Немного об источниках ядерного топлива
Сферическое ядерное топливо в вакууме
«Ветроэнергетика, солнечная энергетика, ядерная энергетика» — думал я. «Ветер дует, солнышко светит… Стоп, а ядро что?» Инересно было бы узнать…
Сейчас основа ядерного топлива — это уран. Наиболее распространенными видами урана в природе являются изотоп с массой 238 и изотоп 235. В природном уране они содержатся в соотношении примерно 99.3% и 0.72%. Уран — это металл, так что его придется копать. Но сперва нам надо кое-что узнать. «Уран по своей природе не радиоактивен.» Однако, это исключительное мнение Росатома. Все остальные, конечно же, знают, что уран радиоактивен. Впрочем, не сильно. Альфа-излучение (ядра гелия), хоть и наиболее характерно для урана, — задерживается кожей и, в случае внешнего воздействия, не опасно. Бета-излучение (электроны/позитроны) тоже есть, но хорошо задерживается простой тканью. Гамма-излучение (фотоны), хоть и проникающее, но в нашем случае, благодаря малой интенсивности, дает вклад наравне с бета-излучением. В итоге, несмотря на то, что урановая руда — это далеко не только уран, скажем сразу, — светить она будет не сильно.
Взглянем на продукты распада урана. В них присутствует радон, и это уже плохие новости. Как нам кругом говорят:
Распад ядер радона и его дочерних изотопов в лёгочной ткани вызывает микроожог.
Изотопы полония, образующиеся в результате распада радона являются значительным источником _внутреннего_ альфа-облучения.
Относительная вредность дочерних продуктов радона больше, чем вредность самого радона. Попадая в организм человека, он способствует процессам, приводящим к раку (костей, крови, легких, тысячи их…), малокровию, лейкозу.
Запомним, радон — важный фактор при работе с урановой рудой.
И, наконец, сам по себе уран высокотоксичен. Попадание его в организм любыми путями сверх допустимой нормы крайне нежелательно.
При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.
Часто указывают, что при работе с ураном сам он доставляет не хуже радона, но какие эффекты вызваны наличием первого, а какие — второго, иногда разобрать сложно, поэтому точно никто не говорит. Не будем испытывать судьбу и предположим худший вариант. Хотя, Курчатов просто вытерал руки о платок. True story.
Диоксид урана. Уже торт?
Прежде чем копать, надо узнать где. Значительным лидером по запасам урана является Австралия — 1780 кт (30% мирового объема). Взглянем на первую пятерку (и процент от мировой добычи в 2017 г.):
- Австралия — 30% (10%)
- Казахстан — 14% (39%)
- Канада — 8% (22%)
- Россия — 8% (5%)
- Намибия — 7% (7%)
Если все правильно, то урана на земле нам хватит примерно на сто лет. Не так уж и много, но есть еще, как минимум, торий.
«Сколько кюри нужно, чтобы зажечь лампочку?» — старый французский анекдот
Первый вариант. Если уран лежит неглубоко (до 500 м), можно использовать карьерный метод. Экскаваторы и грузовички. Дешево и сердито, минимум радиации. Открытый воздух немного помогает от радона и урановой пыли. Таким образом, подобная карьера будет давать нам не более пары милизивертов в год. Это считается абсолютно безопасным. Проблема же возникает при появлении отходов добычи. Но об этом потом.
Второй вариант. Он рассчитан на случаи, когда руда залегает чуть глубже и приходится копать шахту. Как правило, больше двух километров не копают, иначе уже неэффективно по цене. При добыче на глубине в активную игру вступает радон. Его нужно постоянно отслеживать, ловить, выкачивать и подавать хомячкам в шахты свежий воздух. Про пыль тоже не забываем. Ужесточение техники безопасности и усложненный механизм добычи увеличивают затратность данного метода по сравнению с первым. Проблема отходов сохраняется.
Третий метод. Метод подземного выщелачивания (МПВ). Значительно отличается от первых двух. Сперва к урановой залеже бурится скважина (не глубже 600 м). Затем в нее начинает подаваться раствор серной кислоты, который связывает частицы урана (выщелачивание). Полученный раствор выкачивается на поверхность и уже из него извлекается, после чего обрабатывается, уран. Достоинства данного метода заключаются в значительном упрощении организации процесса. Соответственно, снижается и цена. Хомячки с лопатами уже не нужны. А значит метод можно применять и в тяжелых климатических условиях. Радон и пыль нас перестают беспокоить. Выкачиваемый раствор также содержит по минимуму лишних компонентов, что значительно упрощает вопрос радиоактивного загрязнения. Вцелом данный метод считается перспективным, но используется пока где-то на 15% месторождений.
