Человечество не может жить и развиваться без потребления энергии. Общеизвестно, что углеводородные ресурсы весьма ограничены. Разведанных запасов нефти при сегодняшнем уровне потребления человечеству хватит на 20 – 30 лет, газа – на 50-60 лет, угля – на 100 лет (но угольные станции из-за дороговизны транспортировки можно строить в непосредственной близости от угольных месторождений). Таким образом, даже без учета отрицательного влияния на экологию тепловых электростанций, единственным реальным источником энергии для человечества является атомная энергетика.
Современные технологии по строительству атомных станций позволяют обеспечивать практически абсолютную безопасность их работы. Современные атомные станции безаварийно могут выдержать почти все возможные отрицательные воздействия: землетрясения, наводнения, штормы и другие стихийные бедствия. Уровень защиты АЭС рассчитан на прямое падение любого самолета, попадания любого современного боеприпаса: снаряда, бомбы, ракеты с обычным взрывчатым веществом (неядерным).
По себестоимости электроэнергии атомные станции стоят на втором месте после гидроэнергетики. По экологическому воздействию на окружающую среду атомная энергетика является самой чистой и сравнима с альтернативными источниками энергии: солнечной, ветровой, приливной и др., которые большинство людей считает безвредными. Но так ли это? Например, при работе ветровых электростанций, их лопасти генерируют звуковые волны высокой интенсивности не только в слышимой звуковой части спектра, но, также, в инфразвуковой и ультразвуковой частях, которые отрицательно воздействуют на все живые организмы. При производстве солнечных элементов происходит сильное загрязнение окружающей среды, а кроме того, стоимость электроэнергии, производимой за весь срок службы солнечными элементами на сегодняшний день сравнима с себестоимостью самих солнечных элементов. Ветровая и солнечная энергетика требуют вывода из хозяйственного оборота огромных по площади территорий. А также они не являются стабильным (бесперебойным) источником энергии.
Таким образом, в ближайшие десятилетия не будет альтернативы атомной энергетике, как надежного и технологически отработанного источника энергии для человечества.

В настоящее время основным источником энергии для атомных станций является уран. Есть небольшое количество атомных станций, работающих на так называемом MOX топливе – смеси урана с плутонием. Но широкого распространения этот вид топлива не получил из-за опасности хищения плутония. Для получения урана обогащенного по изотопу U235 свыше 90% для создания ядерной бомбы необходимо обладать технологиями изотопного обогащения, которые являются высокотехнологичными, ресурсоемкими и засекреченными. Для получения плутония с целью создания атомной бомбы достаточно иметь химическую лабораторию и химика с институтской подготовкой. Поэтому, основным перспективным типом атомных станций являются атомные станции с топливом на уране с обогащением по изотопу U235 от 2% до 5%.

Из чего состоит ядерно-топливный цикл?

Первый этап – добыча природного урана из недр. Существуют три основных метода добычи.
Шахтный метод. Сооружается шахта, на поверхность поднимается урансодержащая порода – руда. После переработки на рудном тракте, где руда измельчается до необходимой фракции и обогащения, рудный концентрат перемещается на специальные площадки, где методом кучного выщелачивания получают продуктивные растворы. Из них методом сорбции на ионообменных смолах селективно извлекаются урансодержащие ионы урановых солей. Обратным процессом десорбции урансодержащие соли переводятся в товарный десорбат или элюат. Затем, из него осаждается желтый кек (yellow cake). Он действительно похож на бисквит желтого цвета. Далее, методом аффинажа получается первый товарный продукт – закись-окись природного урана U3O8.
Карьерный метод. На урановом месторождении создается открытый карьер, из продуктивного слоя которого извлекаются урансодержащие руды. Дальнейшая переработка руд и производство закиси-окиси производится аналогично шахтному методу.
Метод подземного скважинного выщелачивания (ПСВ). Преимущества этого метода заключаются в следующем. Нет необходимости в проведении ресурсоемких вскрышных работ. Не сооружаются дорогостоящие шахты или карьеры. На геотехнологическом поле бурится сеть скважин до урансодержащего горизонта. Эти скважины соединяются системой трубопроводов. Через закачную сеть трубопроводов в продуктивный горизонт подается выщелачивающий раствор, который проходя сквозь урансодержащую породу, переводит урановые соли в растворенное состояние. Затем, через откачные скважины из-под земли на поверхность извлекаются продуктивные растворы. Дальнейшая переработка урановых продуктов аналогична шахтному и карьерному методам. В отличие от первых двух методов, метод ПСВ оказывает минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду. Не создаются огромные отвалы, на поверхность не извлекаются радиоактивные породы. При этом, себестоимость горно-подготовительных работ снижается многократно.

