Уран: опасная игрушка или источник бесконечной энергии?

Только после того, как в 1938 году физики открыли деление ядра и поняли, какую энергию это дает, уран ушел в энергетику. Но тут выяснилось, что нужной его разновидности крайне мало, а отходов от выработки топлива – слишком много. Где взять урановое топливо? Может ли ядерное топливо воспроизводить само себя из отходов, как уверяют атомщики?

До XX века люди ничего опасного в уране не видели. Наоборот, считали его исключительно полезным минералом: ведь он так волшебно светится в темноте! Поэтому оксид урана использовали при производстве самых разных предметов. Древнеримские богачи в I веке нашей эры украшали свои виллы витражами из стекла с урановой примесью, стеклодувы добавляли его же в стеклянную посуду. А к середине XX века уран можно было найти в ювелирных изделиях, карандашах, керамике. Урановым светом горели циферблаты часов и даже зубные протезы! Да-да, флуоресценция помогала дантистам добиться имитации натурального блеска для фарфоровых зубов.

Об опасности, которую таят в себе эти зубы, бокалы и часы, мало кто подозревал. После открытия в 1896 году Анри Беккерелем радиоактивности урана он и супруги Пьер и Мария Кюри получили множество подтверждений того, что это вовсе не безобидная игрушка. Однако свойства радиации были изучены еще очень слабо, да и знали о них в основном лишь узкие специалисты.

Впрочем, ученые утверждают, что получить опасную дозу радиации от бытовых предметов, содержащих уран, невозможно, даже если проглотить кусок уранового стекла. По оценке Научного комитета ООН, только около 20 % всего объема получаемого людьми радиоактивного облучения производят искусственные источники: медицинская аппаратура, атомные электростанции, вредные производства. Причем примерно 98 % этого воздействия приходится на медицину: рентгенография, МРТ, УЗИ, облучение раковых клеток.

Некоторые получают больше радиации – например, из-за солнечной активности: чем выше над уровнем моря и, соответственно, ближе к солнцу вы находитесь, тем больше облучаетесь. Скажем, слетав из Нью-Йорка до Парижа и обратно, вы получите дозу примерно как от одного посещения рентген-кабинета.

Облучись бананом

Нас облучают самые неожиданные предметы. Радиоактивность (чаще всего так называют ионизирующее излучение) – это способность вещества излучать поток частиц, которые, попадая на окружающие тела, разрушают молекулы в их составе.

Например, когда мы съедаем один банан, то получаем дозу облучения в 1 микрозиверт. Виноват в этом содержащийся в банане изотоп калия – калий-40. Но поскольку его во фрукте мало, то он неопасен: чтобы получить смертельную разовую дозу в 6 зивертов, нужно съесть 6 миллионов бананов – раньше лопнешь. Доза от обычного рентгена – 0,1 миллизиверта, 100 бананов. Кстати, мы и сами радиоактивны, так как накапливаем в своих телах нестабильные вещества, те же калий-40, уран и другие. Так что при рукопожатии мы друг друга облучаем. Но только самую малость, меньше, чем банан. А вот если проглотить даже относительно небольшое количество полония-210 (рекордсмен по опасности), сразу получишь смертельную дозу.

Уран тоже радиоактивен. Но не любой: уран-235 (тот, в ядре которого 92 протона и 143 нейтрона, а вокруг ядра движутся 92 электрона) гораздо более нестабилен, чем его собратья уран-234 (с ядром из 92 протонов и 142 нейтронов) и уран-238 (92 протона и 146 нейтронов). Поэтому наибольшей энергоемкостью из этих трех природных изотопов урана (остальные 23 изотопа в недрах не встречаются, их производят искусственно) обладает уран-235. Он охотнее других изотопов этого металла расстается с нейтронами. Впрочем, даже уран-235 имеет активность в два миллиарда раз ниже, чем полоний-210. Поэтому до загрузки в атомный реактор таблетки с ним спокойно берут руками.

Чтобы проиллюстрировать его безопасность, приведем один пример. В декабре 2022 года в Британии обнаружили несколько килограммов урана в аэропорту Хитроу. Шума было много – но никакого радиационного загрязнения там не произошло.

В цифрах это выглядит так: радиоактивность различных элементов измеряют в килобеккерелях на грамм. Для урана-235 эта цифра равна 80, для урана-238 – всего 12,5, а для радия-226 – 37 миллионов. У полония-210 этот показатель рекордный: 166 миллиардов килобеккерелей на грамм. Таким образом, вся радиоактивность всего урана в типичном ядерном реакторе (до 125 тонн урана-235 и урана-238) равна всего лишь ~60 граммам радия-226. Или буквально долям грамма полония.

Не так опасен уран, как его малютки

Урана вокруг нас – огромное количество: только в морской воде растворено больше 4 миллиардов тонн солей этого металла. Для сравнения: общий объем разведанных мировых запасов урана на суше – всего 8,1 миллиона тонн. Это тоже немало: золота, например, в земле в сотни раз меньше. Только уран, в отличие от золота, не встречается в форме слитков или песка, он содержится в руде в виде оксидов. Причем опасность представляют не столько сами эти оксиды (они находятся глубоко под землей), сколько радон – газ, который образуется в ходе серии распадов урана.

Этот газ, поднимаясь из недр, скапливается в рудниках, подвальных помещениях. Радон, как и уран, радиоактивен, то есть он тоже распадается, и возникающий в результате распада полоний попадает к нам в легкие и облучает их альфа-частицами. Это одна из причин рака легких, предполагают ученые. Продукты распада урана намного опаснее его самого не только в природе, но и в атомной индустрии.

