Альберт Эйнштейн как-то заметил: «Освобождённая энергия атомного ядра многое поставила под сомнение, в том числе и наш образ мысли». Прозорливости великого учёного можно позавидовать — потребность в энергии, несмотря на кризисы и пандемии, растёт. Но вместо масштабного перевооружения энергетической инфраструктуры на основе современных высокотехнологичных и ультрабезопасных АЭС продолжают строиться новые тепловые станции, усугубляющие проблему парниковых газов, или же принимаются половинчатые меры (в первую очередь — на основе возобновляемых источников энергии) со спорной эффективностью.
Тем не менее страны, стремящиеся к подлинной энергетической независимости, рассматривают именно АЭС как оптимальный вариант для реализации своих планов. По данным аналитической компании GlobalData, к четырём с лишним сотням ядерных реакторов мира в ближайшие годы добавятся 54 новых энергоблока в 17 странах. А в перспективе до 2030 года могут быть запущены ещё 450 реакторов в Китае, Турции, Египте, государствах Аравийского полуострова и др.
Это немало. И в связи с этим может возникнуть вопрос: а хватит ли топлива для долгой и успешной работы всех этих АЭС? Ведь запасы урана, как и других видов ископаемого топлива, далеко не безграничны. Однако опасаться уранового «голода» не стоит, и вот почему: возможности мирового производства обогащённого урана на 15 % превышают текущие потребности, то есть для пуска новых реакторов вполне хватит существующей индустриальной базы (ей, правда, располагают далеко не все страны).
Извлечь уран из руды — это даже не полдела, а всего лишь начало длинного и сложного пути. Концентрирование, выщелачивание, продувка, экстракция — вот неполный перечень операций, которым подвергается многострадальное сырьё. Но, по большому счёту, ничего сверхъестественного в этом нет: подобные технологии используются и для других полезных ископаемых.
Настоящая «магия» начинается позже. Уран урану рознь, и просто получить чистый металл, подобно золоту, меди или кобальту, недостаточно. Природное сырьё в подавляющей массе (99,3 %) содержит изотоп 238U (92 протона и 146 нейтронов), а на долю востребованного 235-го изотопа со 143 нейтронами остаётся всего 0,7 %. Всего 3 нейтрона — лишних или недостающих, тут уж кому как нравится — радикально меняют поведение урановых ядер. Если уран-238 (к слову, раньше он назывался «уран-1») имеет период полураспада 4,5 млрд лет и радиоактивные свойства проявляет слабо, то у его «младшего брата» (историческое название — «актиноуран») характер совсем другой. Период полураспада 235U равен «всего лишь» 700 млн лет, а самое главное, 235-й изотоп способен самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию: управляемую — в энергетике, и неуправляемую — в оружейной сфере.
Делить не переделить!
Значит, их надо разделить! Вопрос — как? Ведь это не разные химические элементы с весьма отличными свойствами, это один и тот же элемент, масса ядер которых отличается всего на 1 %. Первое, что надо сделать, — превратить крупинки оксида урана в… газ! Ведь только в этом агрегатном состоянии ядра не будут связаны друг с другом и появится шанс их отсортировать. Для этого диоксид урана UO2 сжигают во фторе. Цепь таких реакций приводит к появлению летучего соединения — гексафторида урана UF6. Последний обладает важными технологическим свойством: его тройная точка (то есть определённые значения температуры и давления, при которых вещество может одновременно и равновесно существовать в твёрдом, жидком и газообразном состояниях) соответствует температуре 64 °C и давлению паров 1138 мм рт. ст. (1,5 атмосферы). Таким образом, гексафторид урана может храниться в твёрдом кристаллическом виде. При подогреве соединение сублимируется (возгоняется) сразу в газ, минуя жидкую фазу. Всё это существенно упрощает проблему хранения сырья — конечно же, при строжайшем соблюдении мер безопасности: все компоненты процесса исключительно токсичны и агрессивны.
