proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[03/04/2021]     О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования

Ю. А. Похитонов, АО Радиевый институт им. В.Г. Хлопина

Согласно самым первым публикациям, посвященным выделению металлов платиной группы (МПГ) из отработавшего топлива АЭС, и проведенным в те годы расчетам, к 2025- 2030 г. количество МПГ в отработанном топливе должно сравняется с их запасами в прогнозируемых рудных источниках. Действительно, отработавшее топливо АЭС, в отличие от природных руд платиновых металлов, является возобновляемым ресурсом. Оценку накопления платиноидов не трудно сделать на основании анализа имеющихся программ развития ядерной энергетики, (количеству выгружаемого топлива) и данных по содержанию в нем МПГ. И, казалось бы, при наличии экономически приемлемых технологий извлечения платиновых металлов из ОЯТ, нет оснований опасаться истощения сырьевых источников платиноидов (Pd, Rh, Ru) [1, 2]



Действительно, выход металлов платиновой группы при делении урана достаточно велик и составляет килограммы на тонну топлива. Казалось бы, что мешает их выделять и использовать? И такой подход соответствовал общепринятой в те годы концепции комплексной переработки всего облученного топлива.

Многие исследователи рассчитывали найти простые способы извлечения этих металлов, которые могли бы заменить Pd, Rh и Ru из рудных источников. Итогом первых работ в этом направлении стал обзор МАГАТЭ, появившейся в печати в 1989 году [1].

Прошли годы, и отношение к платиноидам в топливе АЭС стало понемногу меняться в силу очевидного довода, продиктованного экономикой, что разработка даже самых эффективных технологий по выделению платиноидов из ОЯТ никогда не приведет к их промышленному внедрению, если на них не будет устойчивого спроса со стороны потребителей. Перспективы промышленного выделения «реакторных» палладия, родия и рутения будут определяться только потребностями техники и возможностью появления этих металлов на рынке по более низким ценам по сравнению со стоимостью из рудных источников [3, 4]. В свою очередь, цена любого продукта зависит от очень многих факторов. Низкое содержание того или иного элемента в земной коре, хотя и во многом влияет на стоимость, но далеко не всегда является единственным аргументом при формировании цены на рынке.

Для проведенного нами исследования, помимо цены того или иного металла, остается важный вопрос — есть ли реальная возможность замены природных Pd, Rd, Ru на техногенные (так называемые, “реакторные” элементы) из ОЯТ, обладающие рядом специфических свойств?

Прежде чем говорить о возможности замены МПГ из рудных источников на техногенные (из отработавшего топлива), остановимся на динамике добычи палладия, родия и рутения, и на изменении их цены на мировом рынке за последние 40-50 лет.

Не менее важный вопрос, касающийся темы статьи, — в каком количестве “реакторные”

Pd, Rd, Ru можно реально получить из ОЯТ с учетом имеющихся мощностей радиохимических заводов по переработке топлива (и после проведения модернизации производства).

Таким образом, пришло время сформировать адекватное отношение к проблеме техногенных платиноидов, с учетом их количества в топливе и, самое главное, с учетом возможности их использования. Решение данного вопроса будет напрямую связано и с выбором технологии обращения с самим облученным топливом. (И насколько необходимы техногенные платиноиды, или можно без них обойтись? Надо ли менять схему производства?)

Поэтому целью представленной работы явился анализ и сопоставление данных о количестве платиноидов в природе, в облученном топливе и оценка перспектив их использования в тех или иных областях техники.

Производство, спрос и цены на металлы платиновой группы (Pd, Rd, Ru)

Перед тем, как говорить о возможности замены МПГ из рудных источников на техногенные продукты из отработавшего топлива, остановимся на объемах добычи палладия, родия и рутения, и на изменении цен на мировом рынке за последние 30 - 40 лет. Сразу же отметим, что главным фактором, влияющим на изменение цен, всегда было изменение спроса в различных областях народного хозяйства.

Палладий в природе является одним из наиболее редких элементов, и его кларковое число составляет 110-6 %. В самородном виде он встречается редко (аллопалладий). Всего в природе около 30 минералов и наиболее известны интерметаллические минералы —палладистая платина станнопалладинит (Pd3Sn2) и ряд других соединений. В залежах палладий сопровождает другие платиновые металлы, его содержание в смеси платиноидов в месторождениях колеблется от 25 до 60%.

Географическое расположение залежей можно представить в виде следующей диаграммы (Рисунок 1) [5]. Залежи ЮАР составляют 95% всех мировых запасов металлов платиновой группы, а на долю России приходится всего, лишь, около 2% [5].

