Как известно, плутоний – один из самых неоднозначных химических элементов. Свойства позволяют использовать его как для энергетики, так и для создания ядерного оружия.
Элемент №94 Периодической системы Д.И. Менделеева, названный плутонием (Pu) в честь планеты и мифологического повелителя загробного мира, – в глазах общества, вероятно, самая «черная овца» в дружной семье химических элементов. Эта точка зрения имеет под собой веское основание: плутоний практически не встречается в природе, он «появился на свет» для создания ядерного оружия.
Плутоний имеет крайне интересные химические (пять степеней окисления) и уникальные металлические (семь аллотропных форм с плотностью от 15,9 г/см3 для β-Pu и до 19,8 г/см3 для α –Pu) свойства. Необходимо отметить также высокую радиотоксичность этого элемента – его изотопы 238Pu; 239Pu; и 240Pu являются мощными альфа-излучателями. А в результате бета-распада относительно короткоживущего изотопа 241Pu образуется 241Am – еще один высокоактивный альфа-излучатель. За счет реакции α – на легких ядрах кислорода оксид плутония характеризуется также повышенным уровнем нейтронного излучения.
Однако плутоний, попавший в форме устойчивого оксида PuO2 после ядерных испытаний в среду обитания человека, вполне инертен, в воде не растворим, хорошо сорбируется на компонентах грунтов и растениями практически не усваивается – так, что вопреки расхожему мнению, радиологической угрозы не представляет. Это подтверждает, например, анализ структуры средней дозы облучения от естественного и техногенного фона в местах расположения предприятий атомной энергетики и промышленности: в среднюю индивидуальную дозу человека 3,19мЗв/год основной вклад вносят радон (50%) и другие внешние природные источники, включая космическое излучение (40%), а за счет внутреннего облучения еще 5% добавляет природный 40К.
Вместе с тем на предприятиях, где изготавливается ядерное топливо или перерабатывается отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), плутоний отделяется от урана и продуктов деления, принимаются все необходимые меры для защиты персонала как от внешнего гамма- и нейтронного облучения, так и от попадания аэрозолей плутония в легкие.
Перечисленные особенности плутония, а также большое накопленное количество этого элемента, включая плутоний оружейного качества, делают актуальным анализ возможных путей сокращения этих запасов.
Плутоний образуется в ядерном топливе реакторов в результате захвата нейтрона изотопом 238U, ведущим к образованию 239U, который в результате бета-распада сначала превращается в 239Np, а затем – в 239Pu. Изотопы плутония 240Pu, 241Pu, 242Pu и 243Pu образуются, в свою очередь, в результате последовательных нейтронных захватов. Большая часть 238Pu образуется в результате (n, 2n) реакций. С практической точки зрения образование изотопов заканчивается на 242Pu, потому что период полураспада 243Pu составляет всего пять часов.
Оружейный плутоний, или плутоний оружейного качества, определяется как плутоний, имеющий отношение 240Pu к 239Pu менее 0,1. При производительности такого плутония выгорание ядерного топлива не превышает 1ГВт·сут/тU, а наработка плутония – менее 1кг на тонну облученного урана. Принято считать, что в одной тонне ОЯТ реакторов типа PWR/ВВЭР при выгорании более 50 ГВт·сут/тU накапливается на порядок большее ~10 – 12 кг плутония энергетического качества.
Изотопный состав энергетического плутония зависит как от типа реакторов, так и от уровня выгорания ОЯТ (табл.1).
Плутоний оружейного качества называют низкофоновым, так как он содержит минимальные количества относительно короткоживущих изотопов 238Pu и 241Pu. Соответственно, энергетический плутоний, выделенный из ОЯТ АЭС высокофоновым по гамма- и нейтронному потоку.
Так как общий объем ОЯТ АЭС в мире сегодня оценивается в 300000 тТМ (тТМ – тонны тяжелых металлов, т.е. урана и плутония), из них~250000тТМ в странах ОЭСР, суммарное количество наработанного мировой атомной энергетикой высокофонового плутония можно оценить в 3000 тонн.
В РФ на хранении находится порядка 10% от приведенного количества накопленного ОЯТ (~25000 тТМ), что соответствует ~ 200 тоннам плутония из-за относительно низкого его содержания в ОЯТ реакторов (табл. 2).
В этом случае, радиохимическая переработка ОЯТ должна обеспечить снижение темпов его накопления и сгладить остроту проблемы его длительного хранения и захоронения. Однако это операция может работать только при замыкании ядерного топливного цикла с полным поворотным использованием выделенных ядерных материалов – регенерированного урана и энергетического плутония, что в свою очередь, возможно только при наличии реакторов АЭС на тепловых нейтронах, имеющих лицензию на загрузку топлива, содержащего плутоний, а также необходимого количества быстрых реакторов, способных многократно использовать энергетический плутоний. Такая конфигурация ядерной энергетической системы получила название двухкомпонентной.
Франция, Бельгия, Германия и Швейцария при переработке своего ОЯТ на заводах UP-2/UP-3 (до 1700тТМ в год) и полной загрузке заводов по производству уран-плутониевого топлива в Десселе и Маркуле достигли определенных успехов в снижении объемов ОЯТ, изначально представлявшего собой чисто урановое топливо. Использование МОКС-топлива, произведенного на основе смеси оксидов урана и выделенного энергетического плутония, позволило сократить темп накопления ОЯТ примерно в 8 раз. Фактически эти объемы все же растут ввиду нецелесообразности переработки ОЯТ-МОКС (МОКС – ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов) из-за деградации изотопного состава, содержащегося в нем плутония и невозможности последующего его использования в реакторах на тепловых нейтронах.
При попытке пойти по стопам Франции и запустить свой комплекс замыкания ЯТЦ в Селлафилде Великобритания потерпела неудачу: построенный в 1997 году завод SMP (Sellafield MOX Plant) проектной мощностью 120 тТМ/года за период его эксплуатации (2001 – 2011 годы) произвел всего 13,8 т МОКС-топлива; он был закрыт после аварии на «Фукусиме-1» и потери японских заказов.
Таким образом, бриты попали в «плутониевую ловушку»: к 2014 году у них образовался крупнейший в мире – более 100 тонн – склад выделенного энергетического плутония, для утилизации которого правительство страны до настоящего времени не нашло приемлемого решения. Накопленное в Великобритании количество энергетического плутония вполне сопоставимо с национальными запасами оружейного плутония, наработанного в ходе гонки вооружений как в США (рис 1, а и б), так и в СССР (согласно российского законодательства весь советский оружейный плутоний является федеральной собственностью России).
Кроме этого, следует отметить, что, по сообщению Комиссии по атомной энергии Японии (JAEC), запасы энергетического плутония внутри Японии и за рубежом к концу 2020 года составили 46,1 тонны (табл.2).
