Геологи из нескольких американских, немецких и швейцарских университетов заявили о том, что необходимо пересмотреть представления об условиях, в которых могут образовываться месторождения урана. О своем исследовании они рассказали в журнале Nature Communications.
Один из самых распространенных типов месторождений урана, который используется в атомных электростанциях, - так называемые инфильтрационные месторождения в песчаниках. Уран добывают из минерала уранинита (с идеализированной формулой UO2, в природе он содержит как UO2, так и UO3), находящегося в ролловых залежах в песчанике на большой глубине. Считается, что месторождения урана формируются на протяжении миллионов лет в результате реакций неорганических соединений.
Ученые обнаружили новые свидетельства того, что живые микроорганизмы, бактерии, могут генерировать другой вид урана, находящийся в некристаллическом виде. Химические и физические свойства этого соединения отличают его от уранинита, образовавшегося из неорганичекого вещества. К такому выводу ученые пришли, изучая состав урана на разрабатывающихся и неразрабатывающихся участках месторождений в Вайоминге, где была найдена некристаллическая форма урана биологического происхождения. Эта находка позволила ученым предположить, что уран может образовываться естественным путем в рудных месторождениях при участии микроорганизмов.
Ученые исследовали образцы из ролловых залежей с глубины 200 метров. Они установили, в том числе методами изотопного анализа, что 89% урана в образцах содержалось в некристаллической форме, и образование таких форм урана связано с органическим веществом или неорганическими карбонатами. Большая часть урана, обнаруженного геологами на наразрабатываемом участке месторождения, образовалась около 3 млн лет назад в результате деятельности микроорганизмов, которая приводила к осаждению урана.
По словам ученых, изобилие такого биогенного некристаллического урана может иметь последствия для экологической рекультивации горных предприятий и для практики добычи в целом. Например, вероятно, биогенный некристаллический уран будет образовывать водорастворимые формы в отличие от его кристаллического аналога уранинита. Это может повлиять на экологическую мобильность урана, в результате чего повысится вероятность загрязнения водоносного горизонта питьевой воды.
В дальнейшем ученые надеются исследовать происхождение ролловых залежей на других урановых месторождениях, чтобы оценить глобальное значение своих результатов для уточнения теории образования урана, а также для его экологической миграции и связанной с ней безопасной рекультивации горных выработок. Для этого, в том числе, важно понять, являются ли микробы, производящие уран сегодня, такими же, как те, которые образовали его в земной коре три миллиона лет назад.
Откуда взялся уран? Скорее всего, он появляется при взрывах сверхновых. Дело в том, что для нуклеосинтеза элементов тяжелее железа должен существовать мощный поток нейтронов, который возникает как раз при взрыве сверхновой. Казалось бы, потом, при конденсации из образованного ею облака новых звездных систем, уран, собравшись в протопланетном облаке и будучи очень тяжелым, должен тонуть в глубинах планет. Но это не так. Уран - радиоактивный элемент, и при распаде он выделяет тепло. Расчет показывает, что если бы уран был равномерно распределен по всей толще планеты хотя бы с той же концентрацией, что и на поверхности, то он выделял бы слишком много тепла. Более того, его поток по мере расходования урана должен ослабевать. Поскольку ничего подобного не наблюдается, геологи считают, что не менее трети урана, а может быть, и весь он сосредоточен в земной коре, где его содержание составляет 2,5∙10 –4 %. Почему так получилось, не обсуждается.
Где добывают уран? Урана на Земле не так уж мало - по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах - углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2 % соответственно. Всего в земной коре содержится 10 14 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка - ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка - различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.
Что такое лучи Беккереля? После открытия Вольфгангом Рентгеном Х-лучей французский физик Антуан-Анри Беккерель заинтересовался свечением солей урана, которое возникает под действием солнечного света. Он хотел понять, нет ли и тут Х-лучей. Действительно, они присутствовали - соль засвечивала фотопластинку сквозь черную бумагу. В одном из опытов, однако, соль не стали освещать, а фотопластинка все равно потемнела. Когда же между солью и фотопластинкой положили металлический предмет, то под ним потемнение было меньше. Стало быть, новые лучи возникали отнюдь не из-за возбуждения урана светом и через металл частично не проходили. Их и назвали поначалу «лучами Беккереля». Впоследствии было обнаружено, что это главным образом альфа-лучи с небольшой добавкой бета-лучей: дело в том, что основные изотопы урана при распаде выбрасывают альфа-частицу, а дочерние продукты испытывают и бета-распад.
Насколько велика радиоактивность урана? У урана нет стабильных изотопов, все они радиоактивные. Самый долгоживущий - уран-238 с периодом полураспада 4,4 млрд лет. Следующим идет уран-235 - 0,7 млрд лет. Оба они претерпевают альфа-распад и становятся соответствующими изотопами тория. Уран-238 составляет более 99% всего природного урана. Из- за его огромного периода полураспада радиоактивность этого элемента мала, а кроме того, альфа-частицы не способны преодолеть ороговевший слой кожи на поверхности человеческого тела. Рассказывают, что И. В. Курчатов после работы с ураном просто вытирал руки носовым платком и никакими болезнями, связанными с радиоактивностью, не страдал.