Мировые ресурсы платиноидов, включая их запасы в недрах, на конец ХХ в. (1998 г) оценивались в 120 - 140 тыс. тон. Большая часть (75-85 тыс. т.) находится в ЮАР, преимущественно в основных и ультраосновных породах Бушвельдского массива.

Рисунок 1. – Распределение запасов платиновых металлов в мире по регионам [5]

По объему добываемых металлов из группы платиноидов палладий занимает первое место. И основными регионами добычи палладия были и остаются Южная Африка и Россия. На США и Канаду приходится чуть больше 10% и остальное производство в Зимбабве и в других странах (Рисунок 2) [6, 7].

Рисунок 2. – Объемы добычи палладия по странам в мире [6. 7]

В ЮАР ведется разработка только платина - палладиевых руд. В остальных странах палладий является сопутствующим, как, например, в России при добыче медно - никелевых руд [6].

Если сравнивать структуру мощностей по добыче металлов платиновой группы в ЮАР и в России, то они коренным образом различается. В рудах ЮАР преобладает платина, объем производства которой, примерно в 2 раза больше, чем палладия. В России же запасы палладия в рудах более чем в 3 раза превышают запасы платины. И поэтому, если провести сопоставление, то при существенно меньших объемах добычи платины (по сравнению с ЮАР), Россия больше добывает палладия. (В России и США объемы запасов МПГ примерно одинаковые, но темпы добычи сильно отличаются - американцы извлекают свои драгметаллы в пять, шесть раз медленнее.)

В будущем ситуация может несколько измениться после начала разработки открытого недавно крупнейшего месторождения палладия в Мурманской области (Федорово-Панский интрузивный массив) [7, 8]. По некоторым оценкам общие запасы крупнейшего открытого в XXI веке месторождения могут составить до 2,5 тыс. т металлов [8]. Помимо самых крупных месторождений в Мурманской области, крупные месторождения расположены в Красноярском крае, в Свердловской области, Хабаровском крае и на Чукотке. (Основные результаты проводимых в стране геологоразведочных работ на МПГ получены на комплексных месторождениях [7].)

Сырьевая база платиноидов в России достаточно большая, однако основной проблемой в будущем может стать ограниченность возможностей ее воспроизводства. В то же время перспективы воспроизводства сырьевой базы МПГ могут быть существенно повышены за счет переоценки и учета известных сульфидных руд с попутной платиноидной минерализацией. Подтвержденные запасы МПГ и платины в мире приведены в таблице 1 [7].

С точки зрения ведущих производителей, добыча палладия, также сильно сконцентрирована в небольшом числе крупных компаниях.

Таблица 1 — Запасы платиноидов и платины в мире на рубеже ХХ-XXI вв., тонны [7]

Страны

МПГ

Платина

Австралия

25

4

Бразилия

17

7

Гренландия

78

34

Зимбабве

594

326

Канада

520

200

КНР

200

120

Колумбия

29

27

Пакистан

2

2

Россия

6 220

2 200

США

310

110

Финляндия

248

67

Эфиопия

2

2

ЮАР

49 920

23 950

Бывшая Югославия

5

1

Вместе

58 170

27 050

Четыре крупнейших компании контролируют 90% всей добычи палладия, и среди них ПАО «ГМК «Норильский никель» (Публичное акционерное общество «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»), на долю которого, приходится около 37% всей мировой добычи (Рисунок 3) [9].

Рисунок 3. - Объемы продаж на рынке крупнейшими производителями палладия [9]

СССР был основным поставщиком палладия на мировом рынке уже с 1970-х гг. прошлого века. И это обстоятельство дает возможность России активно влиять на конъюнктуру мирового рынка палладия.

Если говорить о ценах, то еще в 60 - 70-х гг. прошлого века палладий стоил в пять раз дешевле платины (примерно 5 и 27 долларов за грамм соответственно). Именно это обстоятельство сделало палладий самым перспективным из платиновых металлов, и открыло ему широкую дорогу в технику и в первую очередь в автомобильную промышленность.

До 1970-1980-х гг. основными потребителями палладия были электротехническая промышленность и медицина (75%) [10]. На сегодняшний день основная масса потребляемого в мире палладия расходуется на катализаторы дожигания выхлопных газов в автомобилях и в химической промышленности (Рисунок 4, 5) [11, 12].

Рисунок 4. – Потребление палладия, родия и платины в производстве автомобильных катализаторов–нейтрализаторов выхлопных газов [11]

Рисунок 5. – Структура использования палладия в промышленности [7]

Главная причина появления столь высокого внимания к палладию заключается в том, что начиная с 1970 г. были приняты ряд Законов о чистом воздухе, которые устанавливали ограничения вредных выбросов автомобильного транспорта, что и привело к обязательному использованию на автомобилях каталитических систем.

