ПРО МАРНУВАННЯ ВІДХОДІВ

Як сила швидкого розщеплення може забезпечити чистою енергією з ядерних відходів

М а р к Л і н а с

За участі
Йоріса ван Дорпа та Раулі Партанена

WePlanet

Квітень, 2023

РЕЗЮМЕ

У поданій доповіді описано, як накопичені ядерні матеріали, що нині розглядаються як
«відходи», можуть, разом із вітром та сонцем, слугувати джерелом енергії для формування економіки з нульовими парниковими викидами (“net zero economy”) в Європі.

Зокрема обраховується скільки енергії містять ці ядерні матеріали і як довго вони могли б забезпечувати безвуглецеву генерацію електроенергії, якщо їх використовувати як паливо в швидких реакторах замкнутого циклу.

Використовуючи розрахунки, засновані головним чином на існуючих запасах урану, ми виявили, що наявні ядерні «відходи» містять достатньо енергії, щоб забезпечити теперішній рівень споживання електроенергії в Європі впродовж майже тисячі років.

Якщо розглядати неконвенційні ресурси урану та торію в глобальному вимірі, то ядерне паливо, по суті, є необмеженим ресурсом: його достатньо для забезпечення зростаючих потреб людської цивілізації безвуглецевим джерелом енергії вродовж десятків тисяч років, і, ймовірно, навіть довше.

Використання цього палива в новому поколінні реакторів на швидких нейтронах усуне його з категорії «відходів» шляхом безвуглецевого перетворення відходів на енергію. Залишки продуктів поділу впродовж 200-300 років повернуться до рівня радіоактивності, порівняного з первинною радіоактивністю уранової руди.

Це означає, що сучасні стратегії глибокого геологічного захоронення можуть бути спрощені.

Тож WePlanet пропонує перекваліфікувати ці ядерні матеріали з метою термінової розробки програм будівництва “швидких реакторів” (реакторів-розмножувачів на швидких нейтронах). Вони повинні бути розгорнуті таким чином, щоб зменшити навантаження на мережі та підвищити безпеку енергопостачання із використанням вітрової, сонячної та ядерної енергії для генерації більшої частини електроенергії та теплопостачання в “net zero” Європі.

Економіка “швидких реакторів” наразі поки що не підтверджена, але якщо запаси відпрацьованих ядерного палива призначені для глибокого геологічного захоронення натомість перенаправити до програми швидких реакторів, це уможливить повторне використання цих матеріалів і перетворить їхній тягар на корисну частину належно обгрунтованої циркулярної економіки.

ВСТУП

Усі ядерні енергетичні реактори, що нині використовуються в Європі, за винятком реакторів з газовим охолодженням у Великобританії та важководних реакторів у Румунії, є легководними реакторами, які використовують як паливо збагачений уран.

Хоч вони мають довгу історію безпечного функціонування та протягом десятиліть забезпечували неймовірні обсяги чистої електроенергії, однак використовували менше 1% фактичного енергетичного потенціалу природного урану, з якого виготовлене їхнє паливо.

Використані тепловиділяючі елементи, що вилучаються з реакторів, вважаються «ядерними відходами», як і «хвости» збідненого урану, що залишилися від процесу збагачення (див. нижче).

Попри те, що ці «відходи» не становлять серйозної загрози довкіллю чи здоров’ю людей, а їхні обсяги є незначними порівняно з відходами інших галузей і нікому не шкодять за умов належно захищеного зберігання, вони однак створюють політичний виклик і належать до найчастіше згадуваних причин постійного протистояння безвуглецевій атомній енергетиці.

Стратегії глибокого геологічного захоронення (хоч і цілком здійсненні технічно та економічно) доповнюють відчуття, що атомна енергетика є небезпечною за самою своєю суттю і лишає токсичний спадок для майбутніх поколінь на багато тисячоліть вперед.

Так бути не повинно! Перепрофілювання та зменшення цього спадку шляхом перетворення відходів на енергію мало б широкий політичний резонанс і екологічну привабливість, як повністю ефективний спосіб використання урану без потреби його додаткового видобутку для забезпечення зростаючих потреб в ядерній енергетиці для подолання кліматичних загроз.

