Ядерный топливный цикл: Анатомия ОЯТ

Если исходить из «классического» определения, ядерный топливный цикл – это совокупность всех технологических процессов, охватывающих всю цепочку обращения ядерного топлива. Красиво сформулировано, хотя зачем обзывать уран «ядерным топливом», если на сегодня никакого другого нету – не очень понятно. Наверное, на вырост, в надежде на то, что ядерным топливом станет и плутоний, и торий.

Часть 1. Предисловие.

Часть 2.

Если на пальцах, то цепочка более-менее понятна. Добыть руду. Очистить руду от ненужных шлаков, чтобы получить сам уран. Превратить его сначала в закись-окись урана – желтый кек. Перекинуть на заводы по обогащению, превратить во фторид урана. Обогатить до тех самых 4% по урану-235. Фторид превратить в оксид урана, порошок спечь в таблетки. Таблетки «засыпать» в тепло-выводящие сборки, из них сформировать ТВЭЛы – тепло-выводящие элементы. Поставить стержни в реакторы, дать «прогореть». Вытащить, дать стержням остыть в специальном хранилище АЭС. «Остыть» — это я упрощаю, в отработанном ядерном топливе идут всяческие ядерные процессы атомов, которые образовались во время работы реактора. Ну, и в перспективе – вывезти в постоянные хранилища ОЯТ.

Так это выглядело до последнего времени, и называют сей процесс «открытым ядерным топливным циклом». Звучит красиво, конечно, но при чем тут слово «цикл»? Цикл подразумевает повторяющийся процесс, а тут он где? Нет его – это убийство урана-235 и создание гор неиспользуемого урана-238 в чистом виде. «Проклятые расхитители социалистической собственности!», как говаривал Бывалый в незабвенном фильме. Всех под суд за нецелевые траты, Сталина на вас нет и далее по списку. А, если серьезно, атомщики всегда прекрасно понимали, что ОЯТ можно научиться использовать повторно, наполнив слово «цикл» не только звучанием, но и содержанием. Поэтому ОЯТ не пытаются как-то уничтожить, захоронить под 100-метровым слоем бетона, чтобы ни радиоактивность до нас не дотянулась, ни мы до ОЯТ. Во всех ведущих странах «атомного клуба» хранилища ОЯТ – длительного срока (до 50 лет), но не бесконечного. Росатом, строя АЭС зарубежом, в контрактах всегда предусматривает вывоз ОЯТ в Россию, поскольку а) спички детям не игрушка; б) уверен, что это вот отложенное решение будет успешно осуществлено: циклам ядерного топлива – быть!

Чтобы придумать, как создать именно цикл, надо хорошо понимать, что происходит в реакторе во время «горения» в нем топлива и что получается в результате. Да, «горение» я всегда ставлю в кавычки не просто так. Горение – реакция химическая, в которой обязательно участвует кислород из окружающей нас атмосферы. А в реакторе все процессы – физические, идут внутри атомов и никакого кислорода не расходуют в принципе. И «трубы», украшающие АЭС – вовсе не трубы, а так называемые градирни. Специальные такие устройства для отвода лишнего тепла, но про это потом, пока главное – над градирнями не поднимается дым: все, что мы видим, это самый обычный пар. Так что, если какие гринписовцы или еще какие «зеленые» в вашем присутствии будут визжать про «экологическую опасность АЭС» — будьте добры, передайте им лично от меня подзатыльник, а лучше – два.

Так вот, про «горение» топлива в реакторе АЭС. (На всякий случай – дальше речь идет о реакторах ВВЭР, а не об РБМК и не о реакторах на тяжелой воде, но и об этом – потом) Самое понятное – то, что постепенно уменьшается концентрация урана-235, поскольку именно он и «горит». Но до полного нуля его не довести – когда концентрация уменьшается до знакомых до боли 0,7%, цепная реакция деления прекращается сама по себе. А что с ураном-238, который, негодяй, присутствует, но не участвует? Цепной реакции в нем не возникает ни при каких обстоятельствах – такова уж его физическая особенность. Но один раз – не … не это вот самое, что так любят в Европе. Нейтронов в реакторе носится много, и время от времени уран-238 нехотя, лениво, но 1 нейтрон да принимает внутрь себя. И таки происходит целых две ядерные реакции, в результате которых 1 атом урана-238 исчезает, а вместо него образуется 1 атом плутония-239. Логично – было 238 нейтронов и протонов, «приклеился» 1 дополнительный – получили следующий элемент таблицы Менделеева: плутоний-239. К концу эксплуатации закладки ТВЭЛ количество плутония дорастает до 1%.4

Но ОЯТ – это не только уран да плутоний. Во-первых, уран-235 после того, как по нему шмякнул нейтрон, распадается на куски, которые так, по честному и называют: осколочные нуклиды. Во-вторых, часть урана-235 при ударе нейтрона вместо того, чтобы развалиться, принимает его вовнутрь себя, образуя всяческие трансурановые (более тяжелые, чем сам уран) атомы. В-третьих, образовавший плутоний-239 – парень весьма неспокойный, норовит ядерно реагировать, не отходя от кассы. Стырит нейтрон, оставленный без присмотра – бац, и вот он уже плутоний-240, изотоп. Стырит два – и вот он уже плутоний-241, еще один изотоп. А воровство не тебе предназначенных нейтронов – штука и опасная, и азартная, как любой другое воровство. Плутоний-239 умудряется войти в раж и включает собственную цепную реакцию, но его за это не наказывают – он ведь теплоотдачу реактора поднимает, пусть и не намного.