Первые катализаторы появились в 1975 г. на американских автомобилях, несколько позже в Японии, а с 1986 г. они стали использоваться в Европе, а затем в Австралии и в Азии.

В основе современных автокатализаторов лежат сплавы платины с родием и палладием. Вначале в производстве каталитических фильтров-нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей в основном использовалась платина. Но поскольку платина и палладий близки по целому ряду свойств, требуемых именно в этой сфере применения, а палладий был значительно дешевле, то в 90-х годах опережающими темпами стали производиться палладиевые фильтры- нейтрализаторы. Наряду с палладием и платиной важным элементом в катализаторах является и родий. И, в соответствии с повышением на него спроса, произошло резкое увеличение стоимости родия [14, 15].

Родий, который входит в состав многих каталитических систем, как и палладий, редкий и рассеянный элемент. Среднее содержание родия в земной коре 10-7% по массе. Повышенное содержание родия отмечено в ультраосновных изверженных породах и в метеоритах, где оно составляет 4,810-5%. Как и палладий, родий не имеет собственных минералов. Родий содержится в некоторых золотых песках Южной Америки, в никелевых и платиновых рудах. До 43% родия приходится на мексиканские золотые месторождения. Месторождения родия находятся на территории ЮАР, Канады, Колумбии, России. Большая часть добычи родия приходится на Африку, Россию, Мексику, Канаду и Колумбию. [5, 15].

Вместе с ростом производства катализаторов для автопрома (и отчасти увеличения потребления палладия и родия в электротехнической и химической промышленности), в мире происходило и увеличение их стоимости. Цены на палладий и родий с 1960 по 1980 год выросли почти в 5 — 6 раз [15-17].

Данные о производстве, потреблении и использовании МПГ в 90-х годах прошлого века приведены в работе [18]. Следует отметить, что до начала 1990-х гг. СССР продавал палладий в очень умеренных количествах, и были накоплены значительные запасы этого металла. Вплоть до 1996 г. возросший спрос на платиноиды в мире с избытком удовлетворялся поставками из складских запасов ЮАР и СССР.

В то время уже около половины находящихся в эксплуатации автомобилей и более 80% продаваемых имели катализатор для очистки выхлопных газов. Для автомобильных катализаторов в 1996 г. было использовано 37,6% палладия, 90,4% родия и 37,3% платины от общего количества этих металлов, потребленных в мире.

Рост производства палладия продолжался и в 1996 - 1998 гг. общие поставки уже оценивались в 240 тонн ежегодно, в том числе из ЮАР 52-57 т. Производство родия в 1996- 1998 гг. также выросло, и цены за три года поднялись с 340 до 620 дол. за тройскую унцию.

К 1998 году потребление палладия достигло рекордного уровня 254,7 тонны, а цена на него достигла 9,13 долл./г. Из России на Запад в 1998 г. было вывезено 180 т палладия, а потребности в палладии для изготовления катализаторов для автомобилей достигли 139 т. [18]. Было отмечено, что в то время уже около половины находящихся в эксплуатации автомобилей и более 80% продаваемых имели катализатор для очистки выхлопных газов. Для автомобильных катализаторов в 1996 г. было использовано 37,3% платины, 37,6% палладия и 90,4% родия от общего количества этих металлов, потребленных в мире. К 1998 году потребление палладия достигло рекордного уровня 254,7 тонны, а цена на него достигла 9,13 долл./г [17, 18].

Таблица 2 — Динамика цен на металлы платиновой группы в 1991—2000 гг., дол. за тройскую унцию [18]

Металл

1991

1995

1996

1997

1998

1999

2000

Палладий

87

153

130

184

290

363

692

Родий

3739

463

300

298

620

904

1986

Рутений

55

26

43

37

47

39

129

Платина

371

425

398

397

373

379

549

Следует отметить, что в 90-е годы в России добыча платиноидов не росла. Наоборот, на ПАО «ГМК «Норильский никель» проходило сокращение добычи и производства (почти на 38%). Собственное потребление платиноидов в России в 90-х годах было также небольшим, и 80-90% добываемых платиноидов отправлялись на экспорт. Вывозились и государственные складские запасы, созданные за предыдущие годы.

Объемы поставок палладия, родия и платины из России на мировой рынок приведены в таблице 3. Поставки палладия в 1994 г. превышали 100 т, они росли, и впоследствии достигли 180 т в 1996 г. Это более чем вдвое превысило объемы добычи в стране. Распродажа запасов шла очень быстрыми темпами. Экспорт платины и родия в отдельные годы также значительно превышал объемы добычи.