Потреба видобутку урану є вельми відчутною проблемою в короткостроковій перспективі. Хоч ядерна енергетика потребує меншого залучення матеріалів, ніж використання викопного палива чи сонячної енергії, видобуток будь-якої сировини чинить локальний вплив на довкілля. Збільшення енергетичного використання ядерного палива зменшить або навіть усуне потребу видобутку свіжого урану.

Відтак захисники клімату і довкілля мали б підтримувати “швидкі реактори” не лише через їхній потенціал безвуглецевого виробництва енергії, але й задля ліквідації
наявних нагромаджень довгоіснуючих ядерних відходів, що утримуються у стійких до розплавлення модульних конструкціях пасивної безпеки.

ФІЗИКА ШВИДКИХ РЕАКТОРІВ

Від 1950-х років було зрозуміло, що швидкі реактори спроможні «продукувати».
більше палива, ніж вони споживають, і це може надати джерело енергії,
по суті, безмежне у людських масштабах часу. Цілком очевидно, що ця обставина знижує нагальність розробки технології неймовірно фізично складного ядерного синтезу, який зазвичай слугує віддповіддю на занепокоєння через відходи і потребу довгострокового постачання ядерного палива. Обидві ці проблеми остаточно вирішуються застосуванням технології швидких реакторів, в той час як термоядерний синтез (попри нещодавні гучні досягнення) залишається в десятиліттях від будь-яких перспектив комерціалізації.

У минулому багато країн розробляли прототипи швидких реакторів, такі як EBRII у США, Phénix у Франції, Monju в Японії та в російський програмі швидких реакторів BN. Західні програми були передчасно закриті через поєднання політичних і технічних причин, наразі триває лише російська програма. Звичайні реактори з водою під тиском, в яких застосовано поділ в спектрі теплових нейтронів були економічно досить дешевими у використанні, оскільки одноразове використання збагаченого палива та подальша його утилізація становлять лише невелику частину загальних витрат на будівництво і експлуатацію реактора. З надзвичайно дешевим свіжим урановим паливом на перенасиченому ринку, було обмаль стимулів для більш ефективного використання розщеплюваних матеріалів в швидких реакторах.

ЗВИЧАЙНИЙ РЕАКТОР “ОДНОРАЗОВОГО" ПАЛИВНОГО ЦИКЛУ.
Відкритий ядерно-паливний цикл, як нині видобувається уран, 1 % якого розщеплюється

• менше 1% видобутого урану розщеплюється

• матеріал, що розщеплюється, витрачається і не поповнюється

• відпрацьване ядерне паливо не переробляється і потребує тривалого зберігання

• кожна 1 ТВт/год виробленої електроенергії потребує 16 тонн природного урану

У легководних реакторах використовуються розщеплювані ізотопи, насамперед уран-235 (U-235), який має бути «збагачений» його виділенням з природного урану за допомогою складних процесів виробництва із застосуванням каскаду центрифуг. Це зумовлено тим, що U-235 складає лише 0,7% природного урану, а решта – уран-238 (U-238), який не розщеплюється. Збагачення початково було винайдене для виокремлення достатньої кількості U-235 для виробництва атомних бомб, які потребують дуже високої частки розщеплюваних ізотопів, (понад 90%) аби уможливити ланцюгову реакцію достатньо швидку для створення вибухової сили.

Збагачення урану до нижчих рівнів - близько 5%, достатньо для виробництва електроенергії легководними реакторами. Однак це означає, що більша частина урану, що міститься в складі їхнього палива - в основному U-238 плюс нерозщеплений U-235, в підсумку залишається в дуже радіоактивних паливних збірках і в «збідненому урані», з якого було виділено більшу частину U-235. Використані паливні збірки містять суміш переважно короткоживучих продуктів ділення, таких як цезій-137 і стронцій-90, а також довгоживучі актиніди, такі як плутоній, кюрій, америцій і нептуній, та рештки урану, і залишаються значно радіоактивними протягом тисячоліть (хоча й на дедалі нижчих рівнях), через довговіснуючі матеріали, котрі не можна виділити та переробити на паливо.

