод для переработки урана. Росатом владеет единственным в мире предприятием, на котором можно выполнять конверсию переработанного урана перед его повторным обогащением. <…> EDF заключила соглашение о сотрудничестве с "Техснабэкспортом" (TENEX) — дочерней компанией Росатома — в 2018 году. На сделку не распространяются санкции стран Запада против России. Договор действует до 2031 года". Сообщение настолько краткое, что далеко не сразу можно обнаружить крайне занимательный момент – не только сугубо технологический, но, по нынешним временам, еще и политический.

Контракт на 600 млн евро

Для начала стоит чуть подробнее взглянуть на каркас государственных компаний, обеспечивающих функционирование атомной энергетики как отрасли. После драматических событий вокруг компании Areva, действия генерального директора которой, Анн Ловержон, едва не привели к полному банкротству, правительство Франции осуществило серьезную перегруппировку всего пула участников отрасли.

На сегодняшний день именно EDF можно – условно, конечно – считать головной компанией. Именно EDF является владельцем и оператором всех 56 действующих во Франции атомных энергоблоков, но этим зона ответственности этой государственной компании не заканчивается.

С юридической точки зрения EDF – еще и собственник всех видов ядерного топлива, в том числе и облученного, а остальные участники "атомного пула" (Orano и Framatome) – всего лишь исполнители контрактов для своего главного заказчика. Больше того: EDF имеет право закупать ядерное топливо или подписывать договоры по его производству с любым другим сторонним производителем. Именно по этой причине упомянутый La Tribune контракт с "Техснабэкспорт" и был заключен именно EDF. Контракт, кстати, не самый маленький – в французской прессе фигурирует сумма "порядка 600 млн евро". Для того, чтобы понимать, о каких таких эксклюзивных, монопольных услугах Росатома идет речь, необходимо разобраться с загадочным термином "конверсия переработанного урана перед его повторным обогащением".

Конверсия урана

Начнем с более простого этапа: что такое конверсия урана без прилагательного "переработанный". Уран, содержащийся в природной руде, с горно-обогатительных комбинатов на дальнейшую переработку поступает в виде желтого кека – концентрата руды, в которой уран находится в виде оксидов, то есть химически связанный с кислородом.

Для того, чтобы увеличить содержание в природной руде делящегося изотопа U-235, в настоящее время используют газовые центрифуги, ключевое слово – "газовые". Вместо того, чтобы произносить определение "увеличение содержания урана-235 в природной руде", в атомной отрасли давно используется привычный всем термин "обогащение". Обогащается именно газ, содержащий природный уран, а самое удобное химическое соединение для этого – не оксиды урана, а его гексафторид: молекула, состоящая из 1 атома урана и 6 атомов фтора. Этот серый порошок при нагреве до температуры около 57 градусов Цельсия превращается в газ, минуя жидкую фазу – максимально технологичный вариант.

Химическая процедура по переводу оксидов урана в его гексафторид для краткости именуется "конверсия".

На этом деятельное участие химиков в работе физиков-атомщиков не заканчивается: для производства ядерного топлива требуется оксид урана, то есть после обогащения гексафторида его необходимо вернуть в исходное химическое состояние – убрать фтор, вернуть кислород. Эта операция на профессиональном сленге – реконверсия урана.

При этом стоит помнить, что химики при конверсии и реконверсии работают именно с ураном – источником альфа-радиоактивности, что, разумеется, требует достаточно серьезных мер защиты персонала и всего оборудования цехов, в которых осуществляют эти производственные процессы. Все сказанное касается именно природной руды урана, с "переработанным ураном" все чуть сложнее и сильно занимательнее.

Замыкания ядерного цикла

В 1995 году французские атомщики громогласно заявили, что они сумели замкнуть ядерный топливный цикл – "настоящая сенсация", резко поднявшая реноме их национальной научной школы и обеспечившей выдачу общественного мандата доверия. Даже после откровенной антиядерной истерики, волной прокатившейся после катастрофы на АЭС "Фукусима" по Европе, позиции атомной энергетики во Франции практически не пострадали.

У ядерного топлива, используемого в атомной энергетике, есть два варианта использования – открытый и закрытый цикл. Открытый: после того, как в ядерном топливе содержание делящегося изотопа урана-235 снижается до уровня, который уже не позволяет поддерживать управляемую цепную реакцию деления, облученное топливо извлекается из активной зоны реактора и отправляется на многолетнее ответственное хранение. Ответственное – поскольку в результате распадов ядер урана-235 в облученном топливе образуется целый "букет" высокорадиоактивных отходов (ВАО). Многолетнее – поскольку активность этих продуктов распада не снижается в течение десятков и даже сотен тысячелетий, в силу чего проектируемые пункты их окончательного захоронения называют "геологическими": если хранить эти ВАО необходимо 500-600 тыс. лет, действительно необходимо учитывать геологические процессы в земной коре.

Не самая оптимистичная перспектива, потому атомщики всего мира еще на заре становления атомной энергетики начали искать пути замыкания ядерного цикла.

