А. Ш. Хайбуллин

ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Отдавая должное памяти З.А. Горелика следует отметить, что в своей научной и производственной деятельности он большое внимание уделял развитию минерально-сырьевой базы Республики. В частности, один из первых исследователей предложил использовать кепроки в качестве поисковых критериев нефтегазоносности и других видов полезных ископаемы.

Проблемы энергетической безопасности Беларуси возникли в связи падением объемов добычи нефти, а также трудностями поставки энергоносителей из соседних стран и возросшей зависимостью импортеров органического топлива от условий импорта.
Предлагается авторское представление энергетической безопасности, основанной на решении трех проблем.
Первая стратегическая, вытекающая из обращения главы государства по строительству атомной станции на территории Беларуси. «Атомная станция должна отвечать международным требованиям технической и экологической безопасности, а в ее строительстве максимально использовать отечественные материалы и сырьевые ресурсы».
Вторая и третья концептуальные, связаны с отечественными минеральными ресурсами. Одна из них – громадные запасы (11 млрд. т до глубины 600 м и 5,5 млрд. т до глубины 300 м) органического топлива, представленного битумными горючими сланцами, а также трудноизвлекаемыми вязкими нефтями, запасы которого в Припятском прогибе достигают 400 млн. т. [1].
Последняя, третья, может оказаться решающей в выполнении первых двух проблем и в целом обеспечить энергетическую безопасность Республики Беларусь.
Это обусловлено, во-первых, применением нового экологически более безопасного торий-уранового топливного цикла.
Во-вторых, гамма-излучение тория благодаря большой энергии гамма-квантов (до 2,6 МэВ) не только легко пронизывает вещество, но и образует электронно-позитронные пары, которые аннигилируя, способны разрывать межмолекулярные связи даже высоковязких битумов и горючих сланцев.[2]
Для восполнения дефицита водорода в горючих сланцах и битумах использована технология, разработанная в Объединенном институте энергетических и ядерных исследований – Сосны. Была изготовлена лабораторная установка получения водорода в радиационном поле. В процессе ее испытания получены положительные результаты по катализу тяжелых битумов. [3]
Таким образом, если катализ будет проходить в радиационном поле тория, то разорванные межмолекулярные связи в битумных сланцах позволят легче взаимодействовать органическому углероду с водородом. Все это даст возможность такие неконвенциональные органические ресурсы, как битумные горючие сланцы, перевести в подвижное состояние и извлечь из недр скважинами с поверхности Земли.
Для использования нового вида ядерного горючего урана-233, полученного из тория-232, необходимо провести на территории Беларуси оценочные работы магматических, метаморфических и осадочных образований как потенциальных источников для получения ядерного топлива и гамма-источников, что позволит создать базу для образования новой отрасли в республике – атомной промышленности.
Атомная энергетика 60-х годов 20 в. базировалась в основном на природном уране-235, запасы которого в мире невелики. Тогда в реакторостроении доминировали только тепловые реакторы. Использование тепловых нейтронов в ядерных реакциях позволяет извлечь из природного топлива только 1–1,5% ядерной энергии. Атомная энергетика второго этапа развития, базирующаяся на быстрых реакторах-размножителях, способна извлечь из природного урана в 60–70 раз больше энергии, чем это удается тепловым реакторам. Поэтому большое практическое значение приобретает воспроизводство ядерного топлива, т.е. переработка ядерного сырья – U-238,             Th-232 в делящиеся изотопы Pu-239 и U-233 в специальных реакторах- размножителях. [4].
Известно, что если воздействовать нейтронами природного обогащенного урана-235 на уран-238, то по нижеследующей реакции получим новое ядерное горючее 239Pu.

                      + n            ?                ?         
           238U ?  239U ?  239Np ?  239Pu (24360 лет)
             92                  92   23мин   93        2,3 дн   94

В дальнейшем можно обойтись без урана-235, использовать в качестве горючего плутоний-239, получая его при воспроизводстве в блоках урана-238.
Если воспользоваться торием-232 как исходным материалом и ураном-233 как последующим горючим, то по реакции:

                        + n              ??               ?                            
           232Th ?  233Th ?  233Pa  ?  233U (1,6?105 лет)
                    90                    90       23,5     91      27,4 дн  92
можно получить 10–15% воспроизводства горючего 233U. В таблице приведены используемые комбинации исходного горючего и поглотителей для воспроизводства новых делящихся продуктов.