Таблица 3 — Динамика поставок первичных МПГ из России на мировой рынок в 1991— 2000 гг., кг

Металл

1991

1995

1998

1999

2000

Палладий

66866

130621

180382

167942

161722

Родий

3421

2488

3421

2022

9019

Платина

34210

39808

40430

16794

34210

В 1991-2000 гг. за счет поставок из России в разные годы покрывалось от 9,0% до 25,7% потребностей стран Запада в платине и от 52,7 до 89,0% - в палладии. Россия играла роль основного поставщика палладия на западный рынок, а с 2000 г. Россия стала и основными поставщиком родия.

К концу января 2000 г. цена на палладий поднялись до 15,2 долл./г, опередив цену на платину, - 14,7 долл./г. Максимальная цена на палладий была зафиксирована в начале 2001года, и составила 31 - 33 долл./г.

Таблица 4 — Добыча палладия по странам и регионам мира, тонны [16]

Год

2008

2009

2010

2011

2012

Всего добыча

21.7

24.0

22.9

23.8

22.4

Вторичное производство

7.1

5.8

7.5

8.6

8.1

Всего производство

28.8

29.8

30.4

32.4

30.5

Автомобили

23.9

19.3

22.6

22.2

24.3

Химическая промышленность

2.1

1.7

2.1

2.2

2.5

Электротехника

0.1

0.1

0.1

0.2

0.2

Динамика изменения цен на родий в последующие годы (таблица 5) была также связана с изменением спроса, в основном, в производстве катализаторов [16].

Таблица 5. — Производство и потребление родия в мире, тонн [16]

Год

2012

2013

2014

2015

2016

Южная Африка

73,4

76,7

66,1

83,5

78,4

Россия

89,8

84,8

80,5

75,7

77,4

в т.ч. продажа запасов

8,1

3,1

0,0

0,0

0,0

Северная Америка

25,2

25,8

28,4

27,0

28,1

Прочие

13,3

14,6

14,4

13,8

14,9

Всего добыча

201,7

201,9

189,4

200,0

198,8

В 2017 году потребление палладия увеличилось на 9 тонн, по сравнению с предыдущим годом и был установлен новый исторический рекорд в 331тонну. Соответственно, цена палладия выросла на 42%, и в конце года достигла максимума за 16 лет в 1058 долл./тр. унцию [16].

Помимо перечисленных платиноидов, важную роль в технике играет рутений, хотя и величина его производства намного ниже. Примерно 50% спроса на рутений приходиться на электронную промышленность, где он идет на изготовление износостойких электрических контактов и тонкопленочных резисторов. Около 20% мирового объема потребляет химическая промышленность, также он применяется в стекольной промышленности в качестве добавки к сплавам платины, палладия.

Динамика цен на рутений представлена на рисунке 6 [19] и данные об основных областях использования приведены в таблице 6 [20]

Рисунок 6 - Цена рутения в мире за 1 тройскую унцию (стоимость на сегодня и за последние 20 лет) [19]

Таблица 6 — Потребление рутения в мире, тонн [20] *

год

2008

2009

2010

2011

2012

Химическая промышленность

4.3

2.8

3.1

8.5

3.1

Электроника

12.8

10.5

21.1

16.7

11.7

Электрохимическая промышленность

3.0

3.0

3.9

4.0

4.0

Прочее

1.6

1.6

1.3

1.8

2.3

Всего

21.7

17.9

29.4

31.0

21.1

* данные Johnson Matthey (Platinum Today)

Рекордно высокий спрос на рутений был в 2006 году ввиду накопления складских запасов металла у производителей жестких дисков, изготовляемых по новой PMR-технологии. В I квартале 2009 года в электронной промышленности наблюдался значительный спад, но позднее наметилась тенденция к расширению продаж потребительских электронных товаров, и ожидалось, что в 2009 году продажи сохранятся на уровне 2008 года.

Тогда же на рыночную ситуацию повлиял ввод в эксплуатацию дополнительных мощностей по извлечению металла из вторичного сырья [20].

В 2009 году произошло снижение закупок рутения для производства резисторов и других компонентов микросхем. Замедление темпов продаж электронного оборудования негативно сказалось на объемах его производства.

Другой причиной падения производства явилось уменьшения выпуска этого металла в ЮАР. Кроме того, миниатюризация резисторов способствовала дальнейшему уменьшению потребностей в рутении. В 2011 году темпы роста спроса на рутений резко сократились по сравнению с предыдущим годом ввиду падения спроса в электронике, а объем потребления металла составил 31,0 тонн (прирост 5,4%).

При объеме мирового рынка рутения порядка 30 т российский рынок не превышает 1 т. Объем рутения, который продает ПАО «ГМК «Норильский никель», в мировом масштабе невелик, и его доля в выручке компании незначительна. Поэтому компания не ждет существенного влияния на финансовый результат в целом от роста цен на рутений [18].

