30

Я́дерное то́пливо — вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления. Ядерное топливо принципиально отличается от других видов топлива, используемых человечеством, оно чрезвычайно высокоэффективно, но и весьма опасно для человека и может стать причиной очень серьёзных аварий, что накладывает множество ограничений на его использование из соображений безопасности. По этой и многим другим причинам ядерное топливо гораздо сложнее в применении, чем любой вид органического топлива, и требует множества специальных технических и организационных мер при его использовании, а также высокую квалификацию имеющего с ним дело персонала.

Разведанные запасы урана в мире

Количество урана в земной коре примерно в 1000 раз превосходит количество золота, в 30 раз — серебра, при этом, данный показатель приблизительно равен аналогичному показателю у свинца и цинка. Немалая часть урана рассеяна в почвах, горных породах и морской воде. Только относительно небольшая часть концентрируется в месторождениях, где содержание данного элемента в сотни раз превышает его среднее содержание в земной коре[21]. Разведанные мировые запасы урана в месторождениях составляют 5,4 млн тонн[22].

Классификация

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235U, а также сырьё 238U, способное при захвате нейтрона образовыватьплутоний 239Pu;

• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы233U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

• Металлическим, включая сплавы;

• Оксидным (например, UO2);

• Карбидным (например, PuC1-x)

• Нитридным

• Смешанным (PuO2 + UO2)

А́томная электроста́нция (АЭС) — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом) (ОПБ-88/97).

Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии являются: США (836,63 млрд кВт·ч/год), Франция (439,73 млрд кВт·ч/год), Япония (263,83 млрд кВт·ч/год), Россия(160,04 млрд кВт·ч/год), Корея (142,94 млрд кВт·ч/год) иГермания (140,53 млрд кВт·ч/год). В мире действует 441 энергетический ядерный реактор общей мощностью 374,692ГВт[1], российская компания «ТВЭЛ» поставляет топливо для 76 из них (17 % мирового рынка)[2].

На АЭС и другие ядерные установки топливо приходит в виде довольно сложных технических устройств — тепловыделяющих сборок (ТВС),

Тепловыделяющая сборка (ТВС) — машиностроительное изделие, содержащее ядерные материалы и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счёт осуществления контролируемой ядерной реакции.

Обычно представляет собой четырёхгранный (PWR) или шестигранный (ВВЭР) пучок ТВЭЛов длиной 2,5—3,5 м (что примерно соответствует высоте активной зоны) и диаметром 30—40 см, изготовленный из нержавеющей стали илисплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов).

Твэлы собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 150—350 твэлов, в активную зону реактора обычно помещается 200—450 ТВС.