Исследователи не раз обращались к статистике заболеваний рабочих урановых приисков и обрабатывающих комбинатов. Вот, например, недавняя статья канадских и американских специалистов, которые проанализировали данные о здоровье более 17 тысяч рабочих прииска Эльдорадо в канадской провинции Саскачеван за 1950–1999 годы (Environmental Research , 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Они исходили из того, что сильнее всего радиация действует на быстро размножающиеся клетки крови, приводя к соответствующим видам рака. Статистика же показала, что у рабочих прииска заболеваемость различными видами рака крови меньше, чем в среднем у канадцев. При этом основным источником радиации считается не сам по себе уран, а порождаемый им газообразный радон и продукты его распада, которые могут попасть в организм через легкие.
Чем же вреден уран ? Он, подобно другим тяжелым металлам, весьма ядовит, может вызывать почечную и печеночную недостаточность. С другой стороны, уран, будучи рассеянным элементом, неизбежно присутствует в воде, почве и, концентрируясь в пищевой цепочке, попадает в организм человека. 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 мк/г. Как правило, урана в воде гораздо меньше: в США в среднем 6,7 мкг/л, в Китае и Франции - 2,2 мкг/л. Но бывают и сильные отклонения. Так в отдельных районах Калифорнии его в сто раз больше, чем по нормативу, - 2,5 мг/л, а в Южной Финляндии доходит и до 7,8 мг/л. Исследователи же пытаются понять, не слишком ли строг норматив ВОЗ, изучая действие урана на животных. Вот типичная работа (BioMed Research International , 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Французские ученые девять месяцев поили крыс водой с добавками обедненного урана, причем в относительно большой концентрации - от 0,2 до 120 мг/л. Нижнее значение - это вода вблизи шахты, верхнее же нигде не встречается - максимальная концентрация урана, измеренная в той же Финляндии, составляет 20 мг/л. К удивлению авторов - статья так и называется: «Неожиданное отсутствие заметного влияния урана на физиологические системы...», - уран на здоровье крыс практически не сказался. Животные прекрасно питались, прибавляли в весе как следует, на болезни не жаловались и от рака не умирали. Уран, как ему и положено, откладывался прежде всего в почках и костях и в стократно меньшем количестве - в печени, причем его накопление ожидаемо зависело от содержания в воде. Однако ни к почечной недостаточности, ни даже к заметному появлению каких-либо молекулярных маркеров воспаления это не приводило. Авторы предложили начать пересмотр строгих нормативов ВОЗ. Однако есть один нюанс: воздействие на мозг. В мозгах крыс урана было меньше, чем в печени, но его содержание не зависело от количества в воде. А вот на работе антиоксидантной системы мозга уран сказался: на 20% выросла активность каталазы, на 68–90% - глютатионпероксидазы, активность же суперкоксиддисмутазы упала независимо от дозы на 50%. Это означает, что уран явно вызывал окислительный стресс в мозгу и организм на него реагировал. Такой эффект - сильное действие урана на мозг при отсутствии его накопления в нем, кстати, равно как и в половых органах, - замечали и раньше. Более того, вода с ураном в концентрации 75–150 мг/л, которой исследователи из университета Небраски поили крыс полгода (Neurotoxicology and Teratology , 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалаcь на поведении животных, главным образом самцов, выпущенных в поле: они не так, как контрольные, пересекали линии, привставали на задние лапы и чистили шерстку. Есть данные, что уран приводит и к нарушениям памяти у животных. Изменение поведения коррелировало с уровнем окисления липидов в мозгу. Получается, что крысы от урановой водички делались здоровыми, но глуповатыми. Эти данные нам еще пригодятся при анализе так называемого синдрома Персидского залива (Gulf War Syndrome).
Загрязняет ли уран места разработки сланцевого газа? Это зависит от того, сколько урана в содержащих газ породах и как он с ними связан. Например, доцент Трейси Бэнк из Университета Буффало исследовала сланцевые породы месторождения Марцелус, протянувшегося с запада штата Нью-Йорк через Пенсильванию и Огайо к Западной Виргинии. Оказалось, что уран химически связан именно с источником углеводородов (вспомним, что в родственных углистых сланцах самое высокое содержание урана). Опыты же показали, что используемый при разрыве пласта раствор прекрасно растворяет в себе уран. «Когда уран в составе этих вод окажется на поверхности, он может вызвать загрязнение окрестностей. Радиационного риска это не несет, но уран - ядовитый элемент», - отмечает Трейси Бэнк в пресс-релизе университета от 25 октября 2010 года. Подробных статей о риске загрязнения окружающей среды ураном или торием при добыче сланцевого газа пока не подготовлено.
Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран - основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство - способность ядра делиться.