На відміну від теплових реакторів, в яких використовуюється той факт, що U-235 має набагато вищу ймовірність поділу при ударі сповільненими «тепловими» нейтронами, швидкі реактори не використовують «сповільнювач» для гальмування нейтронів у ланцюговій реакції поділу (розщеплення). Швидкі реактори призначені для роботи з використанням свіжих швидких нейтронів безпосередньо, щойно вони вивільняються в результаті подій поділу. Швидкі нейтрони рідше спричиняють розщеплення, що ускладнює виникнення ланцюгової реакції, але вони найімовірніше спричинять події поділу, які дадуть більшу кількість нейтронів, які по тому придатні для трансмутації «продуктивних» матеріалів, таких як U-238 у придатне для поділу паливо, наприклад плутоній. Це явище відоме як «розмноження» розщеплюваного палива з продуктивного матеріалу.

ШВИДКИЙ РЕАКТОР-”РОЗМНОЖУВАЧ” ЗАМКНЕНОГО ПАЛИВНОГО ЦИКЛУ

Замкнутий ядерний паливний цикл як він був задуманий винахідниками атомної енергетики майже століття тому: весь видобутий уран (або торій) використовується для виробництва електроенергії в замкнутому циклі опромінення, розщеплення, “розмноження” та переробки ядерних матеріалів, нічого не залишаючи на відходи (ширина стрілки відображає співвідношення мас використаних матеріалів)

• більше 99% видобутого урану розщеплюється

• матеріалу, що розщеплюється, створюється стільки, скільки спожито

• на утилізацію відправляються лише непридатні в подальшому продукти ділення

• 1 ТВт/год виробленої електроенергії потребує 0,1 тонни природного урану

Плутоній є ключовим паливом для швидких реакторів, оскільки в процесі поділу спроможний продукувати більше нейтронів, ніж уран. Плутоній-239 (Pu-239) є розщеплюваним ізотопом, котрий в природному стані не існує на Землі, і який початково був створений трансмутацією U-238 в військових ядерних реакторах, оптимізованих для його виробництва, та виокремлений для використання в ядерних бомбах. Легководні реактори також продукують близько третини свого тепла від генерації та розщеплення Pu-239, але швидкі реактори, хоч і через кілька циклів переробки та повторного виробництва, набагато ефективніше “примножують” паливо і таким чином можуть утилізувати практично весь свій уран в такий спосіб.

Швидкі реактори також будуть здатні використовувати всі актиніди, що залишилися у відпрацьованому ядерному паливі. Саме ці актиніди роблять відпрацьоване паливо радіоактивним на дуже тривалий періоді часу, оскільки мають довгий період напіврозпаду, хоч і генерують переважно альфа-випромінювання, тож не викликають значного занепокоєння в плані якогось ймовірного впливу на людей в майбутньому. Однак, якщо їх вилучити з відпрацьованого палива і спалити в швидких реакторах, радіоактивність залишкових відходів, які складатимуться переважно з продуктів ділення з коротким періодом напіврозпаду, впродовж лише 200-300 років знизиться до вихідного рівня уранової руди, що зробить можливим поверхневе зберігання, зменшуючи і спрощуючи (якщо не усуваючи взагалі) необхідність глибокого геологічного захоронення зі складною конструкцією, що розрахована на мільйони років. Скорочення часових рамок процесів зберігання та утилізації радіоактивних відходів могло б полегшити підтвердження їхньої безпечності для широкої громадськості.

Ці невд’ємні переваги спонукають до питання, чому ж швидкі реактори досі не впроваджено в масштабах нашої ядерної енергетичної сфери? Основною причиною, окрім політичного рішення щодо припинення західних дослідницьких програм, є те, що уран був достатньо дешевим, тому не було потреби його використовувати ефективніше. Крім того, проектування та ліцензування нового типу реактора та нового типу палива - це величезні інвестиції в дослідження та розробки, які досі не надто цікавили комерційних операторів, особливо зважаючи на те, що ліцензування та утримання звичних ядерних установок залишалося достатньо складним.