Таблица. Комбинация горючего и поглотителя в реакторах-размножителях

Горючее U235  U235 Pu239 Pu239 U233 U233
Поглотители U238 Th232 U238 Th232 U238 Th232
Продукт Pu239 U233 Pu239 U233 Pu239 U233

Для развития ядерной энергетики Беларуси применение нового топливного торий-уранового цикла имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционным уран-плутониевым. Во-первых, ториевая цепочка распада значительно короче, чем урановая. Во-вторых, в продуктах деления тория (урана-233) практически отсутствуют, за исключением цезия-137, долгоживущие радионуклиды. В третьих, самое главное, в атомной энергетике используются отечественные сырьевые ресурсы.
Промышленное применение топливного торий-уранового цикла организовано в Индии. В настоящее время там работает реактор на ториевом сырье.
Как отмечено выше, на территории Беларуси урановых месторождений не выявлено. Многочисленные радиоактивные аномалии, фиксируемые в породах, были обусловлены преимущественно проявлениями тория в магматических, метаморфических и осадочных образованиях. Большая часть этих аномалий зафиксирована в пределах так называемого Житковичского-Микашевичского выступа кристаллического фундамента. На этой территории кристаллические породы фундамента залегают на глубинах с положительными абсолютными отметками, т.е. в непосредственной близости к земной поверхности. Здесь фундамент представлен гранитами и гранодиоритами Рудными минералами тория в этих породах является моноцит. Он присутствует совместно с редкоземельными элементами.
Для разработки Микашевичских гранитов в качестве строительного материала нами в небольшом объеме выполнялись лабораторные спектрометрические измерения естественной радиоактивности пород. Полученные результаты показали, что граниты Микашевичского месторождения содержат повышенные концентрации тория, достигающие первых единиц n?10 %. В настоящее время месторождение гранитов разрабатывает ПО «Гранит». Запасы гранитного камня по категориям  A+B+C1 составляют 168,2 млн. м3. [5]
Восточнее Микашевичского месторождения гранитов расположено аналогичное Житковичское месторождение. Средняя мощность вскрытых скважинами гранитов порядка 100 м, а запасы гранитного камня составляют 160 млн. м3.
В этом же районе имеются два небольших месторождения, представленных гранитогнейсами, гранодиоритами и другими слабо метаморфизованными гранитами. В этих породах рудными концентраторами тория выступают не только моноцитовые граниты, но и моноцитовые мигматиты. Суммарные запасы достигают 20 млн. м3.
Взятые по результатам исследований [3,6] среднее содержание тория в гранитах 30 г/т, а в мигматитах 15 г/т получим общие запасы тория в кристаллических породах Житковичского-Микашевичского выступа, равные 57866 т.
В данной работе для получения нового вида ядерного топлива – урана-233, выработанного из тория-232, по экономическим соображениям использованы только граниты и гранодиориты Житковичского- Микашевичского выступа кристаллического фундамента. На территории Припятского прогиба имеется положительный баланс тория и в осадочных образованиях нижнего триаса, каменноугольных и девонских отложениях [8, см. 5].
В поисковых работах, проводимых ранее на территории Беларуси, радиоактивные аномалии, связанные с торием, не анализировались, поэтому реальные запасы его на территории Республики Беларусь будут значительно большими. На это указывают те обстоятельства, по которым все выявленные месторождения Беларуси, исследованные на реакторе ИРТ, были «загрязнены» торием, а в качестве минеральной составляющей, мешающей минерагеническому анализу, всегда выступал торий.
Среди метаморфических образований Беларуси наиболее перспективна так называемая околовская серия. Она развита в центральной части Беларуси и выполняет узкую (10–30 км) грабенообразную структуру, простирающуюся на 200 км в северо-восточном направлении. Общая ее толщина около 10 км.
Серия сложена мелкозернистыми плагиогнейсами, сланцами и амфиболитами, содержащими местами пласты железистых кварцитов и карбонатсодержащих пород. К настоящему времени здесь выявлены руды железистых кварцитов Околовского и ильменит-магнетитов Новоселковского месторождений. В околовской серии также обнаружено редкоземельно-редкометального типа рудопроявление «Новоселки», расположенное у одноименной деревни Молодечненского района Минской области.
Нами проведены нейтронно-активационные исследования указанных руд и рудопроявлений, а также вмещающих пород [6]. Если полагать, что рудными минералами тория в изученной части околовской серии является моноцит, который присутствует совместно с редкими землями, то руды железистых кварцитов и ильменит-магнетитов характеризуются максимальными содержаниями только группы таких металлов, как железо, хром, кобальт, титан и минимальными – редких земель и редких металлов, таких, как торий-концентрации до 5 г/т. Вмещающие эти руды породы– гнейсы, плагиогнейсы и амфиболиты характеризуются относительно повышенным содержанием редкоземельных и редких элементов, в том числе и тория: 50–100 г/т.
Совсем другая картина наблюдается на рудопроявлении «Новоселки», представленного биотитовыми и амфиболитовыми сланцами околовской серии. Здесь отмечается четкое соответствие концентраций РЗЭ цериевой подгруппы и радиоактивного аналога – тория-индикатора этой подгруппы. Обнаруженные аномальные содержания церия от 2200 до 1600 г/т соответствуют концентрациям тория от 561 до 832,3 г/т. Уникальность здесь рудопроявления тория обусловлена еще тем, что оно связано с легкообогащаемыми моноцитовыми песками.