Что такое деление ядра? Распад ядра на два неравных больших куска. Именно из-за этого свойства при нуклеосинтезе за счет нейтронного облучения ядра тяжелее урана образуются с большим трудом. Суть явления состоит в следующем. Если соотношение числа нейтронов и протонов в ядре не оптимально, оно становится нестабильным. Обычно такое ядро выбрасывает из себя либо альфа-частицу - два протона и два нейтрона, либо бета-частицу - позитрон, что сопровождается превращением одного из нейтронов в протон. В первом случае получается элемент таблицы Менделеева, отстоящий на две клетки назад, во втором - на одну клетку вперед. Однако ядро урана помимо излучения альфа- и бета-частиц способно делиться - распадаться на ядра двух элементов середины таблицы Менделеева, например бария и криптона, что и делает, получив новый нейтрон. Это явление обнаружили вскоре после открытия радиоактивности, когда физики подвергали новооткрытому излучению все, что придется. Вот как пишет об этом участник событий Отто Фриш («Успехи физических наук», 1968, 96, 4). После открытия бериллиевых лучей - нейтронов - Энрико Ферми облучал ими, в частности, уран, чтобы вызвать бета-распад, - он надеялся за его счет получить следующий, 93-й элемент, ныне названный нептунием. Он-то и обнаружил у облученного урана новый тип радиоактивности, который связал с появлением трансурановых элементов. При этом замедление нейтронов, для чего бериллиевый источник покрывали слоем парафина, увеличивало такую наведенную радиоактивность. Американский радиохимик Аристид фон Гроссе предположил, что одним из этих элементов был протактиний, но ошибся. Зато Отто Ган, работавший тогда в Венском университете и считавший открытый в 1917 году протактиний своим детищем, решил, что обязан узнать, какие элементы при этом получаются. Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг. Там на Рождество 1938 года ее посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города - он на лыжах, тетя пешком, - они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». В январе 1939 года вышла статья Фриша и Мейтнер о делении ядер урана под действием нейтронов. К тому времени Отто Фриш уже поставил контрольный опыт, равно как и многие американские группы, получившие сообщение от Бора. Рассказывают, что физики стали расходиться по своим лабораториям прямо во время его доклада 26 января 1939 года в Вашингтоне на ежегодной конференции по теоретической физике, когда ухватили суть идеи. После открытия деления Ган и Штрассман пересмотрели свои опыты и нашли, так же, как и их коллеги, что радиоактивность облученного урана связана не с трансуранами, а с распадом образовавшихся при делении радиоактивных элементов из середины таблицы Менделеева.
Как проходит цепная реакция в уране? Вскоре после того, как была экспериментально доказана возможность деления ядер урана и тория (а других делящихся элементов на Земле в сколько-нибудь значимом количестве нет), работавшие в Принстоне Нильс Бор и Джон Уиллер, а также независимо от них советский физик-теоретик Я. И. Френкель и немцы Зигфрид Флюгге и Готфрид фон Дросте создали теорию деления ядра. Из нее следовали два механизма. Один - связанный с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов - урана-238 и тория-232. При меньшей энергии поглощение нейтрона ураном-238 имеет резонансный характер. Так, нейтрон с энергией 25 эВ имеет в тысячи раз большую площадь сечения захвата, чем с другими энергиями. При этом никакого деления не будет: уран-238 станет ураном-239, который с периодом полураспада 23,54 минуты превратится в нептуний-239, тот, с периодом полураспада 2,33 дня, - в долгоживущий плутоний-239. Торий-232 станет ураном-233.
Второй механизм - беспороговое поглощение нейтрона, ему следует третий более-менее распространенный делящийся изотоп - уран-235 (а равно и отсутствующие в природе плутоний-239 и уран-233): поглотив любой нейтрон, даже медленный, так называемый тепловой, с энергией как у молекул, участвующих в тепловом движении, - 0,025 эВ, такое ядро разделится. И это очень хорошо: у тепловых нейтронов площадь сечения захвата в четыре раза выше, чем у быстрых, мегаэлектронвольтных. В этом значимость урана-235 для всей последующей истории атомной энергетики: именно он обеспечивает размножение нейтронов в природном уране. После попадания нейтрона ядро урана-235 становится нестабильным и быстро делится на две неравные части. Попутно вылетает несколько (в среднем 2,75) новых нейтронов. Если они попадут в ядра того же урана, то вызовут размножение нейтронов в геометрической прогрессии - пойдет цепная реакция, что приведет к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. Ни уран-238, ни торий-232 так работать не могут: ведь при делении вылетают нейтроны со средней энергией 1–3 МэВ, то есть при наличии энергетического порога в 1 МэВ значительная часть нейтронов заведомо не сможет вызвать реакцию, и размножения не будет. А значит, про эти изотопы следует забыть и придется замедлять нейтроны до тепловой энергии, чтобы они максимально эффективно взаимодействовали с ядрами урана-235. При этом нельзя допустить их резонансного поглощения ураном-238: все-таки в природном уране этот изотоп составляет чуть меньше 99,3% и нейтроны чаще сталкиваются именно с ним, а не с целевым ураном-235. А действуя замедлителем, можно поддерживать размножение нейтронов на постоянном уровне и взрыва не допустить - управлять цепной реакцией.