Если максимально сжато: научиться извлекать из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) вещества, относящиеся к ВАО, и захоранивать их отдельно от всего остального. Средний вес партии ядерного топлива для реактора-тысячеваттника – около 150 т, а масса образующегося в нем ВАО – всего 4-4,5 т. Геологическое захоронение и в этом случае необходимо, но его объем уменьшается в 60-70 раз, значительно облегчая решение проблемы. Но даже не это главное.

Замыкание ядерного цикла – возможность вернуть природе ровно такую же или меньшую дозу радиации, которая была извлечена при добыче урановой руды, эквивалентный радиационный обмен. Достижимо это только в том случае, если все химические вещества, остающиеся в ОЯТ, способны поддерживать управляемую цепную реакцию деления. Таких веществ в ОЯТ два: недогоревший изотоп U-235 и образовавшийся в активной зоне реактора за время нахождения в нем ядерного топлива так называемый "энергетический плутоний".

Содержание U-235 в природной руде составляет 0,71%, в ядерном топливе его повышают до 5% (в среднем). К тому моменту, когда содержание U-235 снижается до 0,8 -1,0%, цепная реакция деления прекращается – для этого уже не хватает образующихся свободных нейтронов. Но эти 0,8-1,0% выше, чем 0,71% U-235 в природной руде! Если научиться извлекать этот "недогоревший" уран-235, то его можно использовать для производства свежего топлива, для этого потребуется "всего лишь" повторно его обогатить.

Кроме того, за время пребывания урана-238 в активной зоне реактора в результате ядерных трансмутаций в нем образуется еще одно делящееся вещество – энергетический плутоний.

Энергетический плутоний – это смесь его изотопов, приблизительно одинаковое количество Pu-239, Pu-240 и Pu-241.Такая пропорция делает невозможным его использование для создания ядерных боезарядов, а вот в качестве топлива для энергетических реакторов она подходит великолепно – отсюда и сленговое название "энергетический плутоний". Вот его-то в 1995 году французские атомщики и научились использовать для создания MOX-топлива (MOX – Mixed-Oxide fuel), состоящего из смеси оксидов энергетического плутония и обедненного урана – того, который остается на каскадах центрифуг после его обогащения по урану-235.

Другие ураны

На выходе из каскада главный продукт – уран обогащенный (содержание U-235 – порядка 5%), а в отвалы уходит уран, в котором содержание U-235 меньше, чем в природной руде (европейские центрифуги оставляют в этих хвостах порядка 0,25%) – вот его и называют обедненным. Поскольку для ядерных военных программ обогащение урана требовалось поднимать до 90%, "хвосты" обедненного урана – это сотни тысяч тонн, которые тоже приходится хранить при повышенных мерах защиты от альфа-радиоактивности.

Производство МОХ-топлива, таким образом, это снижение хранимых запасов обедненного урана и гамма-радиоактивного энергетического плутония, что замечательно. Вместо того, чтобы тратить деньги на ответственное хранение, атомщики научились производить топливо, которое в атомных реакторах дает возможность генерировать электроэнергию, тем самым зарабатывая деньги. Действительно серьезное достижение, французские ученые заслуживают уважение. Вот только есть одно "но" – нюанс, который не позволяет французскую МОХ-технологию реальным замыканием ядерного топливного цикла.

Извлеченный из ОЯТ оксид урана-235 нельзя использовать в обычном ядерном реакторе, поскольку в нем содержатся неотделяемые от него изотопы уран-232, уран-234 и уран-236.

Уран-236 поглощает свободные нейтроны, уран-232 – гамма-радиоактивен, их присутствие в активной зоне требует серьезной модернизации активной зоны реактора, и за все прошедшие годы это удалось сделать всего для четырех реакторов АЭС "Крюа". Результат – вынужденное ответственное хранение такого "переработанного" урана в виде его оксида, то есть никакого эквивалентного радиационного обмена не происходит.

Для производства ядерного топлива конкретно для АЭС "Крюа" переработанный уран тоже необходимо обогащать: 1,0% урана-235 не хватит для поддержания цепной реакции деления. И вот технология обогащения переработанного урана, то есть урана, содержащего "лишние" изотопы (уран-232, уран-234 и уран-236) в наличии только на Сибирском химическом комбинате в городе Северск. Здесь такой уран конверсируют, здесь же его и обогащают до необходимых 5%, потому попытка правительства Франции навязать своим атомщикам независимость от России, от Росатома в самом буквальном смысле слова пошла лесом – сибирским лесом.

Американский Westinghouse разработал технологию конверсии переработанного урана и готов был реализовать ее на практике на площадке принадлежащего ему британского завода Spingfield. Не исключено, что это даже и удалось бы, да вот французские заказчики и английские государственные регуляторы не смогли предложить экономические рентабельные условия. Это, конечно, отдельная история, а пока La Tribune зафиксировала факт: даже частичная независимость от России, химическая операция "конверсия переработанного урана" для европейской и американской атомных отраслей – недостижима. Громогласно провозглашенное замыкание ядерного топливного цикла – недостижимо.

Диспозиция остается прежней: возить переработанный уран через половину Евразии в сибирский лес, платить деньги и молча завидовать тому, как идет реальное, настоящее замыкание топливного цикла у профессионалов Росатома.