В течение последних нескольких лет ликвидация избыточных ядерных боезарядов привела к образованию в Соединенных Штатах и России значительных запасов плутония и высокообогащенного урана (ВОУ). Эти запасы способствовали возобновлению глобальных дебатов об использовании плутония в качестве источника энергии и предоставили новые аргументы в пользу продолжения поддержки реализуемых плутониевых проектов. Данная статья анализирует основные факты относительно производства плутония и дает оценку стоимости и технических аспектов данной проблемы.

1. Все данные округлены либо до ближайшей крглой цифры, либо до ближайшего количества тонн, кратного 5. 2. Выделенный энергетический плутоний принадлежит государствам, до сих пор занимающимся его переработке, заключил контракты по переработке с Великобританией и Францией, и также располагает значительными запасами энергетического плутония. Среди них: Бельгия, Германия, Италия, Нидерланды и Швейцария. Соедненные Штаты обладают относительно небольшими запасами энергетического плутония, наработанного но радиохимическом предприятии в Уест-Вэлли, штат Нью-Йорк, которое было закрыто в 1972 г. 3. Помимо США, но одно государство не раскретило данные по производству плутония. Все остальные данные по военномю плутонию являются приблизительными оценками. Оценки запасов по 1990 и 1995 гг. основаны на предположении, что российские запасы военного плутония составляли 150 т.. По последним данным, запасы плутония в России, возможно, несколько ниже, примерно, 130 т. Источник: Arjun Makhijani and Scott Saleska, The Nuclear Power Deception (Takoma Park, Maryland: Institute for Energy and Environmental Research, 1996).

Основные факты о ресурсах урана и плутония

С точки зрения практического использования уран-235 является единственным существующим в природе расщепляющимся материалом, который способен поддерживать цепную реакцию и выступать в качестве топлива ядерных реакторов. Однако уран-235 составляет только около 0,7 процентов урановой руды. Почти вся остальная часть встречающегося в природе урана представлена другим изотопом - ураном-238, не способным поддерживать цепную реакцию.

Хотя уран-238 и не является расщепляющимся материалом, в ядерном реакторе он может быть преобразован в расщепляющийся плутоний-239. Данное обстоятельство позволяет сторонникам ядерной энергетики рассматривать уран-238 в качестве ключевого фактора долгосрочной перспективы развития ядерной энергетики. Действительно, реакторы могут быть сконструированы таким образом, чтобы производить из урана-238 больше расщепляющегося материала в форме плутония, чем потреблять в процессе производства энергии. Такие реакторы получили наименование "реакторы-размножители", а уран-238 - "исходное сырье". Для описания системы производства электроэнергии в реакторе-размножителе сторонники ядерной энергетики используют выражение "магический источник энергии", поскольку количество топлива на конечном этапе производства превышает его количество на начальной стадии (1). ¹

В 50-е и 60-е гг. предполагалось, что уран представляет собой чрезвычайно редкий ресурс. Ученые пришли к выводу, что потребности в урановых ресурсах при опоре при производстве энергии на реакторы-размножители будут значительно меньше, чем потребности в случае одноразового использования урана. Например, количество природного урана, сжигаемого в течение всего периода эксплуатации АЭС мощностью в 1000 мегаватт (2), использующей легководные реакторы (ЛВР - наиболее распространенный тип ядерного реактора), составляет 4000 т. Тогда как для реактора-размножителя аналогичной мощности необходимо лишь 40 т урана. Подобное стократное теоретически возможное сокращение потребления энергетического сырья убедило сторонников ядерной энергии в том, что реакторы-размножители, при условии извлечения плутония из облученного реакторного топлива (репроцессинга), станут сердцевиной магической ядерной энергетики будущего, когда ядерная энергия будет слишком дешевой, чтобы измерять ее стоимость (3). В то время прогнозы использования ядерной энергии были чрезвычайно завышенными. В начале 70-х гг. США предполагали довести мощности АЭС до 1 млн. мегаватт к 2000 г.. Однако, в действительности, в настоящее время мощности американских АЭС составляют около 10 процентов ранее прогнозировавшихся (порядка 100 тыс. мегаватт) и не увеличатся до 2000 г..