31

На втором месте по значению в энергоресурсах техносферы стоит ядерное топливо, главным источником которого является ископаемый уран. Большая часть урана в литосфере сильно рассеяна. По данным Мировой энергетической конференции, общие рудные запасы урана составляют 20,4 млн т, в том числе разведанные - 3,3 млн т. Содержание урана в породах большинства месторождений, имеющих перспективное коммерческое значение, колеблется от 0,001 до 0,03%. Поэтому производится значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3% состоит из изотопа U-238 и содержит только 0,7% изотопа U-235, масса которого обладает способностью к самопроизвольной цепной реакции. Для промышленных целей производят изотопное обогащение урана с доведением содержания U-235 до 3%. Такой уран (в основном в виде 1)0э) используется в большинстве современных реакторов. При расходовании 1 кг урана в активной зоне реактора выделяется в зависимости от физических условий до 65 ТДж теплоты. Это соответствует сжиганию 2300 т угля. Если в качестве перспективного ресурса принять разведанные запасы, то общее количество энергии, которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах, составит около 1000 ЭДж. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, использующих реакцию деления U-238 и нарабатывающих плутоний, этот потенциал может возрасти до 140000 ЭДж и в 2,5 раза превысит сумму разведанных запасов органических топлив. К сожалению, часть этого ресурса уже переведена в оружейный плутоний и вместе с массами отработанных радионуклидов превратилась в потенциал колоссального экологического риска. Общее потребление урана всеми странами за 50 лет приблизилось к 1,5 млн т. Для этого понадобилось переработать не менее 10 млрд т горной массы. В настоящее время в мире работает более 400 реакторов АЭС с суммарной тепловой мощностью около 1200 ГВт. Они потребляют за год около 60 тыс. т урана и вносят 10-процентный вклад в общее техногенное выделение теплоты. Возобновимые энергоресурсы. Хотя использование невозобновимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьезные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы. Не потому, что они меньше (они намного больше), а потому, что их колоссальная энергия непостоянна, распределена на больших пространствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю. Сознавая мощь стихий, человек предпочитает бензобак, ружье, электропровод или лазерный луч, где энергия сжата, канализована и находится в его полной власти. Еще в 1978 г. ООН было введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», включавшее гидроэнергию, солнечную, геотермальную, ветровую, энергию морских волн, приливов и океана, энергию биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников. Геофизические ресурсы энергии очень велики. Только близкие к поверхности суши и океана перемещения воздушных и водных масс имеют мощность порядка 25 ПВт, что в 2000 раз больше топливной мощности техносферы. Принципиальное отличие этих ресурсов от топливных заключается в том, что их использование само по себе не сопровождается загрязнением среды и не может повлиять на суммарный тепловой баланс планеты. Однако это совсем не означает их экологической нейтральности: эти ресурсы не могут быть ощутимо затронуты без того, чтобы не наступили трудно предсказуемые изменения климата и географической среды. Гидроэнергия стоит на первом месте среди возобновимых ресурсов техносферы. Теоретический потенциал материкового стока близок к 6 ТВт (190 ЭДж/год). Реальный гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2,9 ТВт. Фактически в настоящее время для выработки электроэнергии используется менее 1/4 этого потенциала. В мире работают десятки тысяч ГЭС с общей электрической мощностью 660 ГВт. Для их работы на реках созданы водохранилища, часто целые каскады водохранилищ. Поскольку возраст большинства гидроэнергетических узлов насчитывает несколько десятилетий, а срок их амортизации колеблется от 50 до 200 лет, можно предвидеть немало проблем, связанных с реконструкцией гидроузлов. На рост использования гидропотенциала уже сейчас накладывается ряд экономических и экологических ограничений. Суммарная оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях атмосферы имеет порядок 5 ТВт. Технически возможный объем ветроэнергетики мал по сравнению с этой величиной (максимальная оценка для 2020 г. равна 288 ГВт) и вряд ли составит более 2% всей энергетики техносферы, хотя в отдельных странах эта доля может быть намного больше. Так, в Дании ветросиловые установки обеспечивают уже более 3,7% выработки электроэнергии. Общая установленная электрическая мощность ветроэнергетических установок промышленного типа в мире сейчас достигла 11 ГВт и, вероятно, будет увеличиваться. Геотермальная энергия Земли, обусловленная гравитационной динамикой и радиоактивным распадом в недрах, в целом оценивается мощностью около 32 ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным (т.е. составлял 0,063 Вт/м2), то она была бы непригодна для использования. Однако значительные ее выходы локализованы в районах вулканической активности, где концентрация подземного тепла во много раз больше. По результатам обследования таких районов, геотермальные ресурсы мира, в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. При этом имеются в виду только геотермальные выходы, а не нагретые скальные породы. Освоены эти ресурсы пока еще мало. Общая установленная мощность ГеоТЭС в мире не превышает 1,5 ГВт. Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чиста, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые может использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеет очень большую перспективу. Однако гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт. Данные по гидроэнергетике включают мощности других возобновимых (альтернативных) источников энергии.

