Уран — основа атомной энергетики

– Где используют уран?

– Основное направление – атомная энергетика и военная промышленность. Как я уже сказал, природный уран представлен тремя изотопами. С точки зрения атомной энергетики наиболее интересен 235-й уран, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Однако в природном уране его содержание всего 0,72 %, тогда как в ядерном топливе для АЭС степень обогащения по U-235 составляет от 2 до 5 %. В уране для оружейного использования – 90 % и выше. Поэтому обогащение урана в этом случае является неотъемлемой частью технологии его переработки.

Что касается других изотопов урана, то стоит выделить применение U-238 для производства плутония-239, который используется как ядерное топливо и является основой современного ядерного оружия. В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом U-238 может превращаться в Pu-239. Любое реакторное топливо на основе обогащенного урана после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.

Степень обогащения одной газовой центрифуги невелика, поэтому их объединяют в последовательные каскады, в которых обогащенное сырье с выхода каждой центрифуги подается на вход следующей, а обедненное – на вход одной из предыдущих. При достаточном количестве центрифуг в каскаде можно получить очень высокую степень обогащения. techinsider.ru

– Что значит обогащение урана?

– Это увеличение в уране доли изотопа U-235 выше природного значения, и такой материал называется «обогащенный уран». После извлечения 235-го изотопа из природного урана оставшийся материал носит название «обедненный уран» (0,1–0,4 % U-235).

Обогащенный уран, как я уже сказал, используется в качестве ядерного топлива или ядерного оружия. Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный, и его используют, например, для радиационной защиты, в современной танковой броне, в качестве сердечников для бронебойных снарядов. Отмечу, что Россия – мировой лидер в производстве обогащенного урана. И этому способствует в том числе разработанный в нашей стране еще в 1960-х годах высокоэффективный газоцентрифужный метод разделения изотопов.

Он основан на том, что во вращающемся роторе центрифуги за счет действия центробежных сил тяжелый U-238 отбрасывается к периферии, а легкий U-235 – к центру. При этом, так как разделение изотопов происходит в газовой фазе, для обогащения уран используется только в виде гексафторида урана (UF₆). Это единственное его соединение, переходящее в газообразное состояние при относительно низкой температуре.

Заброшенная скважина чехословацкой урановой промышленности, которая использовалась в подземном выщелачивании урана, Чехия. Фото: Lovecz, wikipedia.org

– Где в нашей стране добывают природный уран?– В Забайкальском крае (горно-шахтным способом), а еще в Республике Бурятия и в Курганской области с использованием метода скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

– В чем принцип добычи урана методом СПВ?

– Это способ добычи урана без поднятия руды на поверхность, процесс извлечения урана из нее происходит прямо в недрах. Под землю в пласт урановой руды через систему скважин подается выщелачивающий раствор, чаще всего серной кислоты, который, просачиваясь через рудное тело, вскрывает минералы урана. В результате уран переходит в раствор, который затем поднимают на поверхность, используя систему откачных скважин, и направляют на гидрометаллургический завод. Там уран извлекают из раствора, после чего его вновь используют для выщелачивания: добавляют в него необходимые реагенты и закачивают обратно под землю.

Раньше в технологии добычи урана метод скважинного подземного выщелачивания считался второстепенным. В основном использовали традиционные способы – шахтный и карьерный. Однако за последние 20 лет доля урана, добытого во всем мире с применением СПВ, выросла с 20 до 50 %. Это же наблюдается и в России.

– Почему?

– Применение СПВ позволяет исключить из процесса добычи урана ряд дорогостоящих операций, характерных для традиционных способов. Это существенно снижает стоимость добываемого урана и позволяет разрабатывать месторождения даже с малым его содержанием в руде.

Также при скважинном подземном выщелачивании урана значительно снижается негативное воздействие на окружающую среду. СПВ признан Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) самым экологически чистым и безопасным способом отработки месторождений. При СПВ не образуются отвалы пустых пород, не происходит оседание и нарушение земной поверхности, продукты распада урана остаются под землей, и тем самым исключается их воздействие на персонал.