Дело в том, что после «работы» в реакторе уран образует множество ядер-осколков деления. Например, при Чернобыле в атмосферу вылетело 37 мегакюри (в основной короткоживущий изотоп йода). Учитывая, что один кюри равен 37 миллионов килобеккерелей, очевидно, что продукты распада всего на одном реакторе по радиоактивности превысили весь уран, когда-либо загруженный в атомные реакторы по всему миру.

И это не просто забавный физический факт. Именно из-за малой опасности самого урана мы легко можем купаться в морской воде. А вот будь на его месте тот же йод-131 – и морской заплыв был бы мероприятием, серьезно угрожающим нашему здоровью.

80 тысяч слонов

Еще нюанс: обойтись вовсе без отходов не выйдет. Осколки реакции деления все равно остаются. Среди самих атомщиков нет единого мнения: захоранивать ОЯТ и отходы или пускать в переработку. Одни считают, что нужно их перерабатывать по максимуму, чтобы выжать из них всю пользу и снизить их вред для окружающей среды, и только неперерабатываемые остатки захоранивать. Говорят даже, что Россия уже принимает отходы и ОЯТ из других стран. Но официального подтверждения этому нет.

Ученые в тех странах мира, где работающих реакторов на быстрых нейтронах нет, рассуждают иначе: добиться эффективной переработки мы сейчас не можем – технологии пока недотягивают. Значит, просчитать все риски не удастся. Поэтому давайте не будем глубоко зарывать отходы, а лет через 50–100 придумаем, что с ними делать. Тем более что не так уж и много этих отходов: за всю более чем полувековую историю существования АЭС в мире накоплено лишь более 400 тыс. тонн ОЯТ. Это примерно как 80 тыс. слонов. Немаленькое стадо, конечно. Но, вообще-то, на Земле живет 640 тыс. слонов, и нельзя сказать, что мы натыкаемся на них на каждом шагу. Каждый год объем ОЯТ прирастает примерно на 7 тыс. тонн (где-то по 1400 слонов).

Кроме того, измерять ведь можно не только в слонах, но и в кубометрах. Уран – очень тяжелый металл. Поэтому один кубометр отработавшего ядерного топлива содержит более десятка тонн. Получается, общий объем отходов – всего лишь 40 тысяч кубометров. Если собрать его в одном месте, то получится параллелепипед со сторонами 100 на 100 и высотой 4 метра. В общем, место для хранения найти можно.

Собственно, именно потому что отработавшее топливо так компактно, его и хранят, в норме, на площадке все тех же АЭС. Скажем, площадь, занятая АЭС Калверт-Клифс в США, – шесть миллионов квадратных метров. То есть при желании на одной 600-й ее площади легко можно разместить все отработавшее ядерное топливо мира.

Конечно, несмотря на это, в перспективе топливо хотят складывать где-то еще. Благо атомную станцию через 50–80 лет работы закрывают – не хранить же там контейнеры с топливом вечно. Китайцы, кстати, в 2021 году уже начали строить крупное подземное хранилище, которое сможет принимать высокоактивные отходы со всех АЭС страны, а их больше, чем полсотни.

Урановое стекло. Фото: Brion Keagle, flickr.com

И все-таки, в большинстве стран мира практически весь уран из реакторов вместе с продуктами его деления стоит на открытых наземных площадках при АЭС и других объектах атомной индустрии. Во Франции его подвергают частичной переработке с целью «дожигания» в атомных реакторах на тепловых нейтронах. Впрочем, при таком подходе основную часть отработавшего топлива задействовать невозможно. В России планируется перерабатывать основную, но пока это направление только начало развиваться: реактор БН-800, способный быть размножителем, запустили считанные годы назад.

Наиболее вероятное будущее переработки отходов – это именно извлечение урана-238 из отработавшего топлива и его использование в реакторах на быстрых нейтронах. Но, судя по всему, случится это раньше всего в России и КНР. В западных странах на сегодня подобных программ и реакторов нет. Индия, в теории обладая реакторами на быстрых нейтронах, не имеет радиохимической промышленности, способной извлекать уран-238 из старого топлива, что также пока исключает ее из «гонки утилизации».

Есть ли будущее у АЭС?

Почти нигде в мире, кроме РФ, Индии и Китая, быстрые реакторы не работают. Это дорого, да и экологи в один голос твердят: мало вам Чернобыля и Фукусимы? И вообще интерес к АЭС не растет: доля АЭС в мировой выработке электроэнергии стабильно колеблется в районе 10 % (в России и США – 20 %).

Экологи признают: при соблюдении всех технологий ядерная энергия – неплохой вариант. Но где вы видели идеальный мир? Строить АЭС вне Китая и России очень дорого и долго. Обеспечение должного уровня безопасности станций и захоронения отходов и отработанного топлива тоже требует серьезных затрат. Даже в самых демократических странах их стараются снизить и нередко за счет экологических мероприятий. Человеческий фактор и просчеты инженеров тоже никто не отменял. Прибавьте сюда политические игры, военные конфликты – и вы поймете, что гарантировать «мирность» атома невозможно, убеждены экологи.

Но, с другой стороны, похожие претензии можно предъявить и другим, вполне «зеленым» направлениям энергетики. Вспомним хотя бы аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, нанесшую серьезный экологический ущерб, в которой погибло 75 человек. Ну, или уже озвученную выше гибель миллионов человек в год от ТЭС.

Так что без развития ядерной энергетики обойтись вряд ли удастся. Дело за совершенствованием атомных технологий и строгим контролем их соблюдения.