32

Общая структура использования энергоресурсов современной техносферы представлена на рис. 5.6. Относительный вклад различных энергоносителей в общее использование энергии характеризуется такими средними величинами: уголь - 27%, нефть - 34%, газ - 17%, гидроэнергия - 6%, ядерная энергия - 8,5%, прочие источники - 7,5%. Электроэнергетика занимает в настоящее время более 25% энергобаланса техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем более 55% теряется в процессе преобразования, а выработанные 1580 ГВт распределяются между электроэнергией и полезным теплом в\' соотношении 2:1. Доля электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7%. Остальная суммарная мощность сжигания топлив в различных процессах превышает 9,2 ТВт. Почти половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами, на втором месте уголь (24%), затем следует газ (18%) и некоммерческое растительное топливо (10%). В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место занимает производство (46%), второе - коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье - транспорт (17%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%. Энергетическая мощность современной техносферы по величине приблизительно равна 6% продукционной мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники. Усредненная глобальная картина складывается из очень различных энергетик разных стран и регионов. Диапазон различий плотности энергетических потоков (относительно площади или населения разных территорий, стран) очень велик: почти от 0 до 2 МВт/км2 (Бельгия) и от 0,5 до 18 МВт на человека (США). Обеспеченность энергией тесно коррелирует с уровнем жизни населения разных стран. Резко различается и качественная структура энергетик: от преобладания растительного сырья в топливном балансе до 65-процентной доли в балансе электроэнергии, получаемой в основном на ГЭС (Норвегия). В XX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и практику энергосбережения, люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приготовление пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 человеке- или тонно-километр) - в 15-20 раз. Известно, к каким глубоким изменениям в мировой экономике привели энергетический кризис 70-х годов и повышение цен на нефть. Резко изменилось отношение темпов прироста потребления энергии и валовых национальных продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 г. энергоемкость ВНП США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Великобритании - на 72%, Японии - на 78%. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно продолжало расти. В этой исторической ситуации наша экономика оказалась менее эластичной: энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась только на 15%. В результате в середине 80-х годов на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем Япония. Правда, значительная часть этой разницы неизбежна и обусловлена климатическими условиями России - самой холодной из обитаемых стран. (Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии, Канады меньше, чем России). Энергетика России по количественным параметрам достигла максимума в 1986 г. За последующие 10 лет большинство количественных показателей существенно снизились. В 1996 г. выработано 847 млрд кВт \"ч электроэнергии и отпущено потребителям 1321 млрд Гкал тепловой энергии. В общем производстве первичных энергоресурсов доля газа составила 50%, нефти - 31%, угля - 13%, электроэнергии, выработанной на атомных и гидроэлектростанциях, - 6%. Хотя объем добычи ископаемого топлива снижается, оно продолжает играть решающую роль в производстве электрической и тепловой энергии

33

Минеральные ресурсы. Только кислород, кремний и еще семь химических элементов составляют 99% массы континентальной земной коры. Средняя концентрация остальных элементов очень мала, но некоторые из них образуют скопления в виде рудных месторождений. К распространенным металлам, необходимым в первую очередь для металлургии, относятся только алюминий, железо, магний, титан и марганец. Остальные металлы считаются геохимически редкими. Важнейшим для экономики минеральным ресурсом является железная руда. Всего в мире ежегодно добывается около 1 млрд т железной руды. По добыче железной руды Россия занимает четвертое место после Китая, Бразилии и Австралии. Мировые разведанные запасы железной руды оцениваются примерно в 200 млрд т, которых хватит примерно на 200 лет. Рудное сырье добывается в основном двумя способами: открытым и подземным. Открытый способ экологически неприемлем: связан с образованием большого объема отходов пустой породы и нарушением огромных земельных площадей. Вообще функционирование металлургического комплекса сопряжено с образованием огромного объема отходов на всех стадиях - от сырья до готовой продукции. Предприятия металлургии выплавляют около 1 млрд т различных металлов в год, и этой массе соответствует почти 7-кратное количество необогащенных руд, для добычи которых приходится извлекать еще на порядок большую массу горных пород и грунтов. К этому добавляется большая энергоемкость добывающих и металлургических производств.