Второй этап – конверсия. На этом этапе из закиси-окиси природного урана производят легколетучее соединение – гексафторид урана UF6. Температура сублимации UF6 56,40 C. Гексафторид урана производится обработкой оксидов урана концентрированной плавиковой кислотой HF, либо методом прямого фторирования.

Третий этап – обогащение. Природный уран состоит из трех основных изотопов: U238 с содержанием 99,27%, U235 с содержанием 0,7% и U234 с содержанием 0,0057%. Чтобы из урана можно было произвести топливо для атомной станции необходимо увеличить концентрацию изотопа U235 от 2% до 5%. Изотопы урана химическими методами разделить невозможно, поскольку они обладают абсолютно одинаковыми химическими свойствами. Единственным различием изотопов является их атомный вес. Поэтому для обогащения используют физические методы. На сегодня наиболее технологически отработанными и экономически целесообразными являются диффузионный и центрифужный методы изотопного разделения. В обоих методах процесс протекает в газообразном состоянии, поэтому используется гексофторид урана. Официально обогатительные предприятия могут действовать только на территории стран – членов «ядерного клуба» (США, Россия, Великобритания, Франция и Китай).

Четвертый этап – фабрикация топливных таблеток. Чтобы обогащенный уран заработал в атомной электростанции, необходимо изготовить топливную таблетку. Из обогащенного гексафторида урана получают порошок диоксида урана керамического сорта UO2 (реконверсия). Далее, из этого диоксида урана фабрикуются топливные таблетки. Во всем ядерно-топливном цикле это производство является одним из наиболее технологически сложных переделов. Таблетки должны отвечать очень строгим параметрам. Размеры, прочность, теплопроводность, пористость газопроницаемость, однородность структуры не могут отклоняться от значений, установленных техническими требованиями. При массовом производстве таблеток сотнями и тысячами тонн добиться этого весьма не просто.

Пятый этап – производство тепловыделяющих сборок (ТВС). На этом этапе, помещая топливные таблетки в циркониевые трубки, получают тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). Из ТВЭЛ формируют тепловыделяющие сборки. Это передел, требующий высокой точности, то есть поточное прецизионное механическое производство. ТВС непосредственно загружаются в реактор атомной электростанции, и, в итоге, можно получать электроэнергию.
Шестой этап – производство электроэнергии. В реакторе атомной электростанции за счет распада ядер урана выделяется большое количество тепла, которое преобразуется в электроэнергию. Ежегодно необходимо перегружать от 20% до 30% ТВС в зависимости от дизайна реактора. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии на АЭС одна из самых низких, порядка двух центов за один киловатт-час. В структуре себестоимости атомной электроэнергии топливная составляющая – около 20%. То есть, если цены на уран вырастут на 50%, то цена на электроэнергию увеличится примерно на 10%. У электростанций, работающих на газе или мазуте, топливная составляющая себестоимости превышает 80%. То есть, если цены на газ или мазут повышаются на 50%, то цены на электроэнергию вырастут более, чем на 40%.
Седьмой этап – переработка отработавшего ядерного топлива. В настоящее время утилизация отработанного ядерного топлива происходит следующим образом. После извлечения из реактора АЭС отработавшие тепловыделяющие сборки направляются на радиохимические заводы. После процедуры охлаждения в водяных бассейнах, которая может длиться до нескольких лет, эти ТВС механически измельчаются. Затем измельченная масса растворяется в кислоте и далее производится химическое разделение элементов. Уран, невыгоревший в атомном реакторе, извлекается и может быть возвращен в ядерно-топливный цикл. Радиоактивные элементы, накопившиеся в процессе ядерных превращений в реакторе, извлекаются отдельно, остекловываются (переводятся в состояние аморфной химически инертной стеклообразной массы). Остеклованная масса в специальных упаковочных контейнерах размещается на складах для бессрочного хранения.

Сегодня словосочетание «атомный ренессанс» является уже устоявшимся термином. Правительства всех развитых стран (США, Япония, Франция, Южная Корея и др., за редким исключением, вроде Германии и некоторых других европейских государств с сильным влиянием «зеленых» партий) и стран с быстрыми темпами развития (Китай, Индия, Бразилия, Россия и др.) видят атомную энергетику как основу своих энергосистем в будущем.
Одним из самых «чувствительных» вопросов во всей атомной энергетике является проблема хранения высокоактивных ядерных отходов. Основной проблемой является накопление на складах большого количества высокоактивных отходов. Но в настоящее время разрабатываются реактора четвертого поколения, для которых отработавшее ядерное топливо существующих АЭС могло бы являться составной частью топлива. В реакторах АЭС четвертого поколения высокоактивные отходы могут в ходе ядерных реакций превращаться в относительно безопасные, короткоживущие изотопы. Эти изотопы могут быть безопасно захоронены существующими, технологически отработанными, методами. После построения необходимого количества реакторов четвертого поколения, атомная энергетика станет замкнутым, экологически чистым источником энергии для человечества.