Возвращаясь к палладию, отметим, что в 2019 году дефицит на рынке усилился, что еще больше толкало цены на него вверх. Напомним, что среднее ежегодное мировое потребление составляет более 300 тонн в год. Пока оно компенсировалось с помощью запасов прошлых лет.

В 2019 году в мире было добыто 213 тонн палладия. Это на 7 тонн меньше, чем в 2018 году (в 2017 году добыча составила 245 тонн).

Если говорить об экспорте металлов платиновой группы из России, то в 2019 году он составил 112,4 тонн (-15,5% к 2018 году), или 5,1 млрд. долларов (+40,2%) [21]. Из России металлы платиновой группы (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина) отгружались в 20 стран, и основными получателями были США, Великобритания, Япония, Германия и Италия.

Родия было экспортировано 1,9 тонны (как и в 2018 году) на сумму 224,3 млн. долларов (+71,1%), при этом основными странами-получателями были США и Италия.

Палладия, по оценкам экспертов, более чем достаточно, и текущий рынок, строится на идее ограниченности и продолжающегося дефицита [22]. Отмечается также, что в 2022 году будет происходить замена платины на палладий в автокатализаторах, что в свою очередь может снизить спрос. Но в перспективе после 2021 года рынок предложения станет переполненным.

По мнению авторов публикации [22], несмотря на пандемию, основные перспективы для палладия и платины будут отображать характеристики, аналогичные тем, что наблюдались в течение последних пяти лет и в 2020 и 2021 годах. Тем не менее, пандемия продолжит оказывать значительное влияние на эти рынки в 2021 году.

Автомобильный сектор остается основным сегментом спроса как на палладий, так и на платину, (что составляет 82% и 35% соответственно от общего спроса в 2020 году) [22]. Крупнейший в мире автомобильный рынок Китая в течение нескольких лет вводил ряд стимулов для увеличения производства транспортных средств, использующих экологически чистую энергию. Однако с учетом того, что в Китае по-прежнему, отдается предпочтение машинам с бензиновым двигателем, спрос на палладий в автомобильном секторе продолжает значительно расти. Автомобильный рынок Северной Америки меньше китайского в два раза, но спрос на палладий в этом регионе является вторым по величине в мире из-за предпочтений потребителей в отношении больших автомобилей с бензиновыми двигателями. Доля электромобилей в регионе стабильно растет, но в абсолютном выражении остается скромной.

Все данные, которые мы приводили, касались производства и поставок платиноидов на рынок исключительно из рудных источников. Но, когда мы говорим о производстве МПГ, нельзя забывать, что с каждым годом растет рецикл этих металлов из отработанных катализаторов автомобильной и химической промышленности и переработка лома (скрапа) электротехнический, ювелирный промышленности. И с каждым годом этот сегмент рынка становится все более значимым. И наиболее важным сегментом является сбор МПГ из отработанных автокатализаторов.

Рецикл МПГ из вторичных материалов считается выгодным, как с экономической, так и с экологической точек зрения. Причем скрап, содержащий 0,001-0,003% драгоценных металлов, уже целесообразно перерабатывать и современные технологии позволяют извлекать до 92-97% Pt и Pd. Постоянно происходит увеличение рецикла МПГ из использованного электронного и электрического оборудования. Европейская комиссия даже разработала несколько нормативных актов, стимулирующих вторичное использование электронного и электротехнического скрапа. Основная цель директивы WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment) заключается в развитии раздельного сбора использованного электронного или электрического оборудования в странах ЕС для его дальнейшей переработки.

В России проблема регенерации отработанных автокатализаторов стоит достаточно остро, главным образом для завезенных в страну иномарок. Как считают эксперты, в недалекой перспективе речь может идти о десятках и сотнях тысяч вышедших из строя катализаторов, содержащих МПГ общей стоимостью более 50 млн. долл. в год.

В начале 2020 г. цена палладия преодолела отметку в 2000$ за одну унцию. Три недели спустя цена драгметалла выросла на 425$ или +21%. За следующие 4 недели стоимость палладия выросла на +30%, а за год рост составил +80%.

Если рассматривать более широкую перспективу, то с 2008 г., когда был достигнут минимум цены на фоне мирового кризиса, то цена палладия выросла в 15 раз.

В заключении сделанного не большего обзора приведем стоимости интересующих нас платиноидов на начало 2021 года (ЦБ России) [23-25].

Рисунок 7 - Цены на платиноиды на начало 2021 года [23-25]

Подводя итог сказанному, повторим, что до 90-х годов основными потребителями палладия и родия были электротехническая промышленность и медицина (75%), а на сегодняшний день основная масса потребляемых в мире Pd и Rh расходуется в катализаторах для дожигания выхлопных газов в автомобилях. Примерно 50% рутения уходит в электронную промышленность и около 20% потребляет химическая промышленность.