Печальный пример. Река Рио-Тинто
Грусть первая, касающаяся любого майнерства — это AMD aka сточные воды. Суть в том, что в отходах добычи встречается много сульфидов, которые при наличии воды и кислорода дают нам серную кислоту. В случае заброшенных подземных шахт, изменение водных потоков делает этот процесс неизбежным. Более того, среди сульфидов встречаются и токсичные металлы (медь, алюминий, мышьяк, ртуть). При попадании всей этой радости в речку, пить и жить в ней уже не рекомендуется. Усугубляется все это тем, что в особо запущенных случаях ситуация не исправится уже «никогда».
Грусть вторая. После выделения из руды урана у нас остается куча ненужного мусора (в твердой и жидкой форме). Он включает в себя как не добываемые нами радиоактивные элементы (торий, радий), так и недособранный уран. Уровень радиоактивности таких отходов может достигать 85% от уровня первоначально добываемой руды. Если все это просто свалить в кучу, то, как мы уже знаем, гамма-излучение и постоянно выделяющийся радон (который, вообще говоря, образуется из радия) могут нанести серьезный вред окружающей среде.
Грусть третья, касается метода подземного выщелачивания. Пользуясь этим методом мы почти не получаем мусора, и не загрязняем воздух. Но процесс неизбежно вызывает загрязнение подземных вод. Возможные утечки рабочего раствора (i.e. серной кислоты) могут приводить к значительным изменениям геологической структуры, предсказать которые не всегда просто. Серьезной задачей здесь становится защита источников водоснабжения.
Одно из хвостохранилищ в Канаде
Как мы понимаем, отходы нужно сложить в одно место. Оно именуется хвостохранилище (от англ. 'tailings' — отходы). Оно может представлять собой просто гору мусора, запруду или озеро. Наша первичная задача — изоляция от окружающей природной гидросистемы. Т.е. нам важно, чтобы хранилище не протекало, и не переполнялось. Для первого нам требуются надежные ограждения по краям. Второе требует установки ситем декантации, плюс желательно принятие во внимание объемов осадков/испарений при проектировании. После прекращения сбора отходов необходима установка купола — защита от радона. Как дополнительные меры, — осушение хранилища, защита от эрозии почвы. Далее — постоянное наблюдение. Cрок службы — от минимума в 200 лет до желательного в 1000 лет. При помощи какой матери можно столько простоять, наука не решается ответить.
Прогнозы на периоды от 175 до 975 лет осложняются высокой степенью неопределенности в силу отсутствия достаточного объема практических данных.
Соответственно, затраты на содержание в будущем тоже оценить сложно. Есть данные о первичных затратах, при снятии шахт с эксплуатации. Суммы варьируются от нескольких десятков миллионов до пары миллиардов долларов. Также там есть интересные данные от UMTRA о том, сколько смертей они предотвратили своей деятельностью и почем это вышло. За сто лет получилось ~1.3к жизней, один миллион долларов в сумме. В целом, ясно, что задача требует внимания, времени и денег. Любые значительные повреждения хвостохранилища могут привести к печальным последствиям.
Uranium Mining and Milling Wastes: An Introduction
Uranium Mining in Virginia (2012)
Открылась в 1953, закрылась в 1971. Правительство и добывающая компания на обработку отходов положили. В качестве благодарности, получили единственное в Австралии озеро, где нет слоников крокодилов. А что еще народу надо? К 1980 году правительство заметило, что хомячки полюбили купаться в радиоактивных отходах и схватилось за голову. Переделали как надо, накрыли куполом и запаслись попкорном. Стоял вопрос о полном запрете добычи урана в Австралии. Сошлись на «законе трех». Но в 2009, без объявления войны, министр окружающей среды сообразил до четырех. R.I. P.
Африканская страна. Перестает быть колонией Франции в 1960 году. В 1968 Французы возвращаются с желанием разрабатывать уран, обещая превратить ближайший город в Le Petit Paris. Наивные аборигены не могут отказать бывшим друзьям, хватают лопаты и в одних трусах бегут в рудники. Страна вырывается в топ по добыче урана, французский концерн (в свое время — Арева) — в топ лидеров атомной отрасли. Когда прибегают зеленые, все уже кончено. Радиоактивный фон в сотни раз выше нормы, негры мрут от рака, страна — одна из беднейших в мире. В 2008 Арева номинируется на анти-оскар. Fin.
В 2012 году [ ] были выделены деньги на рекультивацию четырех урановых хвостохранилищ в Центральной Азии. Реализовывал программу [ ]. Рассчитана она была на шесть лет, то есть до 2018 года, и потратили на нее $38,5 миллиона. Рекультивация должна была пройти [ ].
