Гігават з піску. Індія стає лідером торієвої енергетики
На березі Бенгальської затоки, в самому південному індійському штаті Таміл-Наду (тобто Земля тамілів), розташований невелике містечко Калпаккам. Його називають атомної столицею Індії. Саме там у 1971 р. був заснований Центр досліджень реакторних, з 1985 р. називається Центром атомних досліджень ім. Індіри Ганді (IGCAR). Там же, в Калпаккаме, діє Мадрасская АЕС, що складається з двох енергоблоків сумарною потужністю 220 МВт кожен. Вони були введені в експлуатацію в 1984 і 1986 рр. Це перші блоки, спроектовані та збудовані індійцями повністю самостійно.
У 2004 р. на Мадрасской АЕС почалося будівництво розробленого IGCAR прототипу швидкого реактора-размножителя (PFBR) потужністю 500 МВт. У лютому 2017 р. було оголошено про завершення будівельних робіт та про плани ввести PFBR в експлуатацію в жовтні 2017 р. Тоді ж стало відомо, що департамент атомної енергії побудує в Калпаккаме ще два PFBR потужністю 600 МВт кожен.
Днями про подробиці цього проекту розповіли газета The Times of India і американський сайт Futurism, присвячений технологіям майбутнього. Успішний запуск PFBR буде означати, що Індія стала технологічним лідером в атомній енергетиці. Як зазначив генеральний директор Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) Юкія Амано, "швидкі реактори-размножители дозволяють витягти на 70% більше енергії, ніж традиційні реактори, і є більш безпечними при одночасному скороченні довгоіснуючих радіоактивних відходів у кілька разів".
Втім, для Індії ціна питання не зводиться до економічної вигоди і екологічних переваг. Хоча ці міркування, звичайно, дуже важливі, але самі по собі вони навряд чи спонукали б індійський уряд на фінансування розробки нової ядерної технології. Головним стимулом стало бажання забезпечити енергетичну безпеку своєї країни і незалежність від зовнішніх постачальників ядерного палива.
Саме тому індійський досвід особливо цікавий для України.
Розплата за "Усміхненого Будди"
Індійська атомна програма була розпочата ще в 1950-х роках, але відразу ж зіткнулася з низкою проблем. На рішення деяких з них, таких як нестача фінансових ресурсів, дефіцит висококваліфікованих кадрів, залежність від іноземних технологій, знадобилися десятиліття. Проте дві проблеми, судячи з усього, залишаться з Індією назавжди.
Насамперед це відсутність достатніх запасів природного урану. Як наслідок, Індія залежить від зарубіжних постачальників ядерного палива. Така ж проблема стоїть і перед Україною.
Другою проблемою Індії, успадкованої ще з часів Індіри Ганді, є її категоричне неучасть у Договорі про нерозповсюдження ядерної зброї. Цей договір був схвалений Генеральною Асамблеєю ООН у 1968 р. і до теперішнього часу підписаний 191 країною. Україна, нагадаємо, приєдналася до нього у 1994 р. в обмін на "гарантії" за Будапештським меморандумом.
Договір накладає досить жорсткі вимоги з контролю за обігом діляться матеріалів, з тим щоб запобігти розширенню кола держав, що володіють ядерною зброєю. Такими країнами, згідно з договором, вважаються ті, які справили ядерні вибухи до 1 січня 1967 р., тобто СРСР (і його правонаступник Росія), США, Великобританія, Франція і Китай. Відмовилися підписати договір Ізраїль, Індія і Пакистан, відкликала свій підпис Північна Корея. Це ті держави, які обзавелися ядерною зброєю пізніше "легітимною" п'ятірки ядерних держав.
Індія провела своє перше випробування ядерної зброї 18 травня 1974 р. Тоді в пустелі Тар в штаті Раджастхан був підірваний ядерний заряд потужністю 8 кілотонн. Після цього випробування, названого "Усміхнений Будда", стало ясно, що вже ні США, ні навіть СРСР не передадуть Індії ніяких технологій з розділення ізотопів урану.
Як відомо, єдиний ізотоп, з якого можна починати ядерний цикл, — це уран-235. Його частка в природному урані становить лише 0,72%, а решта 99,28% — це уран-238, який ядерним паливом не є. Звичайна ядерна технологія полягає в тому, що природний уран збагачується (тобто в ньому підвищується частка урану-235) для виробництва енергії на АЕС, а решта "збіднена" маса (в основному уран-238) викидається у відходи.