Итак, у нас есть урановый газ. В идеале теперь нужно разделить ядра обоих изотопов на отдельные фракции по массе ядер (напомним, что количество протонов и соответствующий электрический заряд у них совпадают и равны 92). Сперва в массовом производстве применяли диффузионный метод. Он основан на разной подвижности молекул: лёгкие частицы газа движутся чуть быстрее, а под давлением, созданным мощными нагнетающими компрессорами, они способны чаще просачиваться через мелкие поры специальной разделительной мембраны. Очевидно, что за один цикл процесса вряд ли получится сразу отделить нужные молекулы. И это в самом деле так: диффузионная установка может увеличить долю лёгких частиц уранового газа всего лишь на несколько десятых процента. Выход прост, но весьма затратен: установки надо объединить в последовательные каскады, постепенно обогащающие газ до нужного уровня. Так, в 1948 году на первом советском газодиффузионном заводе в сверхсекретном Свердловске-44 (сейчас это российский Новоуральск) было установлено… 3100 машин! За сутки непрерывной работы они производили около 70 г оружейного урана-235, обогащённого до 92 %, потребляя гигантское количество электроэнергии.
Делим по-разному
Диффузия — не единственный эффект, с помощью которого можно разделить изотопы. Для наработки оружейного урана первых атомных бомб в США использовали электромагнитное разделение. Его принцип прост: кристаллы урана (или другого металла — метод универсален и может применяться для разных веществ) засыпаются в специальную печь, в которой они нагреваются, ионизируются и испаряются. Затем ионы разгоняются в сильном электрическом поле и попадают в поле магнитное, линии которого перпендикулярны траекториям ионов. В итоге лёгкие ионы летят по дуге малого радиуса и попадают в ловушку-коллектор; а их тяжёлые собратья на большой дуге «промахиваются» мимо.
Метод отличается очень высокой степенью разделения: всего за несколько проходов можно добиться увеличения доли искомых изотопов в 70–80 раз. Но себестоимость полученного продукта получается очень высокой. Обогащённого урана получается мало, ведь установку надо периодически останавливать для извлечения готового продукта. А по затратам энергии электромагнитное разделение на порядок прожорливей диффузионных установок.
«Карусель» для урана
Любопытно, но «закручивание» газа успешно работает в доминирующем сегодня методе обогащения — центрифугировании. При больших скоростях вращения (1500 оборотов в секунду, а в современных машинах — и выше) молекулы с изотопом-238 собираются у внешней стенки, а лёгкие частицы остаются около ротора. Кроме того, происходит сепарация и по высоте, тяжёлые изотопы опускаются. Останется только откачать газ из разных областей.
Именно центрифуги стали тем технологическим фундаментом, который обеспечил растущие мировые потребности в ядерном топливе. Обогащённый уран производят всего 13 государств — Россия (корпорация TENEX), Германия, Голландия, Великобритания (консорциум URENCO), Франция (компания Areva), Китай (государственная корпорация CNNC), США (URENCO: New Mexico), Пакистан, Бразилия, Иран, Индия, Аргентина и Япония. Практически во всех этих странах используются центрифуги. В России, лидирующей на рынке поставок обогащённого урана с долей свыше 40 %, в 2012 году начался переход на центрифуги IX поколения, называемые надкритическими (это значит, что их частота вращения выше частоты механического резонанса, губительного для машины). Если сравнить их с первыми аппаратами, то внешне они очень похожи: такие же металлические цилиндры метровой высоты с кучей арматуры на верхней и нижней крышках. При этом новые центрифуги на порядок производительнее и экономичнее.