Іншими словами, простіше збагачувати більше видобутого урану, а відпрацьоване ядерне паливо зберігати невизначений термін, в той час як питання глибокого геологічного захоронення можна нескінченно спускати на гальмах. Все це відомо як «одноразовий» (відкритий) урановий паливний цикл. І не було економічної необхідності робити цей цикл, замкненим тому що ядерне паливо складає дуже малу частку загальної вартості експлуатації реактора, навіть якщо лише 1% видобутого урану використовується продуктивно. Це відрізняє його від інших видів викопного палива, вартість якого найперше береться до уваги в процесі енергогенерації, і більше подібне до відновлюваних джерел енергії, де паливо –сонячне або вітрове – фактично безкоштовне після покриття капітальних витрат на електростанцію.

Однак ситуація змінюється. У зв’язку з поточним переосмисленням ядерної енергетики через визнання більшістю експертів, що без неї не буде досягнуто мети забезпечення нульових викидів, запаси урану розглядаються в довгостроковій перспективі. Модульні швидкі реактори нині розробляються в багатьох країнах шанованими компаніями – від стартапів до старіших інженерних фірм - і деякі з них уже наблизилися до створення прототипу або першого у своєму роді практичного використання. (З огляду на війну в Україні ми не торкаємссь надалі в цій доповіді російської програми швидких реакторів). Конструкції швидких реакторів обіцяють повну пасивну безпеку, тобто відсутність ризиків розплавлення та пов’язаного з ними викиду радіації, як це сталося у Фукусімі в Японії після цунамі в березні 2011 року.

Чимало нових проектів швидких реакторів також включають компоненти регулювання навантаження, такі як термічні накопичувачі із розплавленими солями, що дає змогу генеруючій установці швидко реагувати на зміну потреб мережі, щоб збалансувати переривчасте живлення від вітру і сонця, та компенсуючи пікові навантаження замість традиційних електростанцій на природному газі. Отже, оскільки більша частина виробництва електроенергії впродовж року може бути пов’язана переважно із відновлюваними джерелами, ці нові реактори здатні розв‘язати проблему нестійкості сонячної та вітрової генерації, яка інакше ускладнюватиме створення 100% чистих енергомереж через відсутність рентабельних великомасштабних можливостей зберігання електроенергії. Акумулятори ж є надто ресурсомісткими і дорогими для використання в якості сезонного накопичувача електроенергії, та й водень не набагато кращий через властиві йому труднощі виробництва, транспортування і зберігання.

СКІЛЬКИ ПАЛИВА В НАЯВНОСТІ?

Відповідь на це запитання передбачає кількісну оцінку всіх запасів ядерних матеріалів, які наразі зберігаються в Європі. Такі дані є важкодоступними, тож їх було зібрано з різних джерел, і деякі є актуальнішими за інші. Ці розрахунки також містять припущення, відображені нижче. В ідеалі їхні результати слід розглядати радше як відповідь на питання про порядок величин, ніж як точні цифри. Ми вважаємо їх найбільш корисними в якості стратегічного дороговказу для рішень, які зараз ухвалюються в енергетичній сфері для досягнення кліматичних цілей.

У поданій вище таблиці ми наводимо приблизні дані обліку, з урахуванням важких металів, які є продуктивними або взаємозаміними для розщеплення. Отже, збіднений уран (DU), уран у відпрацьованому паливі та плутоній можна розглядати в єдиному тоннажі, оскільки все це може бути використане як паливо в швидких реакторах. (В реальності розщеплюваний плутоній-239 та U-235 буде використано окремо для запуску швидких реакторів та початку процесу розмноження для створення більшої кількості розщеплюваних матеріалів із U-238).

Ми дійшли висновку, що Європа (беруться до уваги Великобританія та ЄС разом) має загальний запас у майже 580 000 тонн потенційного ядерного палива для швидких реакторів. Його можна співставити із близько 470 000 [11] тонн урану у збідненому урані (700 000 метричних тонн гексафториду урану-UF6) у Сполучених Штатах та з всесвітніми запасами приблизно у 1,6 мільйона [12] тонн лише DU (без урахування відпрацьованого палива), згідно даних Всесвітньої Ядерної Асоціації. Цей глобальний запас DU щорічно зростає приблизно на 50 000 тонн за рахунок нового збагачення урану та виготовлення палива.