Обхідний шлях через CANDU
Тим не менш Індія знайшла способи, як обійти обидві ці проблеми. Що стосується поділу ізотопів, то воно не є обов'язковою умовою для розвитку атомної енергетики. Ще на початку 1960-х в Канаді був створений PHWR — тяжеловодный реактор під тиском, що отримав назву CANDU (Canada Deuterium Uranium). Він використовує в якості палива звичайний природний уран. Цей тип реактора був отриманий Індією в рамках співробітництва з Канадою на початку 1970-х, однак після "Усміхненого Будди" кооперація була згорнута по канадської ініціативи, і Індія продовжила експлуатацію і подальшу модифікацію оригінальної конструкції реактора CANDU вже сама. Енергоблоки Мадрасской АЕС стали першими з цієї серії.
В даний час в Індії працюють 22 енергоблоку на семи АЕС загальною потужністю 6780 МВт, або 6,78 ГВт. З них 18 блоків — типу PHWR. Наближається до завершення будівництво ще чотирьох блоків того ж типу по 700 МВт. А в травні 2017 р. уряд Індії схвалив будівництво ще 10 реакторів типу PHWR по 700 МВт кожен. Таким чином, після реалізації всіх цих проектів, включаючи запуск PFBR в Калпаккаме, загальна потужність індійських АЕС зросте у 2,5 рази у порівнянні з нинішньою.
Влада країни очікує, що будівництво 10 нових реакторів забезпечить замовлення для національної промисловості на 700 млрд рупій ($11 млрд) і створить понад 33 тис. робочих місць. В заяві уряду наголошується, що це буде одним з флагманських проектів "Зроби в Індії".
Варто зазначити, що в самій Канаді на даний момент працюють 19 реакторів CANDU, ще чотири — у Південній Кореї, по два — в Китаї і Румунії, по одному — в Аргентині та Пакистані. Звідси видно, що Індія вже стає лідером у використанні технології PHWR. Але індійці не тільки глибоко модернізували канадський реактор, але ще й навчилися використовувати його для того, щоб вирішити іншу проблему — дефіцит природного урану.
Торієвий досвід індійців
Хоча Індія майже позбавлена запасів природного урану, але в той же час вона володіє найбільшими промисловими запасами торію. Його єдиний природний ізотоп торій-232, як і уран-238, не є ядерним паливом, але може перетворюватися в нього в бридерах — реакторах-размножителях.
На відміну від інших реакторів бридеры виробляють не тільки енергію (теплову та електричну), але і нове ядерне паливо, причому навіть у великих кількостях, ніж було спочатку (звідси і назва — размножители). Такі реактори мають дві зони: активну, де використовується високоякісне ядерне паливо, та зону розмноження, куди завантажуються енергетично "бідні" ізотопи, такі як уран-238 і торій-232, які служать сировиною для виробництва нового палива.
Реактори-размножители називаються швидкими не тому, що вони працюють швидше, а тому, що в їх активній зоні немає уповільнювачів нейтронів, як в інших реакторах. Функцію сповільнювача виконує зона розмноження, при цьому енергія нейтронів витрачається на перетворення енергетично "бідних" ізотопів в "багаті", придатні для використання в якості ядерного палива.
В даний час в світі діють лише два бридера, що виробляють енергію в комерційно вигідних масштабах. Обидва вони працюють рр. на білоярській АЕС у Свердловській області РФ. Перший, потужністю 600 МВт, був запущений у 1980 р., другий, на 880 МВт, — в 2015-м. В цих реакторах у зоні розмноження розміщений уран-238. Працювати з торієм росіяни не навчилися, і їм ніде отримати цей досвід, вони завжди працювали тільки з ураном.
А ось індійці необхідний досвід накопичили завдяки своїм реакторів PHWR. У цих реакторах можна легко завантажувати і вивантажувати кожну індивідуальну тепловыделяющую збірку з ядерним паливом, не виробляючи повної зупинки реактора, як, наприклад, треба робити у випадку з реакторами типу ВВЕР радянської конструкції. Саме ця особливість реакторів PHWR дозволила індійським ядерникам провести найбільшу кількість випробувань торієвих збірок у світі, причому саме на серійних, а не експериментальних реакторах. Починаючи з 1980-х років Індія завантажила в свої реактори в загальній складності понад 230 торієвих збірок. Завдяки цьому індійські ядерники отримали знання про роботу різних типів палива (оксидне і нитридное) з різних "наборок" активної зони реактора, включаючи й змішані урано-плутониево-торієві завантаження.
