В 1954 г. в СССР деление ядер урана впервые было использовано для получения электроэнергии. В последующие годы ядерная энергетика интенсивно развивалась, и в 1976 г. установленная мощность атомных электростанций в мире составляла 77 млн. кВт. Хотя в последние годы мировые темпы роста ядерной энергетики несколько снизились, однако повышение цен на нефть на мировом рынке, ознаменовавшее конец эры дешевой энергии, дало новый импульс ядерной энергетике как основной альтернативе органическому ископаемому топливу.
Ископаемым сырьем для приготовления ядерного топлива, пригодным для загрузки в ядерные реакторы,
служат природный уран и торий. Торий пока еще не нашел практического применения в ядерной энергетике, но многие авторы отмечают его перспективность. Природный уран — это смесь изотопов с атомной массой 238 (238U) и 235 (235U) при концентрации 235U — 7,14 кг/т.
Уран — распространенный на Земле элемент, однако концентрация его в естественных веществах, как правило, весьма низкая. В земной коре уран в основном содержится в первичных породах. Средняя массовая концентрация урана в них примерно 2,8·10-6, т. е. 2,8 г на 1 т породы, а в гранитах около 4·10-6. Уран как бы размазан по первичным породам земной коры, толщина которой для континентов около 35 км, а под океанами 6—8 км. В морской воде, которая некоторыми специалистами рассматривается как возможная перспективная топливная база ядерной энергетики, содержится около 5-109 т природного урана. Однако его концентрация, составляя около 3,4-10-6 г/л, настолько мала, что для извлечения только 1 млн. т урана необходимо было бы пропустить через установки, добывающие уран, 0,3Х1012 км3 воды.
Из приведенных цифр ясно, что общее количество урана, содержащегося в земной коре и в водах Мирового океана, огромно и могло бы полностью покрыть потребности человечества в энергии на очень длительное время. Однако, как и в случае органических топлив, основной вопрос состоит в том, каковы экономически извлекаемые запасы урана и как на их основе определить возможное количество энергии, которое можно из них получить.
В ядерной энергетике роль природной топливной базы существенно отличается от ее роли в энергетике, основанной на органическом топливе. Эффективность сжигания различных видов органического топлива практически одинакова, и при оценке перспективности органического топлива главный фактор, подлежащий оценке, — геолого-экономическая характеристика топливной базы. В ядерной энергетике положение иное. Наиболее распространенные в настоящее время реакторы на тепловых нейтронах утилизируют в основном только энергию деления изотопа 235U. Однако так называемые реакторы на быстрых нейтронах позволяют расширить топливную базу ядерной энергетики в 30—40 раз благодаря превращению урана в новое делящееся вещество. Поэтому перспективность ядерной энергетики и то, что следует назвать ресурсами ядерного топлива, существенно зависят от применяемых типов ядерных энергетических реакторов.
Основную долю в стоимости электроэнергии, производимой на атомных электростанциях, составляют затраты, зависящие от капитальной стоимости самого ядерного реактора. Другая значительная составляющая — затраты на переработку уже добытого ядерного топлива. Дело в том, что ядерное топливо в своей природной форме не может использоваться как топливо в ядерных реакторах и должно пройти весьма сложный и дорогостоящий процесс переработки и обогащения, связанный с тем, что наиболее распространенные реакторы с водным теплоносителем не могут работать на природном уране и требуют более высокого содержания изотопа 235U. После добычи и рудного обогащения основные этапы этого процесса — конверсия окиси урана U3O8 в газообразное соединение UF6, а также изотопное обогащение и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов). Вот почему затраты на добычу природного ядерного топлива вносят сравнительно небольшой вклад в стоимость утилизируемой ядерной энергии. По оценкам в середине 80-х годов доля затрат на собственно добычу природного урана составит в суммарных затратах на атомных электростанциях лишь около 11 % [4].
Возможное удорожание природного урана приведет, конечно, к повышению стоимости электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях. На рис. 2.2 показано влияние затрат на добычу урана на приведенные затраты на вырабатываемую атомной станцией электроэнергию. Для сравнения здесь же даны аналогичные затраты для угольной электростанции на Среднем Западе США.
Из рис. 2.2 следует, что первоочередная задача изучения топливной базы ядерной энергетики состоит в определении ресурсов природного урана при затратах на добычу до 90—110 долл/кг. Действительно, определение ресурсов более дорогого урана для ядерной энергетики, базирующейся на обычных типах реакторов, пока должно считаться неактуальным. Стоимость же энергии, производимой с помощью реакторов на быстрых нейтронах, о которых будет рассказано в гл. 7, по существу не зависит от затрат на добычу природного урана. Поэтому для ядерной энергетики, базирующейся на таких реакторах, важно установить только порядок ресурсов, хотя бы даже и дорогих.
Оптимальная стратегия развития структуры ядерной энергетики на длительную перспективу состоит в постепенном вытеснении существующих типов реакторов реакторами на быстрых нейтронах. Последние находятся еще в стадии промышленной доводки. Поэтому с ' учетом оценок, приведенных выше, для ближайших 20—30 лет важно определить ресурсы дешевого урана, а для дальнейшего периода только оценить порядок ресурсов, не особенно заботясь о размере затрат на добычу.
Рис. 2.2. Влияние затрат на добычу природного урана на стоимость вырабатываемой на АЭС электроэнергии.
Имеющиеся оценки показывают, что мировые запасы дорогого урана весьма велики. Так, ресурсы урана при затратах на извлечение до 200 долл/кг урана составляют примерно 107—108 т, а до 500 долл/кг — около 109 т.
Известны весьма крупные месторождения бедных ураноносных пород. Так, в нефтеносных сланцах Чаттануги (США), где концентрация урана достигает 25— 80 г/т, по имеющейся оценке содержится примерно 4-106 т урана.
Имея в виду, что 1 т природного урана при использовании в реакторах на быстрых нейтронах эквивалентна примерно 106 т условного топлива, приведенная выше оценка (107—108 т) природного урана оказывается эквивалентной 1013—1014 т условного топлива. Таким образом, при ориентации ядерной энергетики на такие реакторы извлекаемых ресурсов природного урана в мире достаточно на очень длительный срок. В этих условиях нецелесообразно развертывать исследования по использованию «сверхдорогих» ресурсов урана, например содержащегося в морской воде. Также не актуальна проблема уточнения затрат на извлечение урана из бедных руд.
Оценки ресурсов дешевого урана по ряду регионов мира довольно многочисленны, однако к ним нужно подходить с некоторой осторожностью. Основания для этого следующие. Во-первых, изучаемые объекты и методы оценки у разных авторов различны. Однако публикуемые результаты не содержат, как правило, сведений о том, какой объект изучался и каким методом пользовался автор. Поэтому их проверка затруднена. Во-вторых, методология геологического прогнозирования еще весьма несовершенна. В-третьих, оценка запасов дешевых ресурсов и ее надежность прежде всего определяются степенью разведанности территории. Большинство регионов мира разведаны недостаточно.
Таблица 2.1
Кроме того, надо иметь в виду, что характер сведений о запасах дешевых потенциальных ресурсов зависит от стратегии фирмы или правительственной организации, которая их сообщает; мотивы, влияющие на эту оценку, могут быть самыми разнообразными и их очень трудно выявить.
Один из ключевых вопросов при оценке ресурсов — это степень разведанности территории. В табл. 2.1 приведены данные о распределении запасов урана по различным регионам мира, относящиеся к середине 1976 г.
Если пересчитать эти данные на площадь территории соответствующих стран, то окажется, что, например, плотность запасов дешевого урана в США составляет
46 кг/км2, в Канаде — 19 кг/км2, во Франции — 87 кг/км2, а по категории так называемых прочих стран, значительно больших по общей территории тех, что приведены в таблице, плотность запасов составляет только 1 кг/км2. Конечно, нет оснований считать, что любая страна так же богата ураном, как, например, Южная Африка. Но маловероятна и гипотеза, что при общей относительной рассредоточенности урана по первичным породам земной коры плотность запасов урана на 56% суши в 50 раз ниже, чем в США или Австралии. Причина, по-видимому, в другом — недостаточной разведанности территории большинства стран или в сокрытии собственных запасов урана. По-видимому, этот недостаток имеют и большинство других опубликованных данных, и, в частности, данные, приведенные на X Мировой энергетической конференции. В соответствии с этим последним источником общие ресурсы урана по цене до 130 долл/кг составляют 4,17 млн. т. Такое количество урана при использовании в обычных реакторах соответствует 4-1010 т условного топлива, а при использовании в реакторах на быстрых нейтронах — около 1012 т условного топлива. Как указывалось выше, при использовании реакторов на быстрых нейтронах стоимость добычи урана не имеет существенного значения. Поэтому при использовании таких реакторов природный уран, хотя и является невозобновляемым источником энергии, станет практически неограниченным топливным ресурсом.
