Экологические аспекты ядерной энергетики и особенности материального потока в циркулярной экономике

В настоящее время многие страны переходят с экономической традиционной модели, функционирующей по принципу «добыть, использовать, выбросить», на циркулярную модель, чья концепция заключается в «чистом» производстве. Анализируя переход на циркулярную экономику, необходимо изучить альтернативные источники энергии, в том числе – ядер-ную.

Для оценки потенциальных возможностей и опасностей использования ядерной энергетики необходимо провести оценку жизненного цикла ядерного топлива. Ядерный топливный цикл представлен на рисунке 1.

The Nuclear Fuel Cycle

■ Reprocessing of spent nuclear fuel, including mixed-oxide (MOX) fuel, is not practiced n the United States.

Note: The NRC has no regulatory role in mining uranium, As of June 2017

^USNRC

Рис. 1. Ядерный топливный цикл

Первым этапом является добыча сырья для ядерного топлива, т.е. урана (около 99,4% земного урана приходится на уран-238, и всего 0,6% - на уран-235). В настоящее время уран добывается тремя разными способами. Следующим этапом является переход концентрата урановой руды в гексафторид урана (UF6) и происходит обогащение для увеличения концентрации урана-235 (U235) в UF6. Далее - деконверсия для уменьшения опасностей, связанных с гексафторидом обедненного урана (DUF6) или шлама, полученными на более ранних этапах топливного цикла. После этого изготавливается топливо для преобразования природного и обогащенного UF6 в UO2 или сплав урана для дальнейшего использования в качестве топлива в ядерных реакторах. Этот этап также включает изготовление смешанного оксидного топлива. Следующий этап включает непосредственно использование топлива в реакторах (ядерная энергетика, исследования или морское движение), после чего ОЯТ временно хранится. Высокоактивные отходы либо перерабатываются, и происходит рециркуляция, либо утилизируются [1].

Наиболее опасными и критичными являются этапы обогащения урановой руды в виду химических и физических особенностей, транспортировка. Отдельно стоит отметить этап утилизации, так как единица ядерного топлива способна выделять на протяжении долгого времени значительное количество тепла и ионизирующего излучения, в том числе отработанное.

Вариант переработки ОЯТ является крайне экологически и экономически выгодным, так как такое топливо имеет как минимум 2 полезных компонента - это невыгоревший уран (глубина выгорания металла никогда не достигает 100%) и трансурановые радионуклиды. Как было отмечено ранее, в некоторых странах ОЯТ не отправляют на повторную переработку. Другие страны, среди них и Россия, работают над замкнутым топливным циклом. Он позволяет существенно сократить расходы на производство ядерного топлива, поскольку повторно используется часть ОЯТ. При переработке топливные стержни растворяются в кислоте, после чего исследователи выделяют из отходов плутоний и неиспользованный уран. Около 3% сырья эксплуатировать повторно невозможно, это высокоактивные отходы, которые проходят процедуры битумирования или остекловывания. Из отработавшего ядерного топлива можно получить 1% плутония. Этот металл не требуется обогащать, Россия использует его в процессе производства инновационного MOX-топлива [2].

Что касается запасов первичного сырья, на данный момент добыча урана осуществляется на территории большого числа месторождений. Уран добывают в 28 странах мира, но основные мировые запасы принадлежат 10 государствам, которые делят 90% рынка [3]:

- Австралия (661 000 т - 15,36% от всех мировых запасов);

- Казахстан (629 000 т - 14,61%);

- Россия (487 000 т - 11,31%);

- Канада (468 000 т - 10,87%);

- Нигер (421 000 т - 9,78%);

- ЮАР (297 000 т -6,90%);

- Бразилия (276 700 т - 6,43%);

- Намибия (261 000 т - 6,06%);

- США (207 000 т - 4,81%);

- Китай (166 000 т - 3,86%).

Если анализировать запасы урана по разновидностям отложений, то жилы уранинита или урановой смолки (диоксид урана UO2) встречаются в Демократической Республике Конго, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов, чьи крупные месторождения находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом, который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов, и такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды, четвёртый источник отложений, обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Централь- ноафриканской Республике ещё более богаты ураном [4].

Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановые в вулканитах (Читинская область), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото- урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия). Контроль над основными уранодобывающими активами осуществляет корпорация «Росатом». Она объединяет Международный горнорудный дивизион Uranium One и имеет портфель акций в США, Казахстане и Танзании [4].

На рисунке 2 отражена схема добычи урана с 2013 года и прогноз до 2035 года.

Рис. 2.- Схема добычи урана

По прогнозам, запасов урана как первичного сырья (примерно 4,7 млн тонн) хватит на 85 лет работы атомных электростанций мира. Однако потребности человечества растут очень быстро, а также появляется понимание того, что ядерную энергетику можно использовать в больших масштабах [5]. Следовательно, постепенно будут снижаться запасы урана как первичного сырья, поэтому необходима поставка урана и ядерного топлива из вторичных источников [4]:

– Переработанный уран и плутоний из отработанного топлива;

– Повторно обогащенные хвосты обедненного урана;

– Военный оружейный уран;

– Гражданские запасы;

– Военный плутоний оружейной марки, как топливо MOX.

Главные коммерческие перерабатывающие заводы работают во Франции и Великобритании с мощностью более чем 4000 тонн используемого топлива ежегодно. Продукция данных заводов повторно входит в топливный цикл и используется при изготовлении свежей смешанной окиси (MOX) топливных элементов. Прибли- зительно 200 тонн MOX используются каждый год, что эквивалентно не менее чем 2000 тонн U3O8 от шахт. Также оружейный сорт может быть перемешан в отношении с обедненным ураном, чтобы уменьшить содержание U-235 приблизительно до 4%, подходящих для использования в энергетическом реакторе. С 1999 по 2013 год из 30 тонн оружейного урана ежегодно производят приблизительно 10,600 тонн урана для гражданских реакторов [4].

Итак, анализ воздействия на экологию показал, что наиболее опасными этапами являются обогащение урановой руды, транспортировка и утилизация отходов. Что касается запасов первичного и вторичного сырья урана, на данный момент уран добывают в 28 странах мира, но лидерами являются 10 стран, в том числе Россия. Лидерами по вторичному сырью являются Россия, Франция и Великобритания. В ходе исследования автором сделан вывод, что ядерная энергетика может рассматриваться как чистый и надежный источник энергии, однако также необходим анализ технологических, экономических и социальных факторов.