Теоретические аргументы в пользу реакторов-размножителей по-прежнему поражают воображение ядерных истэблишментов повсюду в мире. Но технические, экономические, политические, экологические и военные реальности, взятые вместе, превращают основанную на плутонии энергетическую систему экономически нерентабельной, экологически опасной, дипломатически щекотливой и рискованной в военном отношении.

Технические и экономические трудности

Данная статья сфокусирована на реакторе-размножителе с натриевым охлаждением (также известного как реактор на быстрых нейтронах) - основном типе разработанного подобного реактора. Десятки миллиардов долларов были затрачены на исследования, разработки и демонстрацию данной технологии в целом ряде стран, включая Соединенные Штаты, Россию, Францию, Великобританию, Индию, Японию и Германию. Но эта технология до сих пор не достигла стадии коммерческого использования - не был создан ни один мало-мальски надежный реактор по производству энергии и "размножению" топлива. Общая мощность реакторов-размножителей достигает около 2600 мегаватт, что составляет лишь 0,8 процента мощности мировой ядерной энергетики в 340 тыс. мегаватт. В свою очередь, АЭС производят 12 процентов мирового производства электроэнергии. На реакторы-размножители приходится не только крайне незначительная доля электроэнергии, вырабатываемой АЭС, но и нетто-производства расщепляющихся материалов. Более того, вероятно, что реакторы-размножители оказазлись нетто-потребителями расщепляющихся материалов.

Почти половина мощности мировых реакторов-размножителей приходится на единственном реакторе Суперфеникс во Франции, который сталкивается перед серьезными проблемами в процессе эксплуатации и в настоящее время не используется в качестве реактора-размножителя. Сейчас он выступает как чистый потребитель расщепляющихся материалов и используется, в основном, как исследовательский объект для исследований в области расщепления плутония и других аналогичных элементов, именуемых актинидами. Остальные 10 процентов мощностей сосредоточены на реакторе Монджу в Японии (мощностью 280 мегаватт). В декабре 1995 г., всего через 8 месяцев после начала его эксплуатации, на нем произошла серьезная авария.

Японский реактор-размножитель "Монджу" в разрезе. Два контура охлаждения содержат натриевый охладитель. В декабре 1995 г. во втором контуре произашла утечка натриевого охладителя.

Большинство реакторов-размножителей за пределами Франции и Японии используют урановое, а не более технически сложное плутониевое топливо. Российский реактор с натриевым охлаждением БН-600 работает преимущественно на ВОУ-топливе, а БН-350 в Казахстане в настоящее время функционирует на базе урана со средней степенью обогащения.

Конструирование и эксплуатация реакторов-размножителей связана с рядом проблем:

1. Процессы в реакторах-размножителях гораздо труднее поддаются контролю по сравнению с легководными реакторами из-за того, что неуправляемые ядерные реакции (а имеется риск полной утраты контроля, или "быстрой критичности") образуются гораздо легче в реакторах-размножителях, чем в легководных и других реакторах, использующих медленные нейтроны для цепных реакций.
2. Натрий, представляющий собой отличный охладитель, агрессивно реагирует с воздухом и взрывается при контакте с водой. Эти и другие факторы представляют серьезную проблему с точки зрения безопасности, выдвигают жесткие конструктивные требования и порождают значительные эксплуатационные трудности. Например, воздух и влага должны быть удалены из двух необходимых натриевых контуров охлаждения.
3. Присутствие плутония в качестве топлива в реакторе-размножителя порождает серьезные проблемы с точки зрения безопасности, что требует принятия более жестких мер защиты по сравнению с ЛВР.
4. Производство плутониевого топлива гораздо дороже, чем производство уранового топлива. Плутоний более радиоактивен, и требует более строгих мер безопасности.
5. Выделение плутония из отработавшего топлива для того, чтобы обеспечить его повторное использование в АЭС (репроцессинг), также связано с большими затратами и порождает множество проблем с точки зрения безопасности и экологии. (Репроцессинг будет рассмотрен в следующем выпуске "Энергетики и безопасности").
6. Присутствует более высокий риск катастроф. Более серьезные последствия подобных аварий диктуют необходимость принятия более жестких мер безопасности.

