Сферическое ядерное топливо в вакууме

‘Ветроэнергетика, солнечная энергетика, ядерная энергетика’ — думал я. ‘Ветер дует, солнышко светит… Стоп, а ядро что?’ Интересно было бы узнать…

Ab Uranus

Сейчас основа ядерного топлива – это уран. Наиболее распространенными видами урана в природе являются изотоп с массой 238 и изотоп 235. В природном уране они содержатся в соотношении примерно 99.3% и 0.72%. Уран – это металл, так что его придется копать. Но сперва нам надо кое-что узнать. “Уран по своей природе не радиоактивен.” Однако, это исключительное мнение Росатома. Все остальные, конечно же, знают, что уран радиоактивен. Впрочем, не сильно. Альфа-излучение (ядра гелия-4), хоть и наиболее характерно для урана, – задерживается кожей и, в случае внешнего воздействия, не опасно. Бета-излучение (электроны/позитроны) тоже есть, но хорошо задерживается простой тканью. Гамма-излучение (фотоны), хоть и проникающее, но в нашем случае, благодаря малой интенсивности, дает вклад наравне с бета-излучением. В итоге, несмотря на то, что урановая руда – это далеко не только уран, скажем сразу, — светить она будет не сильно.

Взглянем на продукты распада урана. В них присутствует радон, и это уже плохие новости. Как нам кругом говорят:

Распад ядер радона и его дочерних изотопов в лёгочной ткани вызывает микроожог.

Изотопы полония, образующиеся в результате распада радона являются значительным источником _внутреннего_ альфа-облучения.

Относительная вредность дочерних продуктов радона больше, чем вредность самого радона. Попадая в организм человека, он способствует процессам, приводящим к раку (костей, крови, легких, тысячи их…), малокровию, лейкозу.

Запомним, радон – важный фактор при работе с урановой рудой.

И, наконец, сам по себе уран высокотоксичен. Попадание его в организм любыми путями сверх допустимой нормы крайне нежелательно.

При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Часто указывают, что при работе с ураном сам он доставляет не хуже радона, но какие эффекты вызваны наличием первого, а какие – второго, иногда разобрать сложно, поэтому точно никто не говорит. Не будем испытывать судьбу и предположим худший вариант. Хотя, Курчатов просто вытирал руки о платок. True story.

Запасы урана

Диоксид урана. Уже торт?

Прежде чем копать, надо узнать где. Значительным лидером по запасам урана является Австралия – 1780 кт (30% мирового объема). Взглянем на первую пятерку (и процент от мировой добычи в 2017 г.):

1. Австралия – 30% (10%)
2. Казахстан – 14% (39%)
3. Канада – 8% (22%)
4. Россия – 8% (5%)
5. Намибия – 7% (7%)

Если все правильно, то урана на земле нам хватит примерно на сто лет. Не так уж и много, но есть еще, как минимум, торий.

Методы добычи

«Сколько кюри нужно, чтобы зажечь лампочку?» — старый французский анекдот

Первый вариант. Если уран лежит неглубоко (до 500 м), можно использовать карьерный метод. Экскаваторы и грузовички. Дешево и сердито, минимум радиации. Открытый воздух немного помогает от радона и урановой пыли. Таким образом, подобная карьера будет давать нам не более пары милизивертов в год. Это считается абсолютно безопасным. Проблема же возникает при появлении отходов добычи. Но об этом потом.

Второй вариант. Он рассчитан на случаи, когда руда залегает чуть глубже и приходится копать шахту. Как правило, больше двух километров не копают, иначе уже неэффективно по цене. При добыче на глубине в активную игру вступает радон. Его нужно постоянно отслеживать, ловить, выкачивать и подавать хомячкам в шахты свежий воздух. Про пыль тоже не забываем. Ужесточение техники безопасности и усложненный механизм добычи увеличивают затратность данного метода по сравнению с первым. Проблема отходов сохраняется.