І тепер всі ці знання вони зможуть використовувати у власному бридере PFBR, який буде запущений в жовтні в Калпаккаме.
Паливо під ногами
Індійські запаси торію розташовані в основному на самому півдні Індостану і на березі Бенгальської затоки у вигляді розсипних пісків дуже темного (майже чорного) кольору з характерним металевим блиском, набагато більш важких на вагу, ніж звичайний пісок. Вони утворюються при розмиванні вулканічних порід в прибережних водах.
В Індії вже давно налагоджені не тільки видобуток торієвого піску на узбережжі і витяг з нього торію, але й виготовлення і переробка (репроцессинг) торієвих збірок на радиохимическом заводі в Тарапуре. Планується використовувати ці збірки в нових реакторах PHWR для вирівнювання енерговиділення вже в першому завантаженні, що дозволить виводити такі блоки на номінальну потужність вже на початкових стадіях пускової програми.
Але особливо цікавими обіцяють бути результати використання різних сумішей в бридере PFBR. З урану-238 в зоні розмноження повинен виходити плутоній-239, а з торію-232 — уран-233, і обидва кінцевих продукту можна буде використовувати в якості ядерного палива. А також, до речі кажучи, для виробництва ядерної зброї.
Газета The Times of India каже, що новий ядерний реактор — це свого роду "акшая патра", міфічний кубок з нескінченним запасом продовольства. Правда, насправді в його зону розмноження потрібно буде періодично додавати нові порції енергетично "бідних" ізотопів. Але ефект все-таки приголомшливий: з того, що вважається відходами, буде проводитися повноцінний ядерне паливо, яке можна буде завантажувати в активну зону того ж самого бридера. Іншими словами, досить буде знайти паливо для самої першої завантаження, а для всіх наступних реактор зробить його сам з непридатного сировини.
Газета підкреслює, що ту ж технологію зараз намагається освоїти Китай, але він "більш ніж на десятиліття відстає від Індії". І цей фактор, треба сказати, має дуже велике значення для індійців, яким не подобається весь час відчувати себе "наздоганяють китайців".
Сайт Futurism, у свою чергу, відзначає, що Індія, створивши PFBR, з'явилася "новатором ядерною технологією, яка потенційно може стати найбільшим джерелом енергії в країні". Сайт оцінює це як "великий крок, тим більше, що ядерне ділення залишається єдиним видом ядерної реакції, який нам вдалося підкорити, тоді як освоєння термоядерного синтезу все ще знаходиться в роботі". Якщо у індійців вийде довести свою ідею до успішної реалізації, то вони можуть стати законодавцями моди в цій сфері. А це, між іншим, теж обіцяє чималі гроші, якщо на їх реактори виникне попит у світовому масштабі.
Торієві запаси України
Торій зустрічається в декількох мінералах, включаючи торує, торианит і монацит. Крім Індії, великими запасами торієвої руди мають прибережні регіони Австралії, Бразилії, Венесуели, США, Канади, Гренландії, Норвегії, Німеччини, Туреччини, Єгипту, Мадагаскару, ПАР.
Досить багато монацитовых пісків і на Азовському узбережжі України. Їх концентрацію на пляжах від Бердянська до Таганрога вивчала Азовська науково-дослідна станція. Вона підтвердила, що монацитовые піски на узбережжі зустрічаються повсюдно, але максимальна концентрація їх зафіксована між Бердянськом і Маріуполем.
Після Другої світової війни було налагоджено виробництво торію для радянського атомного проекту, але воно було згорнуто у 1964 р., коли в Кремлі остаточно відмовилися від широкого застосування торію і вирішили побудувати всю систему як ядерної зброї, так і атомної енергетики на урані. В незалежній Україні промисловою розробкою наявних покладів, звичайно, ніхто не займався, хоча деякі обсяги торієвої руди добувалися з титано-цирконієвих розсипів на півдні Донецької області.
Варто відзначити, що концентрація радіоактивних елементів в монацитовых пісках Приазов'я зазвичай дуже низька і радіаційний фон від них не перевищує санітарних норм. До речі, в ті недавні часи, коли були популярні плівкові "мильниці", не доводилося чути, щоб у когось результати численних пляжних фотосесій були зіпсовані підступним випромінюванням "чорних пісків".