   В настоящее время большинство программ в области реакторов-размножителей приостановлено или прекращено по причине высоких финансовых затрат и приведенных выше проблем при эксплуатации. В Соединенных Штатах, Германии и Великобритании реализация этих программ может быть прекращена или сокращена до уровня вялотекущей исследовательской деятельности. Японская программа испытывает значительные трудности в результате произошедшей в декабре 1995 г. аварии, вызванной утечкой натрия, на реакторе в Монджу. Эксплуатация этого реактора не возобновится в течение нескольких лет, если возобновится вообще. Во Франции пока нет планов создания новых реакторов-размножителей. Великобритания и Германия вышли из проекта по созданию европейского реактора-размножителя. В результате индийской программы была построена небольшая экспериментальная установка. Российские планы в области этих реакторов были приостановлены из-за недостаточного финансирования.

   Стоимость и технические проблемы реакторов-размножителей, репроцессинга и производства плутониевого топлива привели к более высоким чистым затратам на реакторы-размножители по сравнению с реакторами на урановом топливе. Более того, уран встречается в природе гораздо более часто, чем это предполагалось в 50-е и 60-е гг.. Вместо того, чтобы расти, цены на уран, в целом, сократились в реальном измерении в течение нескольких последних десятилетий (см. Таблицу ниже).

   
   

   Цены на урановую руду по долгосрочным контрактам в долларах 1995 г. (все цифры округлены) *

   Год	Цены, долл.США/1 кг урана U
   1960	100
   1970	50
   1980	90
   1990	60
   * Для конвертации цен в долл. 1995 г. был использован индекс цен производителей.

   
   

   Более того, в течение последних десяти лет рыночные цены "спот" (цены свободного рынка в каждое данное время) были значительно ниже цен по долгосрочным контрактам. Например, в 1990 г. цены "спот" составляли примерно 30 долл. за 1 кг урана - лишь половину контрактной цены. За последнюю пару лет цены "спот" варьировались между 20 и 40 долл. за 1 кг. Низкие цены на уран частично связаны с сократившимся потреблением из-за сокращения по сравнению с планировавшимся темпами ввода в эксплуатацию новых реакторов.

   Ценность и стоимость плутония
   

   Еще до создания системы производства электроэнергии на базе реакторов-размножителей, плутоний может быть использован в качестве топлива в легководных и других реакторах, не предназначенных для его "размножения". В любом случае, от одной четверти до одной трети энергии ЛВР вырабатывается с использованием плутония, образующегося в топливных стержнях из урана-238 в процессе эксплуатации реактора. Далее, отработавшее топливо ЛВР обычно содержит около 0,7 процента расщепляющихся изотопов плутония. Этот плутоний, хотя его количество гораздо меньше количества расщепляющихся материалов, используемых в реакторе, может быть извлечено для повторного использования в качестве топлива.

   Однако большинство реакторов не могут функционировать, используя чистый плутоний. Общее количество расщепляющихся материалов (уран-235 плюс расщепляющиеся изотопы плутония) должно быть значительно меньше максимально допустимого уровня - порядка 5 процентов для большинства типов ЛВР. Плутоний переводится в оксидную форму, смешивается с оксидом урана (в основном, с ураном-238 с добавлением примерно 0,2 процента урана-235). В результате образуется смешанное оксидное топливо (МОХ-топливо, от англ. mixed-oxide (MOX) fuel). Таким образом, казалось бы, даже в отсутствие реакторов-размножителей плутоний может использоваться в качестве топлива ядерных реакторов.