Рис. 5.7. Выплавка стали в отдельных странах мира (млн т, 1995) Во всем мире ежегодно выплавляется около 800 млн т стали (рис. 5.7). Россия производит около 7,5 % от мирового объема. Однако устаревшие технологии производства стали поставляют в окружающую среду огромное количество отходов. До сих пор в России 40% стали выплавляется в мартенах, тогда как в США - 3%, а в Великобритании, Франции, Италии, Японии, ФРГ этот способ вообще не применяется. Распространенность редких металлов в земной коре настолько мала, что для рентабельной добычи необходимо многократное превышение их концентрации в месторождениях над средним содержанием. Для ряда редких металлов существует реальная опасность исчерпания наиболее рентабельных месторождений. Техносфера играет роль мощного концентратора редких металлов в пространстве биосферы. Многие из этих элементов и их соединений являются сильными ядами. Неметаллические полезные ископаемые и нерудное минеральное сырье составляет еще большую массу веществ и материалов, используемых в техносфере. Примерно 1/3 их составляет сырье для химической промышленности и производства минеральных удобрений, а 2/3 - строительные материалы. Потребление минеральных удобрений, самых главных из них - фосфорных, калийных и азотных, применяемых обычно в соотношении 1:1,5:3, - неуклонно растет. За 30 лет с 1960 по 1990 гг. их мировое производство увеличилось в 5 раз - с 45 до 230 млн т в год. Источником фосфатов являются месторождения апатитов, фосфоритов и других фосфатных минералов, большая часть которых представляет собой преобразованные морские отложения. Меньшее количество концентрируется в апатитах изверженных горных пород, как у нас на Кольском полуострове. Распространенность фосфора в литосфере довольно велика: около 0,08%. Сумма разведанных мировых запасов фосфора близка к 45 млрд т. Из обогащенного апатита производится главное фосфорное удобрение - суперфосфат. Калий является широко распространенным элементом (1,7% в земной коре) и концентрируется в месторождениях калийных солей морского происхождения, в основном в виде хлорида кальция или в смеси с хлоридами натрия и магния. Эксплуатационные запасы калия превышают 60 млрд т. Ресурс азота практически неисчерпаем, поскольку для производства аммиака, а затем и других соединений используется азот воздуха. Важным сырьем для ряда процессов крупнотоннажной химии, в частности для производства минеральных удобрений и пестицидов, является сера. Распространенность серы в земной коре равна 0,09%. Приблизительно 30% потребности в сере покрывается за счет месторождений самородной (элементарной) серы вулканического происхождения или скоплений, возникших в результате деятельности серобактерий. Эти запасы невелики по сравнению с темпом их исчерпания. Из других источников наиболее важны: природный газ с высоким содержанием H;S; сульфидные руды и колчеданы, из которых серу получают в качестве побочного продукта; огромны запасы сульфатов морского происхождения.

Строительные материалы - это самая большая по массе и объему группа веществ, извлекаемых для нужд техносферы. Часть из них используется в том виде, в каком добывается, подвергаясь лишь механической обработке. Это бутовый и дробленый строительный камень, песок, гравий. Вторую группу составляют материалы, подвергаемые химической и термической обработке, - глины для производства кирпича и керамики, известняки, доломиты, гипс и другие нерудные материалы для производства цемента, штукатурки, бетонов, стекла, а также слюда и асбест. Месторождения этих материалов широко распространены, запасы велики, ежегодная мировая добыча близка к 4 млрд т. Россия обеспечивает себя практически всеми видами минеральных ресурсов. По минеральным ресурсам это самая богатая страна мира. Для большинства важнейших ископаемых существует высокий относительный уровень обеспеченности текущей добычи и высокая потенциальная ценность (табл. 5.7). Экологические аспекты использования минеральных ресурсов связаны с проблемами загрязнения окружающей среды и с его влиянием на экономику природопользования.

34