Расчет, проведенный Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в том же судьбоносном 1939 году, показал, что для этого нужно применить замедлитель нейтронов в виде тяжелой воды или графита и обогатить ураном-235 природный уран по меньшей мере в 1,83 раза. Тогда эта идея показалась им чистой фантазией: «Следует отметить, что примерно двойное обогащение тех довольно значительных количеств урана, которые необходимы для осуществления цепного взрыва, <...> представляет собой чрезвычайно громоздкую, близкую к практической невыполнимости задачу». Сейчас эта задача решена, и атомная промышленность серийно выпускает для электростанций уран, обогащенный ураном-235 до 3,5%.
Что такое спонтанное деление ядер? В 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что деление урана может происходить спонтанно, без всякого внешнего воздействия, правда период полураспада гораздо больше, чем при обычном альфа-распаде. Поскольку при таком делении тоже получаются нейтроны, если не дать им улететь из зоны реакции, они-то и послужат инициаторами цепной реакции. Именно это явление используют при создании атомных реакторов.
Зачем нужна атомная энергетика? Зельдович и Харитон были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики («Успехи физических наук», 1940, 23, 4). «...В настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому - хотя это и является делением шкуры неубитого медведя - некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то <исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы "сжигания" и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость "урановой" калории (если исходить из вышеприведенных цифр) будет, принимая во внимание, что распространенность изотопа U235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле "угольной" калории при прочих равных условиях».
Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную - задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.
Как функционирует атомная станция? Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например с алюминием, или в виде оксида складывают в длинные цилиндры - тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды - продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать - извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.
В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, - опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор - на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.
Как критикуют атомную энергетику? Если не говорить об авариях, то основным пунктом в рассуждениях противников атомной энергетики сегодня стало предложение добавить к расчету ее эффективности затраты по защите окружающей среды после выведения станции из эксплуатации и при работе с топливом. В обоих случаях возникают задачи надежного захоронения радиоактивных отходов, а это расходы, которые несет государство. Есть мнение, что если переложить их на себестоимость энергии, то ее экономическая привлекательность пропадет.
Существует оппозиция и среди сторонников атомной энергетики. Ее представители указывают на уникальность урана-235, замены которому нет, потому что альтернативные делящиеся тепловыми нейтронами изотопы - плутоний-239 и уран-233 - из-за периода полураспада в тысячи лет в природе отсутствуют. А получают их как раз вследствие деления урана-235. Если он закончится, исчезнет прекрасный природный источник нейтронов для цепной ядерной реакции. В результате такой расточительности человечество лишится возможности в будущем вовлечь в энергетический цикл торий-232, запасы которого в несколько раз больше, чем урана.
Теоретически для получения потока быстрых нейтронов с мегаэлектронвольтными энергиями можно использовать ускорители частиц. Однако если речь идет, например, о межпланетных полетах на атомном двигателе, то реализовать схему с громоздким ускорителем будет очень непросто. Исчерпание урана-235 ставит крест на таких проектах.
Что такое оружейный уран? Это высокообогащенный уран-235. Его критическая масса - она соответствует размеру куска вещества, в котором самопроизвольно идет цепная реакция, - достаточно мала для того, чтобы изготовить боеприпас. Такой уран может служить для изготовления атомной бомбы, а также как взрыватель для термоядерной бомбы.
Какие катастрофы связаны с применением урана? Энергия, запасенная в ядрах делящихся элементов, огромна. Вырвавшись из-под контроля по недосмотру или вследствие умысла, эта энергия способна натворить немало бед. Две самые чудовищные ядерные катастрофы случились 6 и 8 августа 1945 года, когда ВВС США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, в результате чего погибли и пострадали сотни тысяч мирных жителей. Катастрофы меньшего масштаба связаны с авариями на атомных станциях и предприятиях атомного цикла. Первая крупная авария случилась в1949 году в СССР на комбинате «Маяк» под Челябинском, где нарабатывали плутоний; жидкие радиоактивные отходы попали в речку Течу. В сентябре 1957 года на нем же произошел взрыв с выбросом большого количества радиоактивного вещества. Через одиннадцать дней сгорел британский реактор по наработке плутония в Уиндскейле, облако с продуктами взрыва рассеялось над Западной Европой. В 1979 году сгорел реактор на АЭС Тримейл-Айленд в Пенсильвании. К наиболее масштабным последствиям привели аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС в Фукусиме (2011), когда воздействию радиации подверглись миллионы людей. Первая засорила обширные земли, выбросив в результате взрыва 8 тонн уранового топлива с продуктами распада, которые распространились по Европе. Вторая загрязнила и спустя три года после аварии продолжает загрязнять акваторию Тихого океана в районах рыбных промыслов. Ликвидация последствий этих аварий обошлась весьма дорого, и, если бы разложить эти затраты на стоимость электроэнергии, она бы существенно выросла.
Отдельный вопрос - последствия для здоровья людей. Согласно официальной статистике, многим людям, пережившим бомбардировку или живущим на загрязненной территории, облучение пошло на пользу - у первых более высокая продолжительность жизни, у вторых меньше онкологических заболеваний, а некоторое увеличение смертности специалисты связывают с социальным стрессом. Количество же людей, погибших именно от последствий аварий или в результате их ликвидации, исчисляется сотнями человек. Противники атомных электростанций указывают, что аварии привели к нескольким миллионам преждевременных смертей на европейском континенте, просто они незаметны на статистическом фоне.