Існуює суттєва непевність щодо того, наскільки ефективніше швидкі реактори замкнутого паливного циклу можу використовувати уран порівняно з легководними реакторами нинішнього покоління. Оцінки зазвичай варіюються в діапазоні від коефіцієнта 60 до коефіцієнта 100, де відмінності здебільшого стосуються оцінок ефективнсті повторюваного циклу використання, переробки та повторного виготовлення палива. Ця ефективність залежить від реактора та застосованих технологій переробки, а коефіцієнт 100 означає повністю ефективне відновлення відпрацьованого палива і повернення у паливний цикл всіх розщеплюваних і продуктивних матеріалів.

Обрахунок кількості енергії, яку можна вивільнити, використовуючи весь запас розщеплюваних і продуктивних матеріалів складається з підсумовування виходу енергії розщеплення всіх його складових. На щастя, цю процедуру можна спростити знаючи, що вихід енергії поділу всіх видів ядерного палива, включаючи торій, уран, плутоній та інші актиноїди становить приблизно 22 000 гігават-годин (ГВт-год) на тонну. Таким чином, 580 000-тонний запас важких металів у Європі може видати приблизно 580 000 x 22 000 = понад 12 мільярдів ГВт-год теплової енергії. Це тепло може бути конвертоване в електрику з ефективністю не менше 33%, що призводить до потенціального вивільнення загалом щонайменше 4 мільярдів ГВт-год електроенергії, зв’язаних всередині цього запасу.

Наскільки це багато, 4 мільярди Гвт-год? ЄС і Великобританія наразі споживають приблизно 3 мільйони ГВт-год електроенергії щорічно, тож наявні ядерні важкометалеві «відходи», за теперішнього рівня споживання, можуть використовуватися для енергопостачання всієї Європи протягом понад 1000 років в разі найвищої ефективності переробки палива. На нижчому рівні передбачень, беручи до уваги більш реалістичну оцінку частково ефективної переробки, запасів вистачить на 600 років.

НАШІ ВИСНОВКИ

Таким чином, наявних в Європі запасів ядерних матеріалів, в разі їхнього використання в швидких реакторах, достатньо щоб живити електричні мережі континенту на теперішньому рівні повністю за рахунок атомної енергії впродовж приблизно 600 років за нашою низькою оцінкою, та 1000 років за нашою високою оцінкою за відсутності додаткового видобутку урану.

ЗАСТЕРЕЖЕННЯ

Звісно, сучасний рівень споживання електроенергії не буде сталим – економічне зростання та електрифікація економіки через перехід до “net zero”, потребуватиме суттєвого збільшення енергогенерації. Попри це, навіть якщо впродовж наступних кількох десятиліть виробництво електроенергії зросте втричі, ми все ще матимемо можливості понад два століття виробляти енергію на швидких реакторах використовуючи наявні запаси важких металів.

При цьому ми не пропонуємо 100% генерацію на швидких реакторах Якщо натомість
припустити, для ілюстрації, що відновлювані джерела енергії (плюс якась кількість легководних реакторів на той час) покриватимуть 80% виробництва в річному обчисленні, це означатиме, що швидкі реактори повинні генерувати лише 20% енергії, що дозволяє нам помножити доступну енергію в поточних запасах їхнього палива на коефіцієнт п'ять. Отже, швидкі реактори, якщо працюватимуть на підтримку відновлюваних джерел, зможуть компенсувати різницю для повністю безвуглецевого постачання електроенергії впродовж тисячі років, навіть за потроєного споживання згідно нашого підвищеного прогнозу.

В глобальному вимірі, поточні запаси в 1,6 мільйона тонн продуктивних і розщеплюваних
важких металів, беручи до уваги наведені вище розрахунки і нижчу прогнозну оцінку, додали б понад 11 мільйонів терават-годин (ТВт-год) електроенергії. Сучасне світове споживання становить близько 23 000 Твт-год річно, тож ми вже маємо палива на 500 років чистого електропостачання за поточних темпів використання із 100% використанням ядерної енергії, та набагато більше за використання більш реалістичного міксу енергетичних джерел.

Якщо ж долучити ще не видобутий уран до економічно підтверджених запасів, це додасть, за нашими найскромнішими оцінками, ще 6,2 мільйона тонн, достатніх для приблизно 2000 років глобального виробництва чистої енергії. Ще більше урану наявно у нетрадиційних для використання формах, як той, що розчинений в морській воді або присутній у залишкових кількостях у звичайних породах.