Третий метод. Метод подземного выщелачивания (МПВ). Значительно отличается от первых двух. Сперва к урановой залеже бурится скважина (не глубже 600 м). Затем в нее начинает подаваться раствор серной кислоты, который связывает частицы урана (выщелачивание). Полученный раствор выкачивается на поверхность и уже из него извлекается, после чего обрабатывается, уран. Достоинства данного метода заключаются в значительном упрощении организации процесса. Соответственно, снижается и цена. Хомячки с лопатами уже не нужны. А значит метод можно применять и в тяжелых климатических условиях. Радон и пыль нас перестают беспокоить. Выкачиваемый раствор также содержит по минимуму лишних компонентов, что значительно упрощает вопрос радиоактивного загрязнения. В целом данный метод считается перспективным, но используется пока где-то на 15% месторождений.

Влияние на окружающую среду

Печальный пример. Река Рио-Тинто

Грусть первая, касающаяся любого майнерства – это AMD aka сточные воды. Суть в том, что в отходах добычи встречается много сульфидов, которые при наличии воды и кислорода дают нам серную кислоту. В случае заброшенных подземных шахт, изменение водных потоков делает этот процесс неизбежным. Более того, среди сульфидов встречаются и токсичные металлы (медь, алюминий, мышьяк, ртуть). При попадании всей этой радости в речку, пить и жить в ней уже не рекомендуется. Усугубляется все это тем, что в особо запущенных случаях ситуация не исправится уже ‘никогда’.

Грусть вторая. После выделения из руды урана у нас остается куча ненужного мусора (в твердой и жидкой форме). Он включает в себя как не добываемые нами радиоактивные элементы (торий, радий), так и недособранный уран. Уровень радиоактивности таких отходов может достигать 85% от уровня первоначально добываемой руды. Если все это просто свалить в кучу, то, как мы уже знаем, гамма-излучение и постоянно выделяющийся радон (который, вообще говоря, образуется из радия) могут нанести серьезный вред окружающей среде.

Грусть третья, касается метода подземного выщелачивания. Пользуясь этим методом мы почти не получаем мусора, и не загрязняем воздух. Но процесс неизбежно вызывает загрязнение подземных вод. Возможные утечки рабочего раствора (i.e. серной кислоты) могут приводить к значительным изменениям геологической структуры, предсказать которые не всегда просто. Серьезной задачей здесь становится защита источников водоснабжения.

Опять в бутылку

Одно из хвостохранилищ в Канаде

Как мы понимаем, отходы нужно сложить в одно место. Оно именуется хвостохранилище (от англ. 'tailings' — отходы). Оно может представлять собой просто гору мусора, запруду или озеро. Наша первичная задача — изоляция от окружающей природной гидросистемы. Т.е. нам важно, чтобы хранилище не протекало, и не переполнялось. Для первого нам требуются надежные ограждения по краям. Второе требует установки систем декантации, плюс желательно принятие во внимание объемов осадков/испарений при проектировании. После прекращения сбора отходов необходима установка купола – защита от радона. Как дополнительные меры, — осушение хранилища, защита от эрозии почвы. Далее – постоянное наблюдение. Cрок службы – от минимума в 200 лет до желательного в 1000 лет. При помощи какой матери можно столько простоять, наука не решается ответить.

Прогнозы на периоды от 175 до 975 лет осложняются высокой степенью неопределенности в силу отсутствия достаточного объема практических данных.

Соответственно, затраты на содержание в будущем тоже оценить сложно. Есть данные о первичных затратах, при снятии шахт с эксплуатации. Суммы варьируются от нескольких десятков миллионов до пары миллиардов долларов. Также там есть интересные данные от UMTRA о том, сколько смертей они предотвратили своей деятельностью и почем это вышло. За сто лет получилось ~1.3к жизней, один миллион долларов в сумме. В целом, ясно, что задача требует внимания, времени и денег. Любые значительные повреждения хвостохранилища могут привести к печальным последствиям.

Полезные материалы

Uranium Mining and Milling Wastes: An Introduction
Uranium Mining in Virginia (2012)

Страшилки