Сели на хвост. зачем в россию ввозят токсичный уран и почему экологи против

Использовать «хвосты» ни у кого в мире не получилось

План «Росатома» по обесфториванию и переводу в оксидную форму Андрей Ожаровский считает правильным: в форме оксида ОГФУ не так опасен химически, не летуч и близок в природной форме, хотя и остается радиоактивным. Смущают эколога только темпы обесфторивания и сроки, за которые Россия рассчитывает полностью избавить от ОГФУ. По данным Ожаровского, сейчас в России работает лишь одна установка и обесфторивает она лишь по 10 тысяч тонн ОГФУ в год. Такими темпами уже имеющиеся запасы вещества в оксидную форму будут переводить 120 лет.

«Хорошо, что у «Росатома» эта программа есть, пусть закупают во Франции установки и занимаются обесфториванием. Только вот не та мы страна, чтобы давать обязательства на 50–60 лет вперед, — считает эксперт. — Есть ощущение, что программа может не быть выполнена: случится очередной кризис и про ОГФУ забудут. Нужен план Б, но пока это только оставить всё как есть и хранить уран 4,5 млрд лет — таков период его полураспада в природе».

Поможем не только Германии, но и Франции

Теперь к немецким отходам добавятся французские. Контракт французской компании EDF и «Росатома» по ввозу ОГФУ в Россию — это способ избавиться от вредного и бесполезного вещества за чужой счет, говорит глава энергетической программы российского отделения Greenpeace Владимир Чупров. История с французским ОГФУ хуже немецкой, потому что из Франции на «СХК» повезут регенерированный уран — более опасный и «грязный», предупреждает эколог.

«Регенерат — это тот же обедненный уран, но только в форме оксидов и прошедший через ядерный реактор. В нем, соответственно, есть нежелательные изотопы урана-232, 234 и 236, —объясняет Чупров. — Он более токсичный, «грязный», просто так его в руки не возьмешь, в отличие от природного урана, который в таблетках закачивается в реактор. Этот уран  — нагрузка. Его дорого использовать, а если не использовать, то нужно захоранивать как ядерные отходы, и для EDF это головная боль. «Росатом» же согласился очистить регенерат в России, дообогатить, и вернуть обратно. Во Францию уедет процентов десять продукта, а у нас останется оставшееся вещество и появившиеся в ходе очистки радиоактивные отходы».

Французы с радиоактивными захоронениями в своей стране мириться не готовы, рассказывает Надежда Кутепова, создатель и глава экологической организации «Планета надежд». В России эколог помогала пострадавшим от радиационных аварий отстаивать свои права в суде, после чего ей пришлось просить политического убежища во Франции. «С площадками для хранения во Франции больше проблемы, потому их просто нет. Это история, которая длится больше 10 лет и вызывает массовые протесты населения, — рассказывает Кутепова. — Был выбран один из регионов Франции, в котором госоператор по обращению с радиоактивными отходами должен построить хранилище, но население региона объявило настоящую войну. Вплоть до того, что в регионе проходили обыски у активистов, возбуждались дела и даже вводилось военное положение. Поэтому гораздо проще заплатить деньги, чтобы этот ОГФУ увезли в Россию».

Химические свойства

Бурно реагирует с водой и при нагревании с органическими растворителями; при обычных условиях растворяется в органических растворителях.

Взаимодействуя с водой, образует фторид уранила и фтороводород:

UF6+2H2O→UO2F2+4HF{\displaystyle {\mathsf {UF_{6}+2H_{2}O\rightarrow UO_{2}F_{2}+4HF}}}

Сильный окислитель. В жидком виде реагирует со многими органическими веществами со взрывом, поэтому в аппаратах, заполняемых гексафторидом урана, нельзя использовать обычные углеводородные смазки, герметизирующие замазки и уплотнители.

Не реагирует с полностью фторированными углеводородами, такими как тефлон или перфторалканы. Не взаимодействует при нормальных условиях с кислородом и азотом, а также с сухим воздухом, однако реагирует с парами воды, содержащимися во влажном воздухе. В отсутствие паров и следов воды не вызывает существенной коррозии алюминия, меди, никеля, монель-металла, алюминиевой бронзы.

