Гигаватты из песка. Индия становится лидером ториевой энергетики

На берегу Бенгальского залива, в самом южном индийском штате Тамил-Наду (т. е. Земля тамилов), расположен небольшой городок Калпаккам. Его называют атомной столицей Индии. Именно там в 1971 г. был основан Центр реакторных исследований, с 1985 г. называющийся Центром атомных исследований им. Индиры Ганди (IGCAR). Там же, в Калпаккаме, действует Мадрасская АЭС, состоящая из двух энергоблоков электрической мощностью 220 МВт каждый. Они были введены в эксплуатацию в 1984 и 1986 гг. Это первые блоки, спроектированные и построенные индийцами полностью самостоятельно.

В 2004 г. на Мадрасской АЭС началось строительство разработанного IGCAR прототипа быстрого реактора-размножителя (PFBR) мощностью 500 МВт. В феврале 2017 г. было объявлено о завершении строительных работ и о планах ввести PFBR в эксплуатацию в октябре 2017 г. Тогда же стало известно, что департамент атомной энергии построит в Калпаккаме еще два PFBR мощностью 600 МВт каждый.

На днях о подробностях этого проекта рассказали газета The Times of India и американский сайт Futurism, посвященный технологиям будущего. Успешный запуск PFBR будет означать, что Индия стала технологическим лидером в атомной энергетике. Как отметил генеральный директор Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Юкия Амано, "быстрые реакторы-размножители позволяют извлечь на 70% больше энергии, чем традиционные реакторы, и являются более безопасными при одновременном сокращении долгоживущих радиоактивных отходов в несколько раз".

Впрочем, для Индии цена вопроса не сводится к экономической выгоде и экологическим преимуществам. Хотя эти соображения, конечно, очень важны, но сами по себе они вряд ли подвигли бы индийское правительство на финансирование разработки новой ядерной технологии. Главным стимулом стало желание обеспечить энергетическую безопасность своей страны и независимость от внешних поставщиков ядерного топлива.

Именно поэтому индийский опыт особенно интересен для Украины.

Расплата за "Улыбающегося Будду"

Индийская атомная программа была начата еще в 1950-х годах, но сразу же столкнулась с рядом проблем. На решение некоторых из них, таких как нехватка финансовых ресурсов, дефицит высококвалифицированных кадров, зависимость от иностранных технологий, потребовались десятилетия. Однако две проблемы, судя по всему, останутся с Индией навсегда.

Прежде всего это отсутствие достаточных запасов природного урана. Как следствие, Индия зависит от зарубежных поставщиков ядерного топлива. Такая же проблема стоит и перед Украиной.

Второй проблемой Индии, унаследованной еще со времен Индиры Ганди, является ее категорическое неучастие в Договоре о нераспространении ядерного оружия. Этот договор был одобрен Генеральной Ассамблеей ООН в 1968 г. и к настоящему времени подписан 191 страной. Украина, напомним, присоединилась к нему в 1994 г. в обмен на "гарантии" по Будапештскому меморандуму.

Договор накладывает весьма жесткие требования по контролю за обращением делящихся материалов, с тем чтобы предотвратить расширение круга государств, обладающих ядерным оружием. Такими странами, согласно договору, считаются те, которые произвели ядерные взрывы до 1 января 1967 г., т. е. СССР (и его правопреемник Россия), США, Великобритания, Франция и Китай. Отказались подписать договор Израиль, Индия и Пакистан, отозвала свою подпись Северная Корея. Это те государства, которые обзавелись ядерным оружием позже "легитимной" пятерки ядерных держав.

Индия произвела свое первое испытание ядерного оружия 18 мая 1974 г. Тогда в пустыне Тар в штате Раджастхан был взорван ядерный заряд мощностью 8 килотонн. После этого испытания, названного "Улыбающийся Будда", стало ясно, что уже ни США, ни даже СССР не передадут Индии никаких технологий по разделению изотопов урана.

Как известно, единственный изотоп, с которого можно начинать ядерный цикл, — это уран-235. Его доля в природном уране составляет лишь 0,72%, а остальные 99,28% — это уран-238, который ядерным топливом не является. Обычная ядерная технология заключается в том, что природный уран обогащается (т. е. в нем повышается доля урана-235) для производства энергии на АЭС, а оставшаяся "обедненная" масса (в основном уран-238) выбрасывается в отходы.