Вывод земель из человеческого использования в зонах аварий приводит к интересному результату: они становятся своего рода заповедниками, где растет биоразнообразие. Правда, отдельные животные страдают от болезней, связанных с облучением. Вопрос, как быстро они приспособятся к повышенному фону, остается открытым. Есть также мнение, что последствием хронического облучения оказывается «отбор на дурака» (см. «Химию и жизнь», 2010, №5): еще на стадии эмбриона выживают более примитивные организмы. В частности, применительно к людям это должно приводить к снижению умственных способностей у поколения, родившегося на загрязненных территориях вскоре после аварии.
Что такое обедненный уран? Это уран-238, оставшийся после выделения из него урана-235. Объемы отхода производства оружейного урана и тепловыделяющих элементов велики - в одних США скопилось 600 тысяч тонн гексафторида такого урана (о проблемах с ним см. «Химию и жизнь», 2008, №5). Содержание урана-235 в нем - 0,2%. Эти отходы надо либо хранить до лучших времен, когда будут созданы реакторы на быстрых нейтронах и появится возможность переработки урана-238 в плутоний, либо как-то использовать.
Применение ему нашли. Уран, как и другие переходные элементы, используют в качестве катализатора. Например, авторы статьи в ACS Nano от 30 июня 2014 года пишут, что катализатор из урана или тория с графеном для восстановления кислорода и перекиси водорода «имеет огромный потенциал для применения в энергетике». Поскольку плотность урана высока, он служит в качестве балласта для судов и противовесов для самолетов. Годится этот металл и для радиационной защиты в медицинских приборах с источниками излучения.
Какое оружие можно делать из обедненного урана? Пули и сердечники для бронебойных снарядов. Расчет здесь такой. Чем тяжелее снаряд, тем выше его кинетическая энергия. Но чем больше размер снаряда, тем менее концентрирован его удар. Значит, нужны тяжелые металлы, обладающие высокой плотностью. Пули делают из свинца (уральские охотники одно время использовали и самородную платину, пока не поняли, что это драгоценный металл), сердечники же снарядов - из вольфрамового сплава. Защитники природы указывают, что свинец загрязняет почву в местах боевых действий или охоты и лучше бы заменить его на что-то менее вредное, например на тот же вольфрам. Но вольфрам недешев, а сходный с ним по плотности уран - вот он, вредный отход. При этом допустимое загрязнение почвы и воды ураном примерно в два раза больше, чем для свинца. Так получается потому, что слабой радиоактивностью обедненного урана (а она еще и на 40% меньше, чем у природного) пренебрегают и учитывают действительно опасный химический фактор: уран, как мы помним, ядовит. В то же время его плотность в 1,7 раза больше, чем у свинца, а значит, размер урановых пуль можно уменьшить в два раза; уран гораздо более тугоплавкий и твердый, чем свинец, - при выстреле он меньше испаряется, а при ударе в цель дает меньше микрочастиц. В общем, урановая пуля меньше загрязняет окружающую среду, чем свинцовая, правда, достоверно о таком использовании урана неизвестно.
Зато известно, что пластины из обедненного урана применяют для укрепления брони американских танков (этому способствуют его высокие плотность и температура плавления), а также вместо вольфрамового сплава в сердечниках для бронебойных снарядов. Урановый сердечник хорош еще и тем, что уран пирофорен: его горячие мелкие частицы, образовавшиеся при ударе о броню, вспыхивают и поджигают все вокруг. Оба применения считаются радиационно безопасными. Так, расчет показал, что, даже просидев безвылазно год в танке с урановой броней, загруженном урановым боекомплектом, экипаж получит лишь четверть допустимой дозы. А чтобы получить годовую допустимую дозу, надо на 250 часов прикрутить к поверхности кожи такой боеприпас.
Снаряды с урановыми сердечниками - к 30-мм авиационным пушкам или к артиллерийским подкалиберным - применяли американцы в недавних войнах, начав с иракской кампании 1991 года. В тот год они высыпали на иракские бронетанковые части в Кувейте и при их отступлении 300 тонн обедненного урана, из них 250 тонн, или 780 тысяч выстрелов, пришлось на авиационные пушки. В Боснии и Герцеговине при бомбежках армии непризнанной Республики Сербской было истрачено 2,75 тонны урана, а при обстрелах югославской армии в крае Косово и Метохия - 8,5 тонн, или 31 тысяча выстрелов. Поскольку ВОЗ к тому времени озаботилась последствиями применения урана, был проведен мониторинг. Он показал, что один залп состоял примерно из 300 выстрелов, из которых 80% содержало обедненный уран. В цели попадало 10%, а 82% ложилось в пределах 100 метров от них. Остальные рассеивались в пределах 1,85 км. Снаряд, попавший в танк, сгорал и превращался в аэрозоль, легкие цели вроде бронетранспортеров урановый снаряд прошивал насквозь. Таким образом, в урановую пыль в Ираке могло превратиться от силы полторы тонны снарядов. По оценкам же специалистов американского стратегического исследовательского центра «RAND Corporation», в аэрозоль превратилось больше, от 10 до 35% использованного урана. Борец с урановыми боеприпасами хорват Асаф Дуракович, работавший во множестве организаций от эр-риядского Госпиталя короля Фейсала до вашингтонского Уранового медицинского исследовательского центра, считает, что только в Южном Ираке в 1991 году образовалось 3–6 тонн субмикронных частиц урана, которые рассеялись по обширному району, то есть урановое загрязнение там сопоставимо с чернобыльским.