Фторид урана(VI) может быть использован в качестве фторирующего реагента в производстве фторорганических соединений. При фторировании органических соединений гексафторид обычно восстанавливается до тетрафторида урана. Процесс фторирования гексафторидом урана идёт с выделением большого количества тепла.

Фторирование непредельных органических соединений сопровождается присоединением фтора по двойной связи. Так, из гексафторпропилена образуется октафторпропан:

CF3-CF=CF2+UF6→CF3-CF2-CF3+UF4{\displaystyle {\mathsf {CF_{3}{\text{-}}CF{\text{=}}CF_{2}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CF_{2}{\text{-}}CF_{3}+UF_{4}}}} + 424,7 кДж/моль.

Из фтористого винилиденфторида образуется 1,1,1,2-тетрафторэтан:

CF2=CH2+UF6→CF3-CH2F+UF4{\displaystyle {\mathsf {CF_{2}{\text{=}}CH_{2}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CH_{2}F+UF_{4}}}} + 344,6 кДж/моль.

Фторирование трихлорэтилена сопровождается образованием 1,2-дифтор-1,1,2-трихлорэтана:

CCl2=CHCl+UF6→CCl2F-CHClF+UF4.{\displaystyle {\mathsf {CCl_{2}{\text{=}}CHCl+UF_{6}\rightarrow CCl_{2}F{\text{-}}CHClF+UF_{4}}}.}

Фторирование предельных органических соединений фторидом урана(VI) сопровождается замещением одного или нескольких атомов водорода в исходном соединении на фтор:

CF3-CH3+UF6→CF3-CH2F+UF4+HF{\displaystyle {\mathsf {CF_{3}{\text{-}}CH_{3}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CH_{2}F+UF_{4}+HF}}} + 219,1 кДж/моль.

Плутоний

Плутоний считается низкоплавким металлом. Он плавится при температуре 640°С. Из-за плохих пластических свойств он практически не поддается механической обработке. Токсичность вещества усложняет технологию изготовления ТВЭЛов. В атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония и его соединений, однако они не увенчались успехом. Использовать топливо для атомных электростанций, содержащее плутоний, нецелесообразно из-за примерно 2-кратного уменьшения периода разгона, на что не рассчитаны стандартные системы управления реакторами.

Для изготовления ядерного топлива, как правило, используют диоксид плутония, сплавы плутония с минералами, а также смесь карбидов плутония с карбидами урана. Высокими механическими свойствами и теплопроводностью обладают дисперсионные топлива, в которые частицы соединений урана и плутония размещаются в металлической матрице из молибдена, алюминия, нержавеющей стали и прочих металлов. От материала матрицы зависит радиационная стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. К примеру, на первой АЭС дисперсионное топливо состояло из частиц уранового сплава с 9% молибдена, которые были залиты молибденом.

Что касается ториевого топлива, то оно на сегодня не используется в силу трудностей производства и переработки ТВЭЛов.

Урановая руда

Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.

Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.

Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» — специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Коротко из доклада Кокоина (6 сентрябра 1945 года):

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал — должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип — более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте — Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Урановое производство.

Основные этапы производства урана – это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U₃O₈, называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л.

Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек. См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ.

Объем производства.

К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе.

Мировая потребность в уране в середине 1990-х годов составляла ~75 млн. кг. Примерно по 30% этого количества приходилось на США и Европейский союз, а около 15% – на Восточную Азию. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

К концу 20 в. все большее влияние на урановую промышленность стали оказывать военные запасы урана. В конце 1992 Россия согласилась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США согласились приобрести этот материал по рыночным ценам. К 2000 ядерный материал конвертированного оружия составил не менее 20% предложения на мировом рынке урана. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ; ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ; УРАН.

Путь ОЯТ: от реактора до места хранения

Напомним, что на АЭС ядерное топливо поступает в виде тепловыделяющих сборок (ТВС), состоящих из герметичных стержней (тепловыделяющих элементов — ТВЭЛов), наполненных таблетками гексафторида урана.