   Хотя данный аргумент представляется корректным с точки зрения физики, он не выдерживает критики с экономических позиций. Для определения практической экономической ценности плутония следует принимать во внимание стоимость его переработки и производства топлива и сравнить его со стоимостью других видов топлива. Наиболее детальным и современным независимым исследованием по данному вопросу является доклад по различным типам реакторов, используемым для утилизации плутония, который был опубликован Национальной Академией наук (НАН) США в 1995 г..

   Доклад НАН оценивает стоимость переработки и производства реакторного топлива на базе низкообогащенного оксида урана (с обогащением 4,4 процента) в 1400 долл. за 1 кг в ценах 1992 г., при условии, что цена 1 кг природного урана составляет 55 долл. за 1 кг.. Стоимость производства МОХ-топлива, даже при условии наличия бесплатного плутония (т.е. извлеченного из избыточных ядерных боезарядов) составит 1900 долл. за 1 кг в ценах 1992 г., исключая налоги и страховку (4). Более высокая стоимость МОХ-топлива означает, что ежегодные затраты на полную загрузку реактора мощностью в 1000 мегаватт данным видом топлива будут на 15 млн.долл. выше, чем на урановое топливо для реактора аналогичной мощности. В течение всего срока эксплуатации реактора разница между МОХ- и урановым топливом будет выше на 450 млн. долл. (в ценах 1992 г.), даже если плутоний будет бесплатным. Это эквивалентно примерно 500 млн.долл. в ценах 1995 г.. Стоимость утилизации отработавшего МОХ-топлива также, вероятно, будет выше стоимости утилизации уранового топлива, поскольку оно более радиоактивно и содержит вдвое-втрое большее количество остаточного плутония.

   Ясно, что до тех пор, пока цены на уран относительно низки, использование МОХ-топлива нерентабельно даже при наиболее благоприятных условиях: когда сам плутоний бесплатен, а цены на уран превышают нынешние рыночные цены "спот". Разница в стоимости еще более увеличится, если принять во внимание затраты на репроцессинг, так как он потребует в течение всего срока эксплуатации реактора выделения дополнительно сотен миллионов долларов на каждый реактор.

   Как отметила НАН в докладе 1994 г., тот факт, что плутоний представляет собой энергетическую ценность с физической точки зрения, не означает его экономическую рентабельность. Нефть, содержащаяся в сланцах, также физически можно использовать в качестве топлива. Но стоимость ее извлечения по сравнению с затратами на добычу нефти из обычных месторождений не позволяет использовать ее, как и плутоний, в качестве экономически выгодного источника энергии. Кроме того, плутоний представляет угрозу с точки зрения распространения ядерного оружия, что также сопряжено со значительными убытками, хотя их и трудно измерить.

   Опасности распространения
   

   Хотя энергетический плутоний и имеет другой изотопный состав по сравнению с оружейным, его можно использовать в ядерном взрывном устройстве, как это было продемонстрировано Комиссией по атомной энергии Соединенных Штатов в ходе успешного ядерного испытания, проведенного в 1962 г.. Продолжающийся репроцессинг и использование плутония несут двоякую угрозу. Во-первых, растущие запасы коммерческого наработанного плутония подрывают международно-правовые обязательства по разоружению. Даже если он ведется в коммерческих целях, репроцессинг плутония может восприниматься как создание дополнительных запасов оружейных материалов. В краткосрочной перспективе это может подорвать эффективные глобальные переговоры по прекращению производства расщепляющихся материалов, а в долгосрочном плане - Договор о нераспространении ядерного оружия, согласно статье VI которого государства-участники приняли обязательство вести переговоры в духе доброй воли по выработке эффективных мер по скорейшему прекращению гонки вооружений и ядерному разоружению.