В Интернете некоторые господа уже много раз на всякие лады рассказывали сказку о том, что Россия якобы продала «последнюю урановую рубашку» злым американцам, причем за бесценок, и теперь у нас нету оружейного урана и плутония, чтобы сделать атомные бомбы . В общем, «просрали все полимеры».
Разговор о том, как обстоят дела на самом деле, я начну с картинки, на которой показано общее число ядерных боеголовок у России и США. На картинке, как несложно заметить, изображена ситуация на 2009 год. Как видите, по числу боеголовок мы сильно опережаем США (в том числе в тактических боеголовках — более чем в четыре раза). Также на картинке несложно заметить, что из 13 тысяч боеголовок 8.160 боеголовок нам просто некуда ставить — для них нет ракет. И у США ситуация тоже аналогична.
При этом к концу 1985 года у СССР, на пике его славы, было около 44.000 ядерных зарядов. И уже тогда часть из них было некуда ставить. США достигли пика в 32.000 ядерных зарядов в 1965 году, затем начали постепенно снижать количество зарядов, но тем не менее к 1995 году оказались в аналогичной нам ситуации нехватки ракет под заряды.
При этом надо понимать, что ядерный заряд сам по себе не вечен — он постепенно портится при хранении, его расщепляющиеся материалы из-за самораспада постепенно отравляются образующимися изотопами, и т.д. Стало понятно, что при таком избытке старых боеголовок их надо утилизировать, а изъятые из них оружейный уран и плутоний либо снова чистить для использования в оружейных целях, либо — что дешевле — разбавить низкообогащенным ураном и использовать как топливо в ядерных электростанциях.
По состоянию на 1991 год ситуация была такова: США обладали около 600 тонн оружейного урана и около 85 тоннами плутония. СССР же успели наработать около 1100-1400 тонн оружейного урана и 155 тонн плутония.
Отдельно надо сказать, что до 1995 года единственное обогатительное предприятие в США, которое отвечало и за производство оружейного урана, и за снабжение ураном реакторов АЭС в США - нынешняя компания USEC - была структурным подразделением Министерства энергетики США (DOE). При этом количество собственных ЕРР (мощностей по обогащению расщепляющихся материалов), находившееся в распоряжении США до 1991 года (а это единственный газодиффузионный завод в Падуке) составляло всего лишь 8,5 млн. ЕРР. А потребность всех построенных к 1979 году в США ядерных реакторов (после 1979 года в США реакторы не строились - и об этом ниже) составляла, согласно оценке от 11 до 12 млн. ЕРР в год.
И этим единственным заводом в Падуке, как одиноким тазиком в бане, США покрывали и производство оружейного, и производство реакторного урана. Вас теперь не удивляет то, что максимум боеголовок в распоряжении США оказался почему-то не в конце Холодной войны, а ещё в 1965 году? Да-да — ядерные электростанции США с 1965 года начали сжирать урана больше, чем США успевали обогащать. И разницу США начали покрывать за счет разбодяживания оружейного урана и плутония с последующим использованием его в топливе для АЭС.
Уже в 1979 году США сообразили, что если дела так пойдут и дальше, они рискуют остаться вовсе без ядерного оружия. И были вынуждены прекратить строительство АЭС. Для этого был использован удобный повод — авария на АЭС Тримайл-Айленд. Конспирологи говорят, что авария была подстроена, более критичные люди говорят, что она была случайной, но ее сильно раздули в СМИ.
Однако и уже построенные АЭС понемногу подъедали ядерный запас США , а закрывать их, как это делают глупые японцы или немцы, американские бизнесмены не собирались. Пришлось искать источник поставок дополнительного количества ядерного топлива.
Начиная с 1987 года США и СССР принимают целый ряд совместных соглашений, которые иногда объединяют в некую согласованную программу «Совместного уменьшения угрозы». В этих соглашениях было много политической трескотни, но главный их смысл для США был экономический. Он состоял в том, чтобы высвободить запасы оружейного урана и плутония для покрытия дефицита топлива для американских АЭС. В феврале1993 г. Россия и США подписали соглашение о продаже 500 тонн урана, извлеченного из старых ядерных боеголовок (так называемое соглашение ВОУ-НОУ, или «мегатонны в обмен на мегаватты»). Выполнение соглашения рассчитано на длительный период (более 10 лет), а общая сумма контракта оценивается в 12 млрд. долларов. Это и есть то самое соглашение, про которое так любят голосить наши просралополимерщики — мол, мы отдали США свой оружейный уран, 500 тонн, «усё пропало, шеф!» и так далее.
Ну, во-первых, оружейный уран в США никто не отправлял . Оружейный уран имеет степень обогащения более 90%, но поставляется США в разбавленном виде (обедненным или естественным ураном), так что концентрация U-235 в полученной смеси составляла около 4%. Причем есть мнение, что Россия просто обманула США, поставляя в основном обычный низкообогоащенный топливный уран.