Фото: joyreactor.cc

Короче, без поллитры не разобраться – сами видите. Значит, что? Вываливаем в сторонку 1 тонну ОЯТ, вооружаемся мелкоскопом, надеваем свинцовые трусы, поскольку все тут радиоактивно и топаем пересчитывать эту едрен золу. Пинцет, чтобы атомы рассортировать, калькулятор – в общем, все дела. Первое, что видим – разумеется, гора г…а. Ой, — урана-238, какое-то не то слово вырвалось, простите. Вот пусть изначальное обогащение по урану-235 было 3,3%, то есть в загруженной в реактор 1 тонне топливе было 967 кг урана-238 и 33 кило – урана-235. Ну и чО? Да ничО – в «золе» 943 кило гумна, то бишь урана-238. Каким ты был, таким ты и остался, если и постройнел – то совсем немного. От урана-235 остался пшик – 8 кило. Еще 4,6 кг – уран-236, но вот он точно не нужен. Так уж получилось, что изотопы урана и плутония с четными номерами в цепных реакциях не участвуют – шлак. Та-ак, а вот тут интересненько – 8,9 кило плутония. Откидываем его в сторонку, настраиваем мелкоскоп почетче. Что видим? По 33,3% плутония-239, 240 и 241. 239й и 241й – пригодятся, в них цепная реакция возможна. 240-й – шлак.

Но плутоний-240 и его 33 и 1/3 заслуживают пары слов. Чертовски полезная штука! Почему? Ну, речь ведь ведем об обычном энергетическом реакторе, который на мирной АЭС стоит, а тут – плутоний. Говорим — плутоний, подразумеваем – едрён-батон. Поставили мирную АЭС в хитрую Турцию, она ОЯТ зажилила и слепила из него Бомбу. Каково?! Так вот, благодаря одной трети плутония-240 – кАково: как говорят циничные атомщики, из-за этой одной трети «предсказуемого ядерного заряда изготовить невозможно». Так что дорогой наш и родненький плутоний-240 не только шлак, но еще и предохранитель от желающих покуситься на создание едрён-батонов. Извините, что отвлекся от ковыряния в тонне «золы», но, согласитесь – тонкий момент, который надо хорошо понимать. Не может стать АЭС отправной точкой для создания ядерного оружия, и это – хорошо. Супротив физики не попрешь, даже если ты очень хитрый, злой и коварный террорист, потому и можно спокойно расставлять АЭС по белу свету.

Фото: http://www.dw.com/

Ладно, возвращаемся к тонне «золы». 924 кг – уран-238, 8 кило урана-235, 8,9 кило плутония в ассортименте. Итого – 943,9. И что тут еще лежит и пахнет – в смысле радиоактивничает? Так-с… 35 кило пресловутых осколочных нуклидов – перечислять лениво, мы не олимпиаде по химии. Все прочее – трансурановые элементы с названиями красивыми – нептуний, америций, кюрий…

Все, поковырялись. Трусы свинцовые – в сторону, мелкоскоп – на свалку, поскольку он теперь тоже радиоактивен. ОЯТ фонит, и фонит очень сильно, поскольку вот эти вот осколки и трансураны очень любят распадаться. Потому ОЯТ выдерживают на специальной площадке возле АЭС от 3 до 5 лет – только после этого его можно куда-то транспортировать или – если научиться – перерабатывать. Нет, ну а что перерабатывать-то? Полезного там только 8 кило урана-235 да 9 кило плутония. Как их вытащить из «золы»?

Знаете, даже я пас пересказать словами человеческими этот праздник химиков, ибо они нормальным языком вообще не пользуются. Процесс выделения урана и плутония из ядерной «золы» они назвали Пюрекс-процесс: Plutonium-Uranium Recovery by EХtraction, PUREX. Но экстракция там двойная, потом еще и аффинаж, упаривание и денитрация. Страшно? Да я сам, вслух произнося такое, подергиваюсь! Но, с другой-то стороны, я ведь обещал человеческим языком пользоваться и простые аналогии подбирать. Сейчас попробую…

Кинофильм «Чужой» видели? Какие там славные твари по экрану носились – помните? А они ведь тоже кушать хотят, блюда какие-то готовят… Нет, не видели такое кино? Ну, давайте представим, что вы откладывали супруге по копеечке на во-о-от такой красоты лабутены, а потом звоните ей по телефону: «Дорогая, ты ужин готовь, я скоро буду! Только с лабутенами незадачка получилась – я тут по дешевке купил обалденный коленвал. Ты уж потерпи, через годик купим лабутены – ну, если повезет». Представили? Ужин она, тем не менее, готовить стала, использовав вместо поваренной книги рецепт PUREX.

