Требования к топливу для реакторов

Оценка мировых ресурсов урана

Оценивая ресурсы урана на основе только стоимостных категорий и существующих типов реакторов, можно сделать вывод, что их достаточно для использования лишь в течение половины столетия. По сравнению с большинством других полезных ископаемых это является верхним пределом из всех существующих надежных ресурсов. Дальнейшие геологические исследования и более высокие цены на уран неизбежно приведут к использованию иных ресурсов, поскольку существующие рано или поздно будут исчерпаны. Можно ожидать, что двойное увеличение цены по сравнению с существующим уровнем десятикратно увеличит оценку существующих ресурсов. Более широкое распространение реакторов на быстрых нейтронах (быстрых реакторов-размножителей или реакторов-бридеров) могло бы шестидесятикратно (и более) увеличить эффективность использования урана. Этот тип реакторов может работать на плутониевом топливе, произведенном в обычных реакторах, и эксплуатироваться в замкнутом цикле с собственным заводом по переработке отходов. Каждый такой реактор, загруженный первоначально естественным ураном, очень быстро достигает стадии, когда каждая тонна руды выдает в 60 раз больше энергии, чем в обычном реакторе.

Все, вместе взятые, ядерные реакторы в мире с общей мощностью 350 ГВт требуют приблизительно 75000 тонн концентрата двуокиси урана каждый год. Одновременно со все более и более продуктивным использованием этой мощности (с более высокими коэффициентами использования) повышаются и требования к урановому топливу. Факторы, увеличивающие потребности в топливе, возмещаются тенденцией к его более эффективному выгоранию в реакторах, и поэтому спрос на урановое топливо в настоящее время стабилен. В течение последних 18 лет (с 1993 года) количество электроэнергии, произведенной на ядерных установках, увеличилось в 5,5 раз, то время как потребление урана возросло только в 3 раза. Вероятно, что ежегодное потребление урана начнет слегка возрастать только после 2010 года. Эффективность топлива измеряют в МВт днях на тонну урана (МВт день/т), и многие страны увеличивают начальное обогащение топлива (например, от 3,3% до 4,0% U-235) и затем сжигают его более долго, оставляя лишь 0,5% U-235 в топливе. Это приводит к тому, что выгорание увеличивается от 33000 МВт день/т до 45000 МВт день/т. С другой стороны, низкие цены на уран подразумевают, что обогатительные предприятия должны функционировать таким образом, чтобы удовлетворять требования к топливу и не отправлять большое количество U-235 в отвал[37].

Переработка топлива, отработанного в обычных легко-водных реакторах, также способствует более эффективному использованию существующих ресурсов (с коэффициентом до 1,3). В настоящее время плутоний, пригодный для реакторов и являющийся результатом переработки, используется в смешанном с обедненным ураном, так называемом «окисном топливе» (MOX-топливо). Другой фактор, который может аналогично влиять на уровень потребления урана – топливный цикл, развиваемый в настоящее время Кореей и Канадой. Эта схема позволяет использовать на реакторах «CANDU» отработанное в водяных реакторах топливо без дополнительной химической переработки. Реакторы CANDU в настоящее время работают на естественном урановом топливе (0,7% U-235) с выгоранием приблизительно 7500 МВт день/т. Эти реакторы могут слегка «подпитываться» обогащенным урановым топливом (до 1,2% U-235) и увеличивать выгорание до 20000 МВт день/т без существенных конструктивных изменений. И это уже делается, поскольку цены на уран непрерывно увеличиваются. Целью всех способов повышения эффективности в использовании топлива является, в конечном счете, уменьшение количества добычи урана для обеспечения топливом каждого произведенного киловатт-часа электроэнергии.