[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.
|