Недорогое удовольствие
Причина, по которой более 93 % обогащённого урана и других изотопов выпускается на центрифугах , кроется в экономичности. В атомной индустрии принято пользоваться необычной мерой измерения — единицей работы разделения ЕРР (англ. separative work unit — SWU). Она описывает затраты энергии, необходимой для обогащения килограмма урана. Объясним смысл ЕРР на примере. Природный уран содержит 0,7 % изотопа 235U. На выходе нужно получить обогащённый до 3,6 % (для атомных реакторов) или до 90 % (для снаряжения атомных боеприпасов) уран, который составит основной поток. Отходы — по-другому, отвалы — составят второй поток, в котором будет содержаться обеднённый до 0,2–0,3% уран. Средние затраты на килограмм готового продукта: для энергетического урана (3,6 %) с отвалом 0,2 % нужно около 6,8 кг природного урана и примерно 6 ЕРР; для оружейного урана (90 %) с таким же отвалом — 176 кг природного урана и 228 ЕРР. Очевидно, что энергообеспечение ЕРР сильно зависит от типа процесса. Для газодиффузионных требуется 2500 кВт/ч электроэнергии на единицу разделения, а вот газовые центрифуги тратят всего 50 кВт/ч. Это и есть главная причина ухода диффузионных установок из атомной индустрии.
Куда же без лазера?
Теоретически обойти газовые центрифуги в плане экономичности могут технологии лазерного обогащения, основанные на избирательной ионизации изотопов. Урановый пар облучается лазером с заданной длиной волны. Затем получившиеся ионы нужного изотопа либо удаляются из смеси электрическим или магнитным полем, либо подвергаются химическому воздействию. В отличие от технологии центрифугирования, лазеры способны обеспечить десятикратное обогащение всего за один проход, потратив электроэнергии в 20 раз меньше, чем в диффузионном процессе.
Кроме того, радикально сокращается число каскадов (последовательно включаемых групп машин) и падает стоимость оборудования обогатительного завода. Да и с точки зрения безопасности лазерное обогащение лучше — в нём используется металлический уран, а не его высокотоксичный газовый гексафторид. Казалось бы, технология, разработка которой началась ещё в 70-х годах прошлого века, сегодня должна быть доминирующей. Однако это не так: на её пути возникли неожиданные препятствия отнюдь не технического характера. Если центрифугирование или диффузионный метод требуют специального дорогостоящего оборудования, очень жёстко контролируемого международным сообществом, то лазерное обогащение, которое принципиально не нуждается в подобной технике, позволит создавать ядерное оружие тем, кому это нельзя в принципе. И отследить создание подпольных урановых центров будет практически невозможно. Скотт Кэмп, руководитель Лаборатории ядерной безопасности Массачусетского технологического института, считает: «Многие страны имеют специалистов по лазерной технике, могущих вести работы по такой методике. И наоборот, если дело касается центрифуг, являющихся технологией слегка эзотерического характера для большинства стран мира, таких экспертов днём с огнём не найти».
Причина причин
Если посмотреть на нашу планету с орбиты МКС, то на ночной стороне Земли откроется потрясающая картина городов, опутанных паутиной световых нитей. Пожалуй, более яркой иллюстрации энергетических систем и не найти. И в этой головоломке атомным станциям обеспечено постоянное место на долгие годы. Почему? Причин много, но главными можно назвать всего три.
• Первая: возможности традиционных тепловых станций близки к исчерпанию. Новые станции строить негде, особенно в густонаселённых районах, модернизировать старые дорого и часто бесполезно, а выбросы парниковых газов надо сокращать.
• Вторая причина: альтернативная энергетика, модная, продвинутая и якобы безвредная, не может обеспечить постоянство потока генерируемой энергии. Ветер дует не всегда, а Солнце может спрятаться за облаками. Для обеспечения нормальной деятельности энергосистемы доля такой переменчивой энергии не может превышать 25 %, иначе контролировать мощности и управлять ими попросту невозможно.
• И, наконец, только АЭС могут стать надёжным базовым компонентом, который сможет обеспечить быстрорастущие потребности в энергии. А это значит, что центрифугам ещё рано уходить на покой.