В связи с тем, что околовская серия исследована редкой сетью поисковых скважин, где более детально разведка велась только вокруг месторождений железистых кварцитов и магнетитов, поэтому оптимальные концентрации тория отражают вмещающие породы с содержанием 50–100 г/т. В редкометальном рудопроявлении «Новоселки» высокие значения тория 500–1000 г/т являются характерными для отдельных частей околовской серии.
Таким образом полученные запасы тория и произведенного из него ядерного горючего урана-233 в метаморфических образованиях (околовская серия) на глубине 500 м составляют 6 и 0,6 млрд.т соответственно.
Между тем, необходимо отметить, что это первый подход  к оценке магматических и метаморфических образований, как потенциальных источников получения нового ядерного топлива. Ведь на территории Беларуси толщина, например, метаморфических образований может достигать 10 км, а рудообразующими минералами тория там могут быть не только моноциты (Th, Ce, Y, La) PO4 – фосфаты тория и редких земель, но и силикаты тория (ThSiO4) – торит и торогуммит. Содержание окиси тория в первом достигает 81,5%, что значительно больше, чем в моноците, а последний имеет еще гидроксильную группу и его можно добывать при помощи скважин с поверхности земли. На территории Беларуси имеется положительный баланс тория и в осадочных образованиях.
Выше приведенные технологии будут реализовываться после проведения подготовительных работ в растянутом по времени интервале. Однако одну из них можно реализовать в короткие сроки. В Объединенном институте энергетических и ядерных исследований – Сосны разработана и изготовлена лабораторная установка получения водорода в радиационном поле. В процессе испытания получены положительные результаты по катализу тяжелых битумов. В Беларуси имеется порядка 400 млн. т трудноизвлекаемых вязких нефтей с большим дефицитом водорода. Необходимо изготовить опытно-промышленную установку и провести работы на месторождениях углеводородов Припятской нефтегазоносной области. Этим будет сделан значительный шаг к освоению громадных запасов битумных горючих сланцев Беларуси.
Строительство атомной электрической станции решит только часть (порядка 20%) проблему энергетической безопасности, поскольку дефицит в Республике обусловлен не электрической, а тепловой энергией.
В общем объеме топливопотребления доля топлива, расходуемого на выработку тепла для промышленного и коммунально-бытового теплоснабжения, составляет 35–40 %.
В настоящее время определены три области широкого применения ядерного тепла: 1) прямое использование тепла для технологических процессов в промышленности, требующих температур свыше 800?С;             2) использования технологического пара при температурах 200–300?С в различных отраслях промышленности; 3) использования температур коммунально-бытового теплоснабжения (для подогрева сетевой воды).
При этом высокотемпературное тепло, содержащееся в водяном паре, невыгодно транспортировать дальше 1 км, а промышленное низкотемпературное тепло (температура 320?С) – далее 5 км.
Ядерное горючее, обладая гораздо большей теплотворной способностью по сравнению с обычными горючими материалами, во многих случаях может быть экономически более выгодным источником энергии.
Для ядерной энергетики представляет интерес только самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Эта реакция происходит в результате расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две примерно равные по массе части (осколки  деления). Вынужденное деление слабовозбужденных ядер и спонтанное деление происходит не симметрично: отношения масс легкого и тяжелого осколков равны примерно 2:3.
Реакция деления, называемая релятивистской, при использовании в качестве источника возбуждения ускорителя протонов, а в качестве объекта деления металлизированного тория становится экзотермичной. Она, в зависимости от мощности ускорителя протонов, приобретает значительный положительный заряд и мощный избыток энергии. Последний может быть в качестве источника тепла вместо поставляемого газа.
Таким образом, анализ материалов показывает, что сырьевые ресурсы тория в республике позволят обеспечить энергетическую безопасность Беларуси при выполнении следующих условий:
во-первых, при строительстве атомной станции на территории Беларуси применить новый экологически более безопасный торий-урановый топливный цикл, полученный из отечественного тория (Th232 ? U233);
во-вторых, для извлечения вязких нефтей и битумных горючих сланцев использовать проникающее излучение гамма-квантов тория и полученного в радиационном поле водорода;
в третьих, провести на территории Беларуси работы с бурением скважин до глубины 1000 м для оценки магматических, метаморфических и осадочных образований как потенциальных источников для получения нового ядерного топлива и гамма-источников тория.

Литература
1. Ажгиревич Л.Ф. Закономерности размещения и образования горючих ископаемых Мн: Наука и техника, 1986. С.174.
2. Смыслов А.А. Ядерно- физические свойства минералов и горных пород// Справочник геофизика под ред. проф. Н.В. Дортман// М.: Недра, 1976 С. 280- 313.
3. Сальников Л.И. Проточная экспериментальная лабораторная установка (ПЭЛУ) Информационный листок. ОИЭЯИ – Сосны НАНБ. 2005. 1 с.
4. Мухин К.Н. Введение в ядерную физику. М.:Атомиздат, 1965. 718 с.
5. Высоцкий Э.А., Демидович Л.А., Деревянкин Ю.А. Геология и полезные ископаемые Республики Беларусь – Мн.: Университетское, 1996. 182 с.
6. Хайбуллин А.Ш. Ядерные геофизические технологии оценки минеральных ресурсов и геоэкологии Мн. НАНБ «АРТИ- ФЕКС», 2004. С.99.
7. Ковалев В.А. Баланс тория в осадочных породах нижнего триаса Припятского прогиба// Докл. АН БССР, 1962. Т.6. №10. С.656–660.