Мир на пике – Мир в пике
Шрифт:
Да, именно так. Россия, несмотря на свои скромные 33 реактора, по состоянию на начало 2013 года, против 104 ядерных реакторов у США на ту же дату, вдвое превосходит США по количеству разделительных мощностей. С чем это связано?
А ответ прост: Россию, как и наших общих предков в конце мезозоя, которые таки съели своих угнетателей-динозавров, спасла бедность. Именно из-за бедности и нищеты, которая всегда дамокловым мечом висела над севером Евразии, во времена СССР пришлось считать каждый рубль и киловатт-час и разработать сверхэффективную технологию обогащения урана на газовых центрифугах.
Почему же свет сошелся именно на центрифугах? И зачем отдельно особым значком (* на рис. 67) в таблице World Nuclear Association выделено газодиффузное обогащение, которое, судя по информации этой уважаемой организации, надо по всему миру закрывать как можно быстрее? Понятно, что центрифуги производительнее, но существующие диффузоры-то зачем выкидывать?
А ответ прост: энергия, энергия и еще раз энергия.
Малая степень обогащения урана на каждой из ступеней газодиффузного процесса заставляет тратить уйму энергии на разделение изотопов.
Ведь газодиффузное обогащение изначально создавалось под запросы военных.
Американским военным в 1950-е годы, когда и закладывались основные подходы к атомной промышленности во всех странах, на энергетические затраты по разделению изотопов было элементарно наплевать. Воякам был нужен оружейный, высокообогащенный уран. Для реакторов подводных лодок нужен был уран от нескольких десятков процентов обогащения и до 90 % чистого 235U, а для атомной бомбы — не менее 75 %. Процент же содержания 235U в топливе для реакторов, напомню, всего 2–4 %! Причем на фоне гонки вооружений времен «холодной войны» уран нужен был быстро. Нефти и энергии у США в то время было полно, деньги лились рекой и о затратах никто не думал, вот и построили быстро газодиффузные заводы.
О том, что завтра заводы по обогащению урана будут использовать для наработки топлива для АЭС, в 1950-е годы никто не думал. В СССР тоже вначале собрали газодиффузное производство. Но это был монстр.
Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-техническом совете при Совете Народных Комиссаров:
«В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т. е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении.
Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т. е. в условиях хорошего вакуума.
Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней.
В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75–100 г урана–235 в сутки.
Установка будет состоять приблизительно из 80–100 „колонн“, в каждой из которых будет смонтировано 20–25 ступеней».
57
Ex post facto — После свершившегося факта.
Представили себе масштаб вложенных усилий?
Около 2000 здоровенных установок ради каких-то 75–100 граммов изотопа 235U в сутки. По факту получилось, что выход урана оказался всего 70 грамм в сутки, а число ступеней разделительного завода пришлось поднять до 3100. Ну а куда деваться было, бомбы ведь тогда были нужны и СССР тоже! Нефтяной динозавр вполне мог в начале 1950-х годов задавить ядерного фокстерьера просто своим весом.
Здание первого в мире завода газодиффузионного обогащения урана К-25 в Окридже, США, занимало площадь несколько десятков гектаров. Строительство обошлось в 500 миллионов долларов США. Тех, старых, еще очень «свободных» и весьма весомых долларов. Протяженность U-образного здания этого завода — около 800 метров.
А внутри — станки, станки, станки! В смысле — диффузоры, диффузоры, диффузоры!
В СССР первая очередь комбината № 813#, рассчитанная на суммарный выпуск 140 граммов 90 % 235U в сутки на двух каскадах по 3100 ступеней разделения, открылась в недостроенном авиазаводе, в поселке Верх-Нейвинск, расположенном в 60 км от Свердловска. Здание завода тоже представляло собой циклопическое сооружение, рассчитанное изначально на сборку самолетов на конвейере. Позже поселок превратился в Свердловск-44, а 813-й завод — в Уральский электрохимический комбинат, крупнейшее в мире производство по разделению изотопов урана.
В чем еще проблема газодиффузионной технологии, кроме того, что под нее надо строить циклопические сараи, напичканные самой современной и весьма капризной техникой?
Она тратит безумно много усилий и горы энергии на очень неэффективное разделение изотопов урана.
При этом, что интересно, по стоимости газодиффузного способа разделения изотопов и сейчас часто любят делать заключения о «низком EROI» ядерной энергетики, объявляя, что она работает чуть ли не на значениях EROI 4:1 или даже ниже. Для начала разберем, что это составляет в абсолютных цифрах, потраченных на обогащение в виде кВт-ч, и как они отражены в полученных килограммах урана.
Например, газодиффузионный комбинат «Евродиф» во французском городе Пьерлате электроэнергию на поддержание своего технологического процесса получает от 4 рядышком стоящих ядерных реакторов. Так 3000 МВт их электрической мощности или 26,280 млн МВт-ч произведенной за год электроэнергии расходуются исключительно на производство 8,5 млн ЕРР за год. В перерасчете на «штуки» — каждый ЕРР на газодиффузном заводе обходится в 3091 кВт-ч.
Для сравнения, в классической книге «Экономика ядерной энергетики: основы производства ядерного топлива» авторства советского профессора Синева приведено для сравнения энергопотребление центрифуг образца 1982 года — около 100 кВт-ч/ЕРР. Потребление же газодиффузной технологии тоже оценено в этой книге как «в ~25 раз более высокое», то есть составляет около 2500 кВт-ч/ЕРР.
Согласно же последним оценкам, современные центрифуги как российского, так и европейского производства берут уже лишь 50–60 кВт-ч на производство каждой ЕРР.
Слава Богу, жить французскому газодиффузионному комбинату осталось приблизительно до 2015 года, а далее там останутся уже только одни центрифуги. Аналогичная ситуация складывается и в США — энергетический, а не «военный» подход к вопросу заставляет США закрывать уже в 2014 году газодиффузный комбинат компании USEC и пытаться переходить на технологию газовых центрифуг. Все по-честному: западный подход просто «не вписался в рынок». Здание завода К-25 в Окридже уже тоже, кстати, демонтировано. Совсем. В ноль. Бульдозерами.
Теперь нам, для понимания сути процесса, надо перебить ЕРР в килограммы урана. Вот этот график.
Рис. 68. График обогащения и использования урановых изотопов.
Как видим, для производства урана реакторной чистоты нам надо потратить 6–9 ЕРР на килограмм продукта. Или, в случае использования центрифужного способа производства урана — 600–900 кВт-ч на 1 килограмм урана. С центрифугами нового поколения — и того меньше, всего лишь 300–450 кВт-ч на 1 килограмм урана. Исходный продукт, как мы понимаем, тоже никуда при этом не исчезает, просто он оказывается обеднен изотопом 235U, и мы спокойно оставляем его лежать в отвалах — к перспективам его использования мы вернемся ниже.
Для газовой же диффузии, даже если использовать оценки Синева, а не фактическое потребление «Евродифа», которое еще на 20 % выше, получится гораздо более печальная цифра — от 15 000 до 22 500 кВт-ч на 1 килограмм урана.
При использовании современной реакторной технологии 1 кг урана, обогащенного до реакторной чистоты, достаточно для производства 315 000 кВт-ч электроэнергии. В случае газодиффузной технологии 7 % энергии при этом надо было бы потратить на обогащение самого урана (EROI = 14:1). В случае же использования центрифуг нового поколения эти расходы уменьшаются до смешного уровня в 0,2 %. Ну или в понятном уже нам EROI — эта фаза уранового топливного цикла работает с коэффициентом 500:1 (симпатично смотрится цифра, правда?).