Для понимания ситуации сообщу малоизвестный факт, что в рамках программы «Совместного уменьшения угрозы» США ещё в 1992 году остановили последний реактор-наработчик плутония. В России же последний такой реактор (в Железногорске) был остановлен только в апреле 2010 года. Да и то только потому, что у России на подходе мощный коммерческий реактор-бридер, который получает большое количество плутония практически нахаляву, попутно с выработкой энергии. Не правда ли, это слабо вяжется с распродажей «лишнего» оружейного материала?
Во-вторых, русские кинули США еще и на сырье . В 90-х годах у России, после отделения Украины и Казахстана, просто не хватало природного урана для полной загрузки своих обогатительных мощностей. Собственное производство природного урана в России сосредоточилось на единственном объекте - Приаргунском месторождении, где добывалось всего около 2.500 тонн руды, а нужно было минимум 7.000 тонн в год. А зачем же позволять ультрацентрифугам простаивать?
Поэтому американцам было заявлено, что России якобы не хватает природного урана для разбавления оружейной компоненты. Для того чтобы обеспечить хоть какое-то выполнение программы (а за первые 6 лет действия договора было отгружено всего 50 тонн ВОУ, разбавленного всякой мурой), в 1999 году Правительство США убеждает крупнейших западных производителей природного урана - Cameco (Канада), Cogema (теперь Areva, Франция), и Nukem (Германия) продать России по специальной цене 118.000 тонн природного урана! Вы вдумайтесь в эту цифру — это сырьё на 17 лет полной загрузки наших центрифуг. И США нам его обеспечили.
Почему? Да потому, что ситуация с топливом в США была совершенно катастрофическая.
В 1998 году (то есть за год до того, как США были вынуждены организовать поставки в Россию урановой руды) Правительство США провело свою программу «ВОУ-НОУ» (HEU-LEU), передав в гражданский сектор 174 тонны оружейного урана (треть объёма от российской двадцатилетней программы!).
В 2005 году Министерство энергетики США снова объявило о передаче для разбавления природным ураном ещё 40 тонн «некондиционного» высокообогащённого урана. Данное количество урана почему-то оказались весьма «подпорчено» изотопом 236U, в силу чего по нему была объявлена отдельная программа «смешивания» - BLEU (Blended Low-Enriched Uranium).
Программа HEU-LEU на нормальном оружейном уране была продолжена Министерством энергетики США в 2008 году, когда тому же американскому подрядчику - компании TVA, которая переварила прошлую партию некондиционного урана, предложили ещё 21 тонну оружейного урана. И ещё 29,5 тонн нормального оружейного урана разбавили другие подрядчики Министерства энергетики США.
Итого, за период 1993-2013 годов США использовали для своих АЭС, вдобавок к российским 500 тоннам виртуального ВОУ, ещё 201,2 тонны своего реального высокообогащённого урана.
Надо подчеркнуть, что весь этот уран ушёл в конце-концов в виде топлива для реакторов «западного типа». То есть, около 700 тонн оружейного урана были той кислородной подушкой, которая держала американскую (и шире - всю западную!) атомную генерацию энергии на протяжении последних 20 лет.
Однако все хорошее когда-то заканчивается. Закончилась и программа ВОУ-НОУ. Да-да — хотя она формально еще работает до 2014 года, но фактические объемы поставок российского топлива по этой программе уже сейчас близки к нулю. А ведь российские поставки по ВОУ-НОУ обеспечивали около 12% мировой потребности в реакторном уране и 38% потребности в реакторном уране в самих США .
Так чем же США будут заряжать свои реакторы?
Думаю, что я не сильно ошибусь, если скажу, что у США сейчас оружейного плутония и урана осталось не больше 300 тонн , включая то, что ещё можно «наковырять» из старых, но пока не разобранных боеголовок, не трогая стратегические 1500 боеголовок и еще немного тактических. Если замещать этими 300 тоннами российскую программу, этого количества изотопов хватит на 6 лет. А дальше уже надо строить центрифуги, пускать реакторы-бридеры, покупать уран по рыночной цене на международном рынке - в общем, работать, работать и ещё раз работать.
А работать толстопиндосу не хочется. Поэтому если бы Фукусима не произошла - американцам её стоило бы организовать. Организовали ведь «Партию Зелёных» в Германии с их идиотской программой «позакрывать все АЭС» и начать весёлые эксперименты с электрогенерацией при помощи ветра и солнца? Оплачивают ведь выступления индусов против открытия уже готовой АЭС? Оплатили ведь закрытие отличной АЭС в Литве?
Российские же запасы оружейного урана составляют цифру в районе 780 тонн , о чём, например, спокойно говорит такой осведомлённый человек, как президент канадской компании Cameco Джерри Гранди. Сей канадский мужик это дело хорошо знает - он России природный уран по «специальным ценам» в аккурат с 1999 года и по сей день поставлял. Он эти российские «просраные полимеры» на собственной шкуре ощутил.