Повсеместному использованию СПВ мешает ряд серьезных ограничений. Метод применяется только в случае, если рудное тело отличается высокой проницаемостью, чтобы растворы могли легко просачиваться и добираться до урана. Рудный пласт должен быть полностью изолирован от водоносных горизонтов, чтобы не было «утечки» урансодержащих растворов или, наоборот, их разбавления грунтовыми водами. Также уран должен быть представлен минералами, легко вскрываемыми выщелачивающими растворами. В нашей стране прирост добычи урана в последние годы связан с наращиванием мощностей предприятий, работающих именно на основе СПВ.

Урановая шахта в Саскачеване, saskmining.ca

– А как выглядит процесс, когда уран добывают шахтным способом?

– Способ подразумевает строительство системы шахт, отделение руды от пласта, транспортировку ее на поверхность и далее на гидрометаллургический завод, где она сначала проходит подготовку (дробление, измельчение, обогащение), а затем поступает на выщелачивание урана растворами серной кислоты.

То есть процесс, который при СПВ протекает под землей, здесь происходит на поверхности. При этом сопровождается целым рядом дополнительных операций. Себестоимость урана получается выше, возрастает и негативное воздействие на окружающую среду и персонал.  Разработка традиционными способами приводит к образованию огромных отвалов пустой породы. Считается, что при СПВ количество твердых отходов составляет примерно 1 кг на 100 кг произведенного урана, при традиционных способах – около 1000 кг на 1 кг урана.

– Сколько урана Россия добывает ежегодно?

– В прошлом году отечественными уранодобывающими предприятиями суммарно было произведено 2635 тонн урана. Но мы добываем уран и в других странах, и если учесть его, то получится 7100 тонн. А это 15 % мировой добычи и второе место в мире по объему его добычи.

– Расскажите историю, связанную с обогащением урана, которая поставила нашу страну в статус крупнейшего его поставщика в США?

– В 1993 году между Россией и США было подписано Соглашение ВОУ-НОУ (высокообогащенный уран – низкообогащенный уран), по условиям которого наша страна должна была перерабатывать не менее 500 тонн российского высокообогащенного урана, превращая его в низкообогащенный, и поставлять для американских атомных электростанций. Соглашение было рассчитано на 20 лет и закончило действовать в 2013 году. Для американцев такой вариант оказался дешевле, чем содержать свои обогатительные фабрики, и они их закрыли. К слову, реанимировать эти фабрики они до сих пор не могут, а мы по-прежнему занимаем львиную долю их рынка.

– Как обстоят дела с запасами урана в нашей стране?

– Запасы урана в России составляют около 700 тыс. тонн. В основном они связаны с четырьмя урановорудными районами: Стрельцовским (Забайкальский край), Витимским (Республика Бурятия), Зауральским (Курганская область) и Эльконским (Якутия). Сегодня ведется активная разработка новых объектов в Витимском и Зауральском районах с применением СПВ. В первом случае осложняют работу тяжелые климатические условия, во втором – сложный солевой состав растворов. Однако именно с разработкой месторождений в этих районах связан ожидаемый в ближайшие годы прирост добычи урана в нашей стране.

Особую важность представляет Эльконский район, запасы урана здесь составляют более 380 тыс. тонн, а это больше половины общих резервов. Наряду с ураном в рудах присутствуют золото и молибден. Однако из-за низких содержаний компонентов в рудах, значительной глубины их залегания, сложных горнотехнических условий разработки освоение месторождений Эльконского района сейчас не осуществляется.

– А есть сценарий на случай, если урана все же не будет хватать?

– Основой атомной энергетики долгое время будут оставаться реакторы, сырьем для которых служит уран. Большинство специалистов сходятся во мнении, что с каждым годом реакторные потребности в уране будут только расти, а его добыча из-за истощения богатых месторождений – снижаться. Потребление урана уже давно значительно превышает его добычу, и дальше лучше не будет. Сейчас дефицит сырья покрывается за счет наработанных ранее складских запасов, но им свойственно заканчиваться.