Уникальные по свойствам МПГ остаются незаменимы, причем возможности замены платиноидов во многих областях попросту нет.

Сколько платиноидов в облученном топливе и как эти количества соотносятся с объемом мирового производства

Прежде чем, говорить об областях использования МПГ в повседневной практике, о перспективах их применения в новых высокотехнологичных областях техники, остановимся на вопросе — сколько Pd, Rh и Ru реально можно получить из облученного топлива, и как эти количества соотносятся с теми, которые получают в мире из рудного сырья и при переработке сырья вторичного (при рециклинге платиноидов).

То, что облученное ядерное топливо является ценным сырьевым источником некоторых важных изотопов не подлежит сомнению и может быть принято, как аксиома. Действительно, многие радионуклиды, содержащиеся в облученном топливе, представляют практическую ценность в самых разных сферах и платиноиды здесь не являются каким-то исключением.

И как уже было отмечено, многочисленные прогнозы прямо указывают на то, что с ростом ядерной энергетики (и накоплением выгруженного топлива) масса МПГ в отработанном топливе должно сравняется с запасами в рудных источниках. Таким образом, отработавшее топливо АЭС является возобновляемым ресурсом платиноидов.

Если посмотреть на цифры содержания МПГ в одной тонне отработавшего топлива (таблица 8), то, действительно они впечатляют. Такие оценки были сделаны очень давно, но мало кто задумывался какие затраты стоят за всем этим и насколько характеристики техногенных металлов отличаются от характеристик металлов, которые производят горнорудные компании.

Если приведенные в таблице значения перемножить на стоимость платиноидов на сегодняшнем рынке, то в итоге получим от 50 до 80 тысяч долларов, которые можно получить при переработке 1 тонны ОЯТ (даже при сравнительно невысоком выгорании).

Но так ли это на самом деле? И будет ли корректным сравнение цены на платиноиды из облученного топлива, с ценами МПГ, полученными из руды (или при рециклинге)?

Напомним, что родий в отработавшем топливе представлен следующими нуклидами: Rh- 102 (Т1/2-2,9года); Rh-102m (Т1/2-207 дней); Rh-103; Rh-103m (Т 1/2- 56,1минут); Rh-106 (Т1/2- 29,8секунд). Таким образом, родий после выдержки в течение 50 - 60 лет будут пригоден для использования без каких-либо ограничений. И в этом случае, с большой долей вероятности, его рыночная цена может быть такой же, как и у родия, полученного из рудных источников.

Схожая ситуация наблюдается с рутением. В отработавшем топливе он представлен стабильными нуклидами с массовыми числами 99, 100, 101, 102, 104 и радиоактивными нуклидами (Т1/2-), и (Т1/2 -) с периодами полураспада 4,4 часа (Ru-105), 39,3 суток (Ru-103) и 376,1 суток (Ru-106). То есть, по аналогии с родием, рутений после выдержки будут иметь минимальную активность и не будет никаких препятствий для его использования в областях, где он традиционно используется.

Гораздо сложнее ситуация с “реакторным палладием”. Среди его нуклидов, образующихся в реакторе, единственным радиоактивным нуклидом является Pd-107 с периодом полураспада 6,5 105 лет и мягким бета -излучением с энергией 35 КэВ. (Доля Pd-107 составляет около 15 % вес. от массы остальных стабильных изотопов палладия.)

Идеи о возможности изотопного разделения стабильных нуклидов палладия и Pd-107 высказывались много лет назад [2]. По приблизительным оценкам того времени стоимость разделения составляла 1-10 долларов за 1 грамм. Но если принять во внимание результаты более поздней работы по разделению стабильных нуклидов палладия путем лазерной технологии [26], то затраты на эту операцию составят сотни тысяч дол. за 1 грамм. И если в будущем цену удастся снизить, все равно экономика не будет приемлемой для промышленного производства. И все попытки получить палладий, не содержащий Pd-107, никогда не проведут к успеху [4]. (Гипотетически можно предположить, что ситуация измениться и технология изотопного выделения Pd-107 станет востребована, если появится большой спрос на Pd-107.)

Попробуем провести сравнение количества платиноидов в облученном топливе, с ежегодным производством и оценить количества МПГ, которые можно было бы получить в РФ на заводе РТ-1 (ПО Маяк) при производительности завода 200 т/год.