До того ж уран – не єдине потенційне ядерне паливо. Ми також можемо використовувати торієвий паливний цикл, який вперше використано в Індії та запропоновано для нового покоління торієвих реакторів. Торій-232 перетворюється на розщеплюваний уран-233 шляхом захоплення нейтронів, що робить його ще одним джерелом палива. Торію на Землі у три-чотири рази більше, ніж урану, що робить його джерелом енергії, яке могло б підтримувати людську цивілізацію протягом десятків тисяч років просто шляхом використання наявних запасів.

Підвищення у 100 разів ефективності використання палива реакторами- розмножувачами означає, що навіть дуже бідні джерела ядерного палива, такі як морська вода або звичайна порода, перетворюються на економічно вигідні. Прикметно, що навіть залишкова зола від вугілля електростанцій містить сліди урану і торію, енергетичний потенціал яких в десять разів перевищує вихідне вугілля до його спалювання. Цей приклад ілюструє потужність технології швидких реакторів-розмножувачів: ми могли б використовувати навіть вугільну золу для майбутньої чистої ядерної енергетики. Нетрадиційні джерела урану і торію містять не мільйони, а мільярди тонн, що дозволяє помножити на коефіцієнт в одну тисячу часові періоди згадувані вище.

Іншими словами, якщо уран або торій використовувати в реакторах-розмножувачах замкненого паливного циклу, запаси ядерного палива для розщеплення по суті безмежні в масштабах часу, значущих для людської цивілізації.

ІНШІ ПРИРОРОДООХОРОННІ МІРКУВАННЯ

Зазначимо, що наведені вище розрахунки стосуються фізики, а не економіки. Це загальні нотатки задля розуміння того, який енергетичний ресурс містить відоме нам ядерне паливо. Ми ще не знаємо, які конструктивні рішення реакторів будуть найкращими з економічної точки зору, чи якою мірою атомна енергетика зможе конкурувати із іншими джерелами чистої енергії.

Проте, ядерній енергетиці властиві фізичні переваги. Система швидкого реактора,що описана вище, протягом наступних століть не потребуватиме видобутку урану. Існуючі запаси «відходів» будуть перепрофільовані на паливо, а його залишок зберігатиме радіоактивність такий короткий термін, що глибоке геологічне захоронення буде значно спрощене, якщо взагалі буде потрібне.

Атомні потужності також мають високу енергетичну насиченість, тож використовують землю набагато раціональніше, ніж будь-яке інше конкуруюче джерело живлення. Для WePlanet, як природоохоронної групи, стурбованої питаннями використання земель, це головний чинник. Атомна енергетика принаймні в 50 разів ефективніше використовує землі, ніж сонячна, і потребує у 800 разів менших територій, ніж вітрові системи на суходолі. Якщо ми прагнемо масштабного відновлення природних екосистем на понад 50% поверхні Землі, водночас із процвітанням високоенергетичної людської цивілізаціії, ядерна енергетика має стати важливим чинником. Ядерка також має подібну або й кращу ефективність використання матеріалів у порівнянні з наявними відновлюваними джерелами енергії – це ще один важливий екологічний фактор – і потреби використання матеріалів ще зменшуються в закритому паливному циклі. Крім того, атомна енергетика чинить один із найменших, поміж інших джерел енергії, впливів на навколишнє середовище в контексті інших проявів експлуатаційного циклу, таких як евтрофікація, екотоксичність чи вплив на здоров'я людини.

ЧОГО ПРАГНЕ WePlanet

• Усі запаси ядерного матеріалу, вклю-чаючи плутоній, збіднений уран, ак-тиноїди та відпрацьоване паливо, слід розглядати як потенційне паливо на майбутнє.

• Процеси впровадження швидких модульних реакторів, включаючи по-стачання, ліцензування та під-твердження паливного циклу, слід прискорити для їхнього швидкого мас-масштабного розгортання на підтримку вітрової і сонячної енергетики задля чистої економіки.

• Слід терміново надати регуляторам< ресурси для швидшої оцінки конструкції реакторів повністю замкнутого паливного циклу, котрі лишають як відходи переважно короткоіснуючі продукти поділу, зменшуючи масштаби та спрощуючи проблеми глибокого геологічного захоронення.