   Другая опасность заключается в проникновении плутония на черный рынок. Энергетическая стоимость плутония определяется ценой на уран. Предполагая, что цена 1 кг урана составляет 40 долл., стоимость 1 кг урана-235 достигает 5600 долл.. Поскольку выделение энергии на единицу распада у плутония-239 и урана-235 примерно одинаково, теоретическая цена расщепляющегося плутония эквивалентна примерно 5600 долл. за 1 кг. Реакторный плутоний также содержит нерасщепляющиеся изотопы, что снижает цену до 4400 долл. за 1 кг (5). От 6 до 10 кг реакторного плутония достаточно для создания ядерной бомбы, что определяет ее цену в плутониевом эквиваленте от 26400 до 44000 долл.. Однако ценность плутония на потенциальном черном рынке, где основным стимулом выступает приобретение доступа к ядерному оружию, несомненно, намного превышает приведенные оценки. Опасность проникновения плутония на черный рынок особенно остра в России, где угроза несанкционированного использования возрастает в связи с ослаблением централизованного контроля в сочетании с ростом организованной преступности и трудным экономическим положением.

   
   

   От реакторов к оружию

   Размер плутониевой начинки бомбы, взорванной над Нагасаки, может легко уместиться в руке взрослого человека.

   В настоящее время количество наработанного коммерческого плутония достаточно для создания от 20 до 30 тыс. единиц примитивного, но высокоэффективного ядерного оружия.

   К 2000 г. общее количество наработанного плутония в невоенном секторе, как ожидается, превысит запасы плутония в мировых ядерных арсеналах.

   
   

   Долгосрочные проблемы энергетики
   

   В настоящее время экономические характеристики плутония настолько очевидны, что они не создают основы для серьезных дискуссий относительно его использования в качестве источника энергии в ближней и среднесрочной перспективе. Однако сторонники использования плутония в энергетических целях указывают на долгосрочные потребности энергетики в качестве аргумента в пользу создания и поддержания инфраструктуры для использования плутония.

   Нынешние оценки урановых ресурсов, доступных по цене в 80 долл. за 1 кг (что значительно ниже цены, при которой МОХ-топливо могло бы быть конкурентоспособным), составляют 3,3 млн. т, что достаточно на 6-7 десятилетий традиционного использования урана при сохранении нынешних уровней производства энергии на АЭС. Эти оценки не принимают во внимание интенсивную геолого-разведочную деятельность, которая сопровождает реальный рост цен. Весьма показательна история с разведкой нефти и газа. Рост цен в 1972-74 гг. был вызван политикой по ограничению производства и фиксированию цен, проводившейся Огранизацией стран-экспортеров нефти (ОПЕК). Однако рост цен привел к резкому увеличению геолого-разведочной деятельности, в результате чего количество стран-экспортеров нефти и ее предложение возросли столь существенно, что сегодня реальная цена нефти ниже той, которая была в 1974 г.. Реальные цены на уран имеют тенденцию к снижению (за исключением периода 70-х гг., когда они следовали повышательной тенденции нефтяных цен), что может привести к некоторому сокращению нынешних оценок запасов природного урана. Несмотря на чьи-либо взгляды о будущем ядерной энергетики, не имеет большого смысла инвестировать сегодня огромные средства в использование плутония в качестве топлива, в то время как, в лучшем случае, экономическая рентабельность такого использования станет реальностью через многие десятилетия. Использование плутония имеет еще меньше смысла, если рассматривать его в контексте ограниченных экономических ресурсов, которые было бы лучше направить на улучшение окружающей среды и укрепление безопасности, а также в отрасли с быстрой экономической отдачей, как, например, электростанции на базе природного газа или биомассы, производство солнечной энергии в комбинации с использованием природного газа, или повышение эффективности энергопользования.