Тепловыделяющая сборка для ВВЭР состоит из 312 ТВЭЛов, закрепленных на шестигранном каркасе (фото ПАО «НЗХК»)

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) атомных электростанций требует особого обращения. Находясь в реакторе, ТВЭЛы накапливают большое количество продуктов деления, и даже спустя годы после извлечения из активной зоны выделяют тепло: на воздухе стержни разогревается до нескольких сотен градусов. Поэтому по окончании топливной кампании облученные сборки помещают в пристанционные бассейны выдержки. Вода отводит избыточное тепло и защищает персонал АЭС от повышенного уровня радиации.

Спустя три-пять лет ТВС все еще выделяют тепло, но временное отсутствие охлаждения уже не опасно. Атомщики пользуются этим, чтобы вывезти ОЯТ с электростанции в специализированные хранилища. В России отработавшее топливо отправляют на ПО «Маяк» (Челябинская область) и Изотопно-химический завод Горно-химического комбината (Красноярский край). ГХК специализируется на хранении топлива реакторов  ВВЭР-1000 и РБМК-1000. На предприятии действуют «мокрое» (водоохлаждаемое)  хранилище, построенное в 1985 году, и сухое, поэтапно запущенное в 2011-2015 гг.

Отделение приемки «мокрого» хранилища. Здесь разгружают вагоны с ОЯТ

В пути ОЯТ успевает разогреться до 50-80 °С, поэтому прибывший на комбинат ТУК отправляют в узел расхолаживания, где к нему по трубопроводам подается вода со скоростью 1 см/мин — резко менять температуру топлива нельзя. Через 3-5 часов контейнер охлаждается до 30°С. Воду сливают, и переносят ТУК в бассейн глубиной 8 м — для перегрузки. Крышку контейнера открывают прямо под водой. И под водой же переносят каждый ТВС в 20-местный чехол для хранения. Конечно, никаких водолазов на ГХК нет, все операции выполняют с помощью особого крана. Этот же кран перемещает чехол со сборками в отсек хранения.

Перегрузка ОЯТ под водой

Освободившийся ТУК отправляют на дезактивацию, после которой его можно без дополнительных предосторожностей перевозить по железной дороге. В год ГХК выполняет более 20 рейсов на атомные станции, по несколько контейнеров в каждом эшелоне

Сухое хранилище

Сухое хранилище ОЯТ

В зале хранения размещаются бетонные модули, а в них — герметичные пеналы с ОЯТ, заполненные азотно-гелиевой смесью. Охлаждает сборки наружный воздух, который самотеком поступает по воздуховодам. При этом не требуется принудительной вентиляции: воздух движется из-за определенного расположение каналов, а отвод тепла происходит за счет конвективного теплообмена. Принцип тот же, что у тяги в камине.

Хранить ОЯТ сухим способом значительно безопаснее и дешевле. В отличие от «мокрого» хранилища здесь нет расходов на водоснабжение и водоподготовку, не нужно  организовывать циркуляцию воды. Объект не пострадает при потере электропитания, да и от персонала не требуется никаких действий, кроме собственно загрузки топлива. В этом смысле создание сухой технологии — огромный шаг вперед. Однако полностью отказаться от водоохлаждаемого хранилища нельзя. Из-за повышенного тепловыделения сборки ВВЭР-1000 должны находиться в воде первые 10-15 лет. Только после этого их можно перемещать в сухой зал или отправлять на переработку.
«Принцип организации сухого хранилища очень прост, — говорит Игорь Сеелев, — однако его никто не предложил раньше. Сейчас патент на технологию принадлежит группе российских ученых. И это подходящая тема для экспансии Росатома на международный рынок, потому что технологией сухого хранения интересуются во многих странах. К нам уже приезжали японцы, французы и американцы. Ведутся переговоры о том, чтобы на ГХК привозили ОЯТ с тех АЭС, которые российские атомщики строят за рубежом».

Сухое хранение — дешевле и безопаснее «мокрого»

Запуск сухого хранилища был особенно важным для станций с реакторами РБМК. До его создания был риск остановки мощностей Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС из-за переполнения пристанционных хранилищ. Нынешней емкости сухого хранилища ГХК достаточно, чтобы разместить отработанные сборки РБМК всех российских станций. Благодаря меньшему тепловыделению, их сразу направляют в сухом хранилище, минуя «мокрое». Здесь ОЯТ могут находиться на протяжении 100 лет. Возможно, за это время будут созданы экономически привлекательные технологии для его переработки.