На самом деле ситуация для США и Запада в целом еще куда хуже. Дело в том, что толковая центрифужная обогатительная промышленность в западных странах (в основном - пока стараниями европейских компаний Areva и Urenco) ещё только создаётся, а газодиффузионные заводы USEC (США) и самой Areva уже запланированы к закрытию в период 2015-2017 годов из-за чрезвычайной степени износа оборудования, грозящего авариями, на фоне которых Чернобыль покажется милыми шутками.
Можно ли сказать, сколько будет стоить уран завтра и кто чего будет стоить в мире, когда наступит ядерное утро? Да, можно. Более того, даже нелогичные и безумные действия Германии и Японии, на наших глазах совершающих «экономическое харакири», уже давным-давно просчитаны, учтены и, более того, скорее всего кое-где признаны правильными и полностью соответствующими «требованию революционного момента».
На картинке — ядерный мир в 2010 году. До Фукусимы и до «Германского консенсуса» 2011 года, который оставил Германии жалкий «обрубок» её когда-то мощной ядерной генерации, разом сократив число действовавших энергоблоков с 17 до 9. Причем «Зеленые» требовали закрыть вообще все АЭС.
Наступающая зима, разумеется, добавит миру статистики о том, насколько бывают устойчивы генерирующие и распределительные сети в присутствии таких приятных в диспетчеризации и управлении источников, как ветер и солнечная энергия, и в отсутствии «неэкологичных» АЭС. Германия всем нам покажет пример, ха-ха.
Ну а пока германская промышленность уже активно закупает (сюрприз! сюрприз!) резервные газопоршневые установки, работающие на газе (Газпром потирает ручки и считает будущие барыши), а генерирующие компании рассуждают о полезности установки постоянной газовой электрогенерации (Газпром начинает потирать ручки втрое быстрее), которая может хотя бы быстро подхватывать «падающие штаны» у столь горячих и непостоянных парней, как ветер и солнце. И да, кто бы мог подумать — угольные ТЭС не могут столь быстро набирать мощность, как это необходимо с точки зрения устойчивости сетей, посему они никого не спасут.
Виноват, понятное дело, в этом бардаке лично Путин и его агент влияния - скрытая криптокоммунистка Ангела Меркель. А не агенты влияния США, которым (США) позарез надо выкроить ядерное топливо для своих АЭС. Просто потому, что большая часть из реакторов находится именно в США – их там работает 104 штуки. Для сравнения, во Франции (которая на 3/4 покрывает свои потребности в энергии за счет АЭС) реакторов 59, а в России их всего 31 .
Да, кстати — авария 1986 года в Чернобыле была очень удобна США. Настолько удобна и вовремя произошла, что возникают большие сомнения в ее случайности.
Ситуация же с отказом от атомной энергии в Японии вообще выглядит, как выходящая за грани добра и зла . Страна, имевшая почти треть электрогенерации за счёт ядерных реакторов, по итогам столь же удобной и своевременной для США Фукусимской аварии в настоящий момент имеет на ходу всего 2 реактора из 54 . Альтернативную же энергию, из которой потом можно настругать новых, как с иголочки, киловаттиков, на японские острова надо вначале привезти, а возить сейчас, на фоне выгребающих весь уголь в АТР Китая и Индонезиии, приходится исключительно природный газ. Причём - самый дорогой, сжиженный. Как вы думаете — хорошо будет японской экономике, которая и так уже неконкурентоспособна на фоне Южной Кореи и Китая, если ее издержки еще вырастут за счет потребления дорогущего сжиженного газа?
Тем временем с обогатительными мощностями в США ситуация — совсем караул. «Сразу после приватизации USEC, в её адрес стали выдвигаться различные обвинения, от некомпетентности до бесчестных сговоров и взяточничества… Финансовое положение корпорации очень тяжёлое, и будущее программы по обогащению урана в США находится под вопросом… Высокие накладные расходы и устаревшие технологии образца 50-ых годов превратили бизнес USEC в неприбыльный и полностью зависящий от российских субсидий», — писал в мае 2002 года «Bulletin of the Atomic Scientists».
С тех пор мало что изменилось. «Эксплуатирующие организации (в США) ненавидят USEC. Русские ненавидят USEC. Министерство энергетики США ненавидит USEC», — отмечает британская газета «Financial Times». И в этих условиях всеобщей ненависти, обогатительная корпорация регулярно переносит сроки пуска завода в Пайктоне, постоянно пересчитывает смету строительства в сторону повышения, а также перманентно требует дополнительных вливаний из федерального бюджета.
США утратили многие позиции в топливном цикле и зависят от импортных поставок. Конверсия оружейного урана — чуть ли не единственная сфера ЯТЦ, где компания из Соединённых Штатов всё ещё может конкурировать с зарубежными поставщиками. И это не мое мнение — это мнение атомной компании «ConverDyn» из самих США.
Так что напряжённая работа с оружейным ураном России пошла на пользу, а в США благодаря ей ускорилась деградация атомной отрасли . Флагман американского обогащения - компания USEC, после работы программы ВОУ-НОУ находится в глубоком кризисе, а Россия по-прежнему почему-то обладает ещё почти 800 тоннами свободного оружейного урана.