Таблица 7 —Количество МПГ в облученном топливе, ежегодное производство в мире и оценка количества МПГ можно извлечь в РФ на заводе РТ -1 (ПО Маяк) при производительности завода 200 т/год [4]

МПГ

Содержание МПГ в ОЯТ, кгт -1 при разном выгорании

Ежегодное производство МПГ в мире, т

Количество МПГ в топливе,

выгружаемом из АЭС в мире, за год, т

Сколько МПГ можно извлечь в РФ (при среднем выгорании 33000 МВт-сут/т U), т

33000 МВтсут/т U

60000 МВтсут/т U

Ru

2,16

4,16

20

21,6

0,9

Rh

0,48

0,74

30

4,85

0,2

Pd

1,24

2,81

210

12,4

0,5

На сегодняшний день мировое сообщество обладает весьма ограниченными возможностями по переработке топлива по сравнению с объемом уже накопленного топлива и ежегодно выгружаемого из энергоблоков.

Во всем мире накоплено порядка 300 тыс. тонн ОЯТ и ежегодно из реакторов выгружается около 10 тыс. тонн. Но на переработку во всех странах сейчас поступает около 2000 т ОЯТ в год, что составляет менее 1% от уже накопленного и размещенного в хранилищах топлива. Если внимательно проанализировать цифры (табл. 8), то окажется, что даже при выделении платиноидов с выходом более 90% не удается возместить заметную долю производства из рудных источников.

Напомним, что, производство платиноидов из вторичного сырья уже сейчас составляет около 100 тонн в год и эта цифра будет только расти с каждым годом.

Сравнивая приведенные данные, можно сделать вывод, что топливо АЭС может в будущем заместить природные сырьевые источники платиноидов, только когда на всех радиохимических заводах будет перерабатываться сотни тысяч тонн ОЯТ ежегодно. Что само по себе в текущем столетии мало вероятно.

Становится очевидным, что мировое сообщество, хотя и обладает потенциальными запасами платиновых металлов в ОЯТ, но, учитывая мощности перерабатывающих предприятий, нельзя рассчитывать, что на рынке появятся весомые количества платиноидов, способных заменить природные.

Есть и другая проблема - будут ли потребители МПГ проявлять интерес к столь нетрадиционным источникам? В случае необходимости использовать небольшие количества (килограммы, десятки килограммов) вряд ли кто -то обратится к такому источнику, как техногенные платиноиды из ОЯТ. Проще будет купить на рынке (даже по более высокой цене), и не иметь проблем с сертификацией своих производств, возникающих при замене одного вида сырья на другое.

С другой стороны, заместить природные источники в количестве нескольких тонн, (даже приобретая их по более низким ценам), сейчас просто невозможно по причине низкой производительности предприятий, занятых переработкой ОЯТ.

В следующем разделе остановимся на описании областей техники, в которых используются МПГ, и где можно ожидать роста объемов их потребления в будущем.

Продолжение здесь.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Обращение с РАО и ОЯТ
· Новость от proatom


Самая читаемая статья: Обращение с РАО и ОЯТ:
Снятие АЭС с эксплуатации: проблемы и пути решения

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 5
Ответов: 2


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 9 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 03/04/2021
Очень полезная и интересная публикация. Спасибо автору. 


[ Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 03/04/2021
  • Цена родия указана на двух графиках, рутения - ноль.
  • Лёгкие платиноиды - головная боль радиохимии, интерметаллиды с плутонием постоянно "съедают" плутоний.
  • Получить чистым от плутония быстро можно лишь Рутений, остальные - сложно.
  • Рутений - идеальный металл для оболочек твэл быстрых реакторов, с точки зрения физики. Этим применением 20+ лет занимался НИИАР. Потребность до 5 тысяч тонн в год, с учётом рецикла 500 тонн в год, при переходе на ЗЯТЦ БР. 
  • Но нет ни технологий радиохимии, ни технологий металлургии. Красивая идея, но пока гипотеза-утопия. 
  • Прорыв рекомендует технеций трансмутировать в рутений, это ещё 7 тонн в год.
  • Ориентировочно, через 500 лет ЗЯТЦ БР сам сможет обеспечивать себя платиноидами, при полном рецикл.
  • Интерметаллиды плутония с платиной и платиноидами - тема для реакторов будущего, работающих по 100-1000 лет непрерывно.
  • Дементий Башкиров 


[ Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 03/04/2021
Интересно, что при трансмутации минорных актинидов, урана-236 (именно 6) и небольшой массы тех осколков которые долгоживущие - общий КВ цикла /реактор плюс распад за время в радиохимии и потери в ней плюс распад за годы облучения в реакторе тоже/ будет меньше чем КВ собственно реактора.
На оксидном плутониевом топливе "Феникс" имел КВ=1,16. Причём похоже это цифра реактора а не всего ЗЯТЦ с ним. С вариантом трансмутации - КВ вообше очень мало будет превосходить единицу. А вообще, конечно здорово вместо технеция делать рутений. 