Обходной путь через CANDU

Тем не менее Индия нашла способы, как обойти обе эти проблемы. Что касается разделения изотопов, то оно не является обязательным условием для развития атомной энергетики. Еще в начале 1960-х в Канаде был создан PHWR — тяжеловодный реактор под давлением, получивший название CANDU (Canada Deuterium Uranium). Он использует в качестве топлива обычный природный уран. Этот тип реактора был получен Индией в рамках сотрудничества с Канадой в начале 1970-х, однако после "Улыбающегося Будды" кооперация была свернута по канадской инициативе, и Индия продолжила эксплуатацию и дальнейшую модификацию оригинальной конструкции реактора CANDU уже сама. Энергоблоки Мадрасской АЭС стали первыми из этой серии.

В настоящее время в Индии работают 22 энергоблока на семи АЭС общей мощностью 6780 МВт, или 6,78 ГВт. Из них 18 блоков — типа PHWR. Близится к завершению строительство еще четырех блоков того же типа по 700 МВт. А в мае 2017 г. правительство Индии одобрило строительство еще 10 реакторов типа PHWR по 700 МВт каждый. Таким образом, после реализации всех этих проектов, включая запуск PFBR в Калпаккаме, общая мощность индийских АЭС вырастет в 2,5 раза по сравнению с нынешней.

Власти страны ожидают, что строительство 10 новых реакторов обеспечит заказы для национальной промышленности на 700 млрд рупий ($11 млрд) и создаст более 33 тыс. рабочих мест. В заявлении правительства подчеркивается, что это будет одним из флагманских проектов "Сделай в Индии".

Стоит отметить, что в самой Канаде на данный момент работают 19 реакторов CANDU, еще четыре — в Южной Корее, по два — в Китае и Румынии, по одному — в Аргентине и Пакистане. Отсюда видно, что Индия уже становится лидером в использовании технологии PHWR. Но индийцы не только глубоко модернизировали канадский реактор, но еще и научились использовать его для того, чтобы обойти другую свою проблему — дефицит природного урана.

Ториевый опыт индийцев

Хотя Индия почти лишена запасов природного урана, но в то же время она обладает крупнейшими промышленными запасами тория. Его единственный природный изотоп торий-232, как и уран-238, не является ядерным топливом, но может превращаться в него в бридерах — реакторах-размножителях.

В отличие от остальных реакторов бридеры производят не только энергию (тепловую и электрическую), но и новое ядерное топливо, причем даже в больших количествах, чем имелось первоначально (отсюда и название — размножители). Такие реакторы имеют две зоны: активную, где используется высококачественное ядерное топливо, и зону размножения, куда загружаются энергетически "бедные" изотопы, такие как уран-238 и торий-232, которые служат сырьем для производства нового топлива.

Реакторы-размножители называются быстрыми не потому, что они работают быстрее, а потому, что в их активной зоне нет замедлителей нейтронов, как в остальных реакторах. Функцию замедлителя выполняет зона размножения, при этом энергия нейтронов расходуется на превращение энергетически "бедных" изотопов в "богатые", пригодные для использования в качестве ядерного топлива.

В настоящее время в мире действуют всего два бридера, вырабатывающих энергию в коммерчески выгодных масштабах. Оба они работают на Белоярской АЭС в Свердловской области РФ. Первый, мощностью 600 МВт, был запущен в 1980 г., второй, на 880 МВт, — в 2015-м. В этих реакторах в зоне размножения размещен уран-238. Работать с торием россияне не научились, и им негде получить этот опыт, они всегда работали только с ураном.

А вот индийцы необходимый опыт накопили благодаря своим реакторам PHWR. В этих реакторах можно легко загружать и выгружать каждую индивидуальную тепловыделяющую сборку с ядерным топливом, не производя полной остановки реактора, как, например, надо делать в случае с реакторами типа ВВЭР советской конструкции. Именно эта особенность реакторов PHWR позволила индийским ядерщикам провести наибольшее количество испытаний ториевых сборок в мире, причем именно на серийных, а не экспериментальных реакторах. Начиная с 1980-х годов Индия загрузила в свои реакторы в общей сложности более 230 ториевых сборок. Благодаря этому индийские ядерщики получили знания о работе различных типов топлива (оксидное и нитридное) из разных "наборок" активной зоны реактора, включая и смешанные урано-плутониево-ториевые загрузки.

