Ключевое положение «обычной» химии — на протяжении веков — предполагало, что свойства химических элементов неизменны. В начале XX века стало ясно: это не так, ведь радий (и не только) может превращаться в другие элементы. Так в 1910 году появился термин «радиохимия». Она с самого начала была сконцентрирована на изучении химической природы и свойств радиоэлементов, а также продуктов их распада. Не менее важным оказалось изучение радиационных эффектов, которые эти элементы вызывают в тех или иных средах.

Скрестить экологию и эффективность

Начало XXI века поставило радиохимию в совершенно особое положение. На первый план в мире вышла экологическая повестка — и низкоуглеродная генерация энергии. При этом уровень потребления энергии с годами продолжает активно расти, что приводит к необходимости развития мощных источников энергии, не зависящих от климатических и региональных особенностей.

Попытки вести безуглеродный переход за счет ВЭС и СЭС предпринимают постоянно, но они чреваты существенным ростом цен на электроэнергию. А вот атомная генерация расти не спешит, что дополнительно подстегивает энергетическую инфляцию.

В такой ситуации ключевой задачей радиохимии сегодня стало отсутствие «отложенных решений» — всех этих «хвостохранилищ», технологических водоемов в роли временных хранилищ радиоактивных отходов (РАО), длительного хранения отработавшего ядерного топлива и тому подобного.

При таком подходе необходимо не только обосновать безопасность долговременного (а иногда вечного) захоронения отходов жизненного цикла атомной энергетики, но и создать новые технологии, позволяющие обеспечить это захоронение без значительного увеличения стоимости конечного продукта.

Почему все это оказалось столь важно? Объем радиоактивных отходов атомной энергетики действительно невелик: в тоннах или кубометрах он на порядки меньше, чем, например, у угольной энергетики, и еще меньше, если пересчитать объем отходов на единицу выработанного электричества. Скажем, угольная отрасль в России оставила только золошлаковых отходов более полутора миллиардов тонн (сегодня они уже занимают сотни квадратных километров). Хотя их регулярно сносит ветром на близкую жилую застройку (а микрочастицы от ископаемых топлив в целом убивают сотни тысяч человек в год), это не вызывает заметного общественного резонанса. Следовательно, устойчивое ее развитие требует полного решения вопроса РАО.

Длительное время предлагалось — а в США все еще предлагается — пойти по линии наименьшего сопротивления: глубоко в устойчивых горных породах захоранивать в контейнерах и отработавшее ядерное топливо, и другие виды РАО.

Минусы такого подхода принципиальны: он просто передает решение проблем ядерной энергетики будущим поколениям. Кроме того, блокирует достаточно эффективное использование ядерного топлива. Если килограмм уранового топлива для типичного реактора пропустить через один рабочий цикл, он даст примерно 0,6 миллиона киловатт-час. Если же суметь выделить из «отработки» ценные компоненты и использовать их снова, то из одного килограмма урана за много циклов можно получить в 30–40 раз больше тепловой (а в итоге и электрической) энергии, чем сейчас.

Разумеется, это верно только при определенных условиях (о них — ниже). В обычных реакторах на тепловых нейтронах делится только уран-235. Он за один цикл выжигается примерно на 60–70%, то есть при втором обороте экономия составит в лучшем случае 30–40%. Так о каких условиях идет речь?

Замкнутый ядерный цикл имеет смысл, если рассматривать как топливо не только уран, но и плутоний. Тогда становится возможным использование всего природного урана, а не лишь 0,7% (содержание U-235 в уране из руды). Ведь уран-238, которого в природной руде 99,3%, в условиях ядерного реактора захватывает нейтроны и становится плутонием. Поэтому «Росатом» считает более рациональным не захоранивать единожды отработавшее топливо, а извлекать из него то, что можно пустить в следующие топливные циклы.

В результате ядерных реакций в топливе АЭС происходит накопление продуктов деления и активации, что приводит к росту его радиоактивности — и превышает радиоактивность урана, извлеченного из руды. Поэтому в российской атомной отрасли часто говорят о «принципе радиационной эквивалентности» — то есть о том, что захоранивать нужно компоненты с радиоактивностью не выше той, с которой руду извлекли при добыче. Остальные компоненты отработавшего топлива должны быть выделены и нейтрализованы — либо длительной выдержкой для снижения уровня активности, либо «дожиганием / трансмутацией» в реакторах, либо как-то еще.

Но на пути к реализации «принципа эквивалентности» лежат большие сложности.