[
Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 05/04/2021
"Интерметаллиды плутония с платиной и платиноидами - тема для реакторов будущего, работающих по 100-1000 лет непрерывно." - Где место этим "реакторам будущего", если вы ратуете за сворачивание ядерной энергетики?


[
Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 04/04/2021
По литературным данным, химэлементов платиновой группы в ОЯТ  реакторов на тепловых нейтронах немного. Вспомним нормированный на 200% график вероятности выхода нуклидов при реакции деления. Там 2 горба в районах А=80 и А=160 для лёгкого и тяжелого осколков а между ними провал на порядки.
В ОЯТ быстрых реакторов провал более мелкий: больше энергия возбуждения делящегося ядра, больше вероятность тройного деления и больше разбег масс ядер-продуктов. Таким образом, в ОЯТ быстрых реакторов имеется более высокое процентное содержание 6 металлов платиновой группы, чем в ОЯТ тепловых. 


[ Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 04/04/2021
  • Меньший провал - плюс, больше тройного деления - минус, больше разбега масс -  это причина меньшего провала.
  • Основная причина большего выхода рутения, родия и палладия, - это утяжеление изобар Мо и Тс. При сгорании 100% горбы утяжеляются на 5-7 пунктов, по сравнению с Выгоранием 5%.
  • В СМ выход Ru-106 и его изобар, выше в 20 раз, чем в ОЯТ ВВЭР. И это не только потому, что материнский актинид тяжелее на 8-10 пунктов. Основная причина - утяжеление осколков при облучении.
  • Детище Фейнберга, реактор СМ, опередил ядерное время "навсегда". Этот экспериментальный реактор позволяет заглянуть в ядерное будущее на миллионы лет вперёд.
  • Если хотите знать будущие ядерные технологии - изучайте радиохимию ЗЯТЦ СМ. Тогда вы перестанете быть ведущим задним колесом, а станете полноценным велосипедом - с рулём и передним колесом.
  • Дементий Башкиров 


[
Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 05/04/2021
"Если хотите знать будущие ядерные технологии - изучайте радиохимию ЗЯТЦ СМ." - только вчера Вы убеждённо доказывали, что продвигаемые в будущее ядерные технологии не считаются с радиохимией.


[
Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 05/04/2021
Можно сделать наглядную оценку.
Предположим, человечество населением на данный момент 8 миллиардов, за год умеренно-детально перелопачивает по тонне среднего грунта земной коры на человека. Что примерно равно массе ежегодно добываемого угля.

Учитывая среднее содержание 6 химэлементов платиновой группы в земной коре, в потоке массой 10^10 тонн содержится и было бы при 100-процентной экстракции ежегодно выделено:
1)
Рутений 10 тонн;
2)
Родий 2 тонны;
3)
Палладий 6 тонн;
4)
Осмий 1 тонна;
5)
Иридий 30 килограмм;
6)
Платина 10 тонн;

Формально не являющиеся материалами платиновой группы:
7)
Рений 4 тонны;
8)
Золото 12 тонн;
9)
Теллур 50 тонн;
10)
Индий 490 тонн;
11)
Серебро 700 тонн;
12)
Висмут 480 тонн.

С расширением ядерной энергетики до 100.00 ГВт тепловых /1600 Ватт эл. на жителя при населении планеты 27 миллиардов/, сжигающих 40.000 тонн урана-238 в год, ОЯт может стать главным источником металлов платиновой группы, и вообще по меньшей мере 12 из всех существующих в природе 83 стабильных химэлементов. Конкуренцию сможет составить только добыча платиновых металлов на астероидах. 

Интересно отметить, что для быстрых реакторов крупномасштабной ядерной энергетики быстрых реакторов потребуется весь нынешний объём ежегодно добываемого природного урана. Причём добываться он должен будет из бедных руд, фосфатных удобрений, других малосодержащих материалов и из морской воды.

Кроме того, для разделения радиоактивных и стабильных нуклидов в ОЯТ, при выдержке сотню лет, окажется не обязательным настраивать свой лазер на каждый из сотен нуклидов. Достаточно будет тщательно отделить всего несколько: стронций-90, цезий -137, технеций. Ведь даже воспринимаемый как долгораспадающийся в военном смысле кобальт-60, за сотню лет распадается в миллион раз.




[ Ответить на это ]


Re: О платиноидах в отработавшем топливе АЭС и перспективе их использования (Всего: 0)
от Гость на 05/04/2021
Опечатка:
С расширением ядерной энергетики до 100.000 ГВт тепловых /1600 Ватт эл. на жителя при населении планеты 27 миллиардов/


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.09 секунды
Рейтинг@Mail.ru