Поэтому активно разрабатываются проекты освоения новых месторождений, а также ведутся работы по созданию эффективных технологий переработки облученного ядерного топлива, отходов добывающих и перерабатывающих предприятий урановой промышленности с целью возврата урана в ядерно-топливный цикл.

Переработка накопленных за десятилетия работы предприятий урановой промышленности и АЭС отходов не только может быть экономически выгодна, но и позволит снизить антропогенную нагрузку объектов хранения на окружающую среду.

Облученное ядерное топливо содержит достаточное количество неизрасходованного U-235. В отходах уранодобывающих и особенно перерабатывающих предприятий есть природный уран, и его количество сопоставимо с некоторыми месторождениями. При этом, в отличие от руд, они находятся на поверхности.

– Есть конкретные предложения?

– Как я уже сказал, работа ведется по нескольким направлениям, в том числе и на нашей кафедре редких металлов и наноматериалов ФТИ УрФУ. Например, моя группа в настоящее время при поддержке Российского научного фонда занимается проблематикой кондиционирования твердых радиоактивных отходов, размещенных в приповерхностных хранилищах конверсионного уранового производства. Одна из основных целей проекта – определить возможность извлечения урана из отходов для дальнейшего использования его в ядерно-топливном цикле.

– Насколько опасно для населения и окружающей среды соседство с уранодобывающими и перерабатывающими предприятиями?

– Понятно, что рядом с любым промышленным объектом возникают риски техногенных катастроф. Но с ростом степени возможной опасности увеличивается и количество систем защиты. Самое слабое место – приповерхностные хранилища твердых отходов уранодобывающих и перерабатывающих предприятий. Сегодня используются целые комплексы инженерных решений для предупреждения попадания вредных веществ в окружающую среду, хранилища окружены системой укреплений, дренажей, наблюдательных скважин. Однако мировой опыт показывает, что зачастую этих мер оказывается недостаточно.

Нередко на подобных объектах наблюдается миграция урана и продуктов его распада за пределы хранилищ за счет проникновения в грунтовые воды, выветривания их открытых частей, а также в результате различных чрезвычайных ситуаций. Последствия таких процессов трудно исправить, так как очистка и регенерация почв и водоемов от радионуклидов требует значительных финансовых и трудовых ресурсов. Очевидно, что урон здоровью и благополучию граждан невосполним вовсе. Поэтому проблема ликвидации таких объектов на сегодняшний день – актуальная задача.

– То есть недовольство некоторых людей по поводу разработки новых месторождений обосновано?

– В нашей стране большинство вводимых сейчас в эксплуатацию, а также планируемых объектов освоения месторождений урана находится в отдалении от крупных населенных пунктов. При этом для добычи урана используется метод СПВ, поэтому приповерхностных хранилищ отходов и не будет.

Что касается сопротивления со стороны населения, то уран для большинства людей всегда будет чем-то загадочным и опасным, поэтому находятся и те, кто пытается всячески противодействовать открытию новых предприятий. Только собственный опыт проживания вблизи таких объектов может изменить эту ситуацию, и то не всегда.

Урановые рудники на горе Бештау, panoramy-chernobylya.ru

– Какие проблемы в урановой промышленности вы сейчас наблюдаете?

– В первую очередь это обозначенные уже проблемы несоответствия уровня добычи урана уровню его потребления и переработки отходов уранового производства. Ощущается также нехватка специалистов. Ребята учатся, но редко остаются в этой сфере. Молодежь во время учебы привыкает к большим городам: к развлечениям, высокому уровню сервиса и доступности ресурсов. А предприятия урановой промышленности зачастую находятся в маленьких городках и селах, которые практически лишены всего этого. И это становится серьезным психологическим препятствием. Кроме того, молодой специалист, как и в любой другой сфере, не может на начальном этапе рассчитывать на высокую зарплату или солидную должность. А ему хочется карьерного взлета здесь и сейчас. Поэтому, на мой взгляд, необходимо создавать программы поддержки молодых специалистов урановой отрасли.