И теперь все эти знания индийцы смогут использовать в собственном бридере PFBR, который будет запущен в октябре в Калпаккаме.

Топливо под ногами

Индийские запасы тория расположены в основном на самом юге Индостана и на берегу Бенгальского залива в виде россыпных песков очень темного (почти черного) цвета с характерным металлическим блеском, гораздо более тяжелых на вес, чем обычный песок. Они образуются при размывании вулканических пород в прибрежных водах.

В Индии уже давно налажены не только добыча ториевого песка на побережье и извлечение из него тория, но и изготовление и переработка (репроцессинг) ториевых сборок на радиохимическом заводе в Тарапуре. Планируется использовать эти сборки в новых реакторах PHWR для выравнивания энерговыделения уже в первой загрузке, что позволит выводить такие блоки на номинальную мощность уже на начальных стадиях пусковой программы.

Но особенно интересными обещают быть результаты использования различных смесей в бридере PFBR. Из урана-238 в зоне размножения должен получаться плутоний-239, а из тория-232 — уран-233, и оба конечных продукта можно будет использовать в качестве ядерного топлива. А также, кстати говоря, для производства ядерного оружия.

Газета The Times of India говорит, что новый ядерный реактор — это своего рода "акшая патра", мифический кубок с бесконечным запасом продовольствия. Правда, на самом деле в его зону размножения нужно будет периодически добавлять новые порции энергетически "бедных" изотопов. Но эффект все-таки потрясающий: из того, что считается отходами, будет производиться полноценное ядерное топливо, которое можно будет загружать в активную зону того же самого бридера. Иными словами, достаточно будет найти топливо для самой первой загрузки, а для всех последующих реактор произведет его сам из бросового сырья.

Газета подчеркивает, что ту же технологию сейчас пытается освоить Китай, но он "более чем на десятилетие отстает от Индии". И этот фактор, нужно сказать, имеет очень большое значение для индийцев, которым не нравится все время ощущать себя "догоняющими китайцев".

Сайт Futurism, в свою очередь, отмечает, что Индия, создав PFBR, явилась "новатором ядерной технологии, которая потенциально может стать самым большим источником энергии в стране". Сайт оценивает это как "большой шаг, тем более что ядерное деление остается единственным видом ядерной реакции, который нам удалось покорить, тогда как освоение термоядерного синтеза все еще находится в работе". Если у индийцев получится довести свою идею до успешной реализации, то они могут стать законодателями моды в данной сфере. А это, между прочим, тоже сулит немалые деньги, если на их реакторы возникнет спрос в мировом масштабе.

Ториевые запасы Украины

Торий встречается в нескольких минералах, включая торит, торианит и монацит. Помимо Индии, большими запасами ториевой руды обладают прибрежные регионы Австралии, Бразилии, Венесуэлы, США, Канады, Гренландии, Норвегии, Германии, Турции, Египта, Мадагаскара, ЮАР.

Довольно много монацитовых песков и на Азовском побережье Украины. Их концентрацию на пляжах от Бердянска до Таганрога изучала Азовская научно-исследовательская станция. Она подтвердила, что монацитовые пески на побережье встречаются повсеместно, но максимальная концентрация их зафиксирована между Бердянском и Мариуполем.

После Второй мировой войны было налажено производство тория для советского атомного проекта, но оно было свернуто в 1964 г., когда в Кремле окончательно отказались от широкого применения тория и решили построить всю систему как ядерного оружия, так и атомной энергетики на уране. В независимой Украине промышленной разработкой имеющихся залежей, конечно, никто не занимался, хотя некоторые объемы ториевой руды добывались из титано-циркониевых россыпей на юге Донецкой области.

Стоит отметить, что концентрация радиоактивных элементов в монацитовых песках Приазовья обычно очень низкая и радиационный фон от них не превышает санитарных норм. Кстати, в те недавние времена, когда были популярны пленочные "мыльницы", не приходилось слышать, чтобы у кого-то результаты многочисленных пляжных фотосессий были подпорчены коварным излучением "черных песков".