Регенерация

Во время работы ядерного реактора топливо не может полностью выгорать, поэтому воспроизводятся свободные изотопы. В этой связи отработанные ТВЭЛЫ подлежат регенерации с целью повторного использования.

На сегодня эту задачу решают путем пьюрекс-процесса, состоящего из таких этапов, как:

1. Разрезание ТВЭЛов на две части и растворение их в азотной кислоте;
2. Очистка раствора от продуктов деления и частей оболочки;
3. Выделение чистых соединений урана и плутония.

После этого полученный диоксид плутония идет на производство новых сердечников, а уран – на обогащение или также изготовление сердечников. Переработка ядерного топлива является сложным и дорогостоящим процессом. Ее стоимость оказывает существенное влияние на экономическую целесообразность использования атомных электростанций. То же самое можно сказать и про захоронение отходов ядерного топлива, не пригодных к регенерации.

Применение

Контейнер с UF₆

Площадка хранения гексафторида урана в США

Применяется при разделении изотопов 235U и 238U методами газовой диффузии или центрифугирования для обеспечения делящимся веществом различных ядерных технологий. При этом образуется значительное количество неиспользуемых остатков (обеднённых по урану-235), обычно хранимых в виде гексафторида урана в контейнерах. Ныне на площадках при обогатительных заводах накоплены огромные количества гексафторида. Общее количество накопившегося гексафторида урана в мире на 2010 г. составляет около 2 млн тонн.

Обеднённый гексафторид урана используют для фторирования органических соединений. Получаемые с использованием гексафторида урана в качестве фторирующего агента октафторпропан (C₃F₈, хладон-218, R-218, FC-218) и 1,1,1,2-тетрафторэтан (CF₃-CFH₂, хладон-134a, R-134, HFC-134a) являются альтернативной заменой озоноразрушающим хладоагентам. Озоноразрушающий потенциал ODP равен нулю. 1,2-дифтортрихлорэтан (CFCl₂CFClH, хладон-122а, R-122a, HCFC-122a) является альтернативной заменой озоноразрушающих фторхлоруглеродных растворителей. Его можно применить в качестве растворителя, экстрагента, вспенивающего агента при производстве полимерных изделий, анестетика для животных.

Запасы и утилизация

На конец 2010-х годов в результате изотопного обогащения урана в мире накоплено около 1,5-2 млн тонн обедненного урана, ежегодно добавляется ещё 40-60 тыс. тонн обедненного урана. Подавляющая часть этого объёма хранится в виде обедненного гексафторида урана (ОГФУ) в специальных стальных емкостях. По мере совершенствования технологий изотопного обогащения старые запасы ОГФУ иногда дообогащают. Однако длительное хранение столь большого количества химически опасных веществ нежелательно, поэтому существуют технологии конверсии гексафторида урана в менее опасные формы, например оксиды урана или тетрафторид урана UF₄.

Известны проекты химической переработки гексафторида во Франции, США, России, Великобритании. Производительность действующих на 2018 год предприятий конверсии ОГФУ — свыше 60 тыс. тонн в год в пересчете на уран. Во Франции конверсия ведется с 1980-х годов, на 2018 год мощность — 20 тыс. тонн в год. В 2000-х годах две установки мощностью 18 тыс. и 13,5 тыс. тонн в год введены в строй в США. В Великобритании строят установку мощностью 7 тыс. тонн. В России первая промышленная установка по французской технологии введена в строй в 2009 году на электрохимическом заводе в Красноярском крае. В 2010 году там же введена в строй установка восстановления ОГФУ в низкотемпературной плазме по российской технологии. Мощность этих двух установок — около 10 тыс. тонн в год. Все эти установки получают закись-окись урана и фтороводород. Также на ангарском химкомбинате разрабатывают опытно-демонстрационную установку «Кедр» мощностью 2 тыс. тонн в год с получением тетрафторида урана по технологии восстановления ОГФУ в водородном пламени.