Примерное время чтения: 9 мин.
Значение урана для человечества трудно переоценить. Открытие этого элемента предоставило людям массу новых возможностей, недоступных ранее, и работу современной промышленности, медицины, сельского хозяйства невозможно представить без его использования. А долгосрочные перспективы развития мировой атомной энергетики связаны с наличием экономически эффективных запасов урана напрямую.
Уран — химический элемент с атомным номером 92, серебристо-белый глянцевитый очень тяжелый металл, немного мягче стали, ковкий и гибкий, он обозначается в периодической системе Д.И. Менделеева символом U. В чистом виде в природе практически не встречается, обнаружить его можно в земной коре и в морской воде.
В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядро урана нейтронами и сделали открытие: захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана делится и выделяет огромную энергию за счёт кинетической энергии осколков и излучения. В 1939–1940 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович впервые теоретически объяснили, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.
Месторождения урана открыты более чем в 40 странах мира. Суммарные запасы урана в них оцениваются в 30-40 млн тонн. В настоящее время именно эти наиболее экономически эффективные запасы существующих месторождений являются основным источником добываемого в мире природного урана.
Самыми крупными запасами располагают Австралия (24% мировых запасов), Казахстан (17%), Канада (11%) и др. По данным МАГАТЭ, Россия занимает четвертое место в мире, располагая ресурсами запасов урана (Reasonably Assured Resources+Inferred Resources recoverable) в размере 507,8 тысяч тонн. Государственным балансом запасов полезных ископаемых Российской Федерации учитываются запасы урана в недрах в количестве 716,6 тысяч тонн, которые сосредоточены в трех регионах: Республике Саха (Якутия), Забайкальском крае и Республике Тыва.
Более половины российских запасов урана (382,8 тысяч тонн) заключено в 17 месторождениях Эльконского урановорудного района в Республике Саха (Якутия), представленных штокверковыми золото-урановыми рудами в зонах калиевых метасоматитов («метасоматический» тип по классификации МАГАТЭ). Запасы крупнейшего из них месторождения Дружное составляют 13% российских (95,8 тысяч тонн); другие значимые месторождения района — Эльконское плато, Северное, Курунг, Непроходимое, Элькон — заключают от 40 до 62 тысяч тонн урана каждое.
Следует отметить, что на территории, которую занимал ранее СССР, находится более 30% мировых запасов природного урана (примерно 1,3 млн тонн).
На основании оценок мировых запасов урана, содержащихся в различных источниках, крайне трудно судить о темпах развития его производства для удовлетворения потребностей человечества. Одним из ограничивающих факторов может быть физическая природа рудного тела. Урановые ресурсы находятся в месторождениях различных типов, каждое из которых имеет свои характеристики. Годовой уровень добычи урана зависит от физических и экономических ограничений, присущих каждому рудному месторождению. Намного легче и выгоднее разрабатывать открытым путем приповерхностные месторождения с высоким содержанием урана, чем подземные месторождения, располагающиеся на большой глубине.
Подобно другим тяжелым металлам соединения урана токсичны. При попадании в организм этот элемент воздействует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.
Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Разумно предположить, что в процессе эволюции живые существа научились обезвреживать уран в природных концентрациях. Наиболее опасен уран в воде, поэтому ВОЗ установила ограничение: поначалу оно составляло 15 мкг/л, но в 2011 году норматив увеличили до 30 мкг/л.
Уран по своей природе не радиоактивен. Опасность представляют продукты распада урана — радий и радон. При извлечении урана основная радиоактивность остаётся на месте залегания руды. При этом стоит отметить, что некоторые исследования все-таки выявили признаки возможного синергетического эффекта урана, проявляющегося в его свойствах тяжелого металла и радиоактивного компонента.
После выделения урана-235 остаются эти самые «урановые хвосты», содержащие большое количество урана-238, из которого можно получать плутоний. По идее, в реакторы на быстрых нейтронах можно загружать уран-238, из которого будет выделяться плутоний, используемый как топливо. Но указанное связано с большими экологическими рисками, стоит вспомнить предприятие «Маяк», загрязнение речки Течи и аварию 1957 года. В этой связи вопросы обращения с хвостохранилищами, образующимися в результате добычи и переработки урановых руд, представляют наибольшую актуальность. В добывающей отрасли многих стран мира разработаны и применяются на практике руководства и законодательные акты по всем аспектам эксплуатации хвостохранилищ: от проектирования до эксплуатации.
Химическое выделение плутония из гексафторида урана станет причиной образования токсичных жидких отходов и приведет к авариям подобно выбросам рутения-106, который случился в 2017 году на предприятии «Маяк» в Челябинской области, когда по одной из версий на предприятии произошла утечка газообразного оксида рутения, который поднялся в верхние слои атмосферы и частично выпал с осадками на территории России и Европы. Изотопы рутений-106 и рутений-103 зафиксировали лаборатории многих европейских стран и особенно высокие концентрации — в Румынии.
Сегодня обязательным условием при получении разрешения на добычу урана является разработка и общественная защита отчетов о воздействии уранового производства на окружающую среду (Environmental Impact Assessment) и ежегодные социально-экологические отчеты Sustainable Development.
Однако в природном уране необходимого изотопа содержится всего 0,711%. Поэтому, прежде чем изготавливать ядерное топливо для реакторных установок данного типа, необходимо искусственно повысить содержание этого изотопа в уране или обогатить уран по делящемуся изотопу. Также обогащенный уран используется для фабрикации топливных элементов энергетических и исследовательских реакторов.
Обогащение урана осуществляется на предприятиях Топливной компании Росатома «ТВЭЛ». В разделительно-сублиматный комплекс входят четыре российских обогатительных комбината: АО «Ангарский электролизный химический комбинат» (г. Ангарск, Иркутская область), АО «ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край), АО «Уральский электрохимический комбинат» (ЗАТО Новоуральск, Свердловская область) и АО «Сибирский химический комбинат» (ЗАТО Северск, Томская область). Они используют самую эффективную в настоящее время технологию обогащения — газоцентрифужную.
Процесс обогащения требует, чтобы уран находился в газообразной форме. Это достигается при помощи конверсии, в ходе которой окись-закись урана преобразуется в другое соединение — гексафторид урана (UF6). Это соединение может находиться в газообразном состоянии при относительно низких температурах. Гексафторид урана подается в центрифуги с тысячами быстро вращающихся вертикальных трубок, которые отделяют уран-235 от несколько более тяжелого изотопа — урана-238.
Центрифуги также разделяют уран на два потока: один содержит обогащенный уран-235, другой — уран-235 более низкой концентрации. Обогащенный уран идет на производство топлива для ядерных реакторов, а уран с более низким содержанием изотопа отправляется на хранение и дальнейшую переработку. В большинстве промышленных реакторов в качестве топлива используется уран с уровнем обогащения 5-20%. Если степень обогащения превышает 20%, то уран считается высокообогащенным, такой может потребоваться при производстве топлива для ядерных силовых установок (атомных ледоколов) или для исследовательских реакторов (определенных типов).
Москва