«Аккуратно нарезав мелкими кусочками ТВЭЛы, не очищая их от кожуры и мякоти, поместите их в кастрюльку со свежей 100%-ной азотной кислотой и помешивайте золотой ложечкой, пока все кусочки не растворятся. Полученный бульон процедите через ситечко, а затем добавьте в кастрюльку 30%-ный раствор трибутилфосфата в керосине. Цвет бульона сразу изменится, и кухня наполнится потрясающими ароматами, так радующими вашего любимого супруга. Для придания бульону золотистого цвета всенепременно плесните в него нитрат аммония и несколько ложечек нагретой до кипения 60%-ной азотной кислоты. Через несколько минут осколочные нуклиды превратятся в рафинад, а в бульоне останутся только уран и плутоний. К этому времени во второй кастрюльке у вас как раз вскипит раствор соли двухвалентного железа, который, после добавления, добавит бульону питательности. Не премините дополнительно насытить бульон раствором хлора или серы, подавайте к столу горяченьким».

Мужики! Обещали жене лабутены – идите и купите сразу две пары, а то ведь не исключено, что этот рецепт теперь будет бродить по просторам Интернета! И это я его еще и упростил – в реальности в процессе переработки используют не только азотную, но и серную, и плавиковую кислоты.

Короче: химики – могут, за что честь им и хвала и свежий противогаз в придачу. Могут – убрать все шлаки, могут – отделить уран от плутония. У кого нервы крепкие, могут удовлетворить любопытство — сюда, кто хочет совсем уж подробно — сюда. Тут, правда, на английском, но формулы химических реакций перевода не требуют. Заметим, что работать со всеми этими вот жуткими кислотами, солями и щелочами химикам приходится еще и в условиях применения всех мер биологической зашиты от радиации. И они это – делают!

На освоение технологии Пьюрекс ушел не один год, но теперь она освоена качественно, продуманы все меры безопасности. У нас это делают на «Маяке», Сибирском химкомбинате и на Железногорском горно-химическом комбинате, действуют два предприятия AREVA во Франции и на заводе Селафилд в Англии. Планировали организовать производство японцы, только вот тут я, сидя в Латвии, окончательно перестал понимать, что там и как. Завод японцы упорно строят с 1993 года, передвигая сроки запуска вот уже 23 раза. Было достаточно бравурное сообщение о том, что весной 2016 – точняк и верняк, да вот только зимой тамошний минфин коротенько перевел срок на конец 2018-го.

Удовольствие под названием Пьюрекс дорогое, опасное, но – нужное. Мало того – оно может стать еще и весьма экспортным, поскольку проблема ОЯТ стоит перед всеми странами, имеющими свои АЭС. В переработке ОЯТ как бизнесе пока впереди французы – два завода позволяют им зарабатывать миллиарды на переработке ОЯТ Германии, Швейцарии, Голландии. Росатом отвечает асимметрично: на «Маяке» научились перерабатывать ОЯТ всех видов – из энергетических реакторов, из реакторов экспериментальных, исследовательских, из реакторов подводных лодок. На СХК смогут перерабатывать ОЯТ из наших быстрых реакторов – как из натриевого, так и из «свинцового», задел на будущее делается прямо сейчас.

Можно, конечно, и дальше расписывать подробности переработки ОЯТ, но я бы предложил остановиться на констатации главного: радиохимики могут выделить из него уран, плутоний, трансурановые элементы, осколочные нуклиды по отдельности. Те, кто побаивается радиации, тоже могут зафиксировать: все действительно опасное, что нельзя повторно использовать ни при каких обстоятельствах, после извлечения из ОЯТ остекловывается, бетонируется и так далее – дабы соблюсти все жесткие нормативы.

В следующих заметках посмотрим, чем ответили физики: как можно использовать то, что смогли в чистом виде выделить для них химики. Чтобы не было скучно – нашел уникальный фоторепортаж с завода РТ-1, где идет переработка ОЯТ. «Маяк» нынче – это ведь производственное объединение, в составе которого семь заводов, далеко не на все из которых можно попасть простому смертному со стороны. Фоторепортаж 2011 года – сейчас, наверняка, все стало еще более технологичным. Но общее представление о том, как в натуре выглядит все то, что я тут расписывал, уважаемый Илья Яковлев передал самым наилучшим образом — здесь. Эх, мне бы туда попасть, но… В общем – потратьте драгоценное время, не пожалеете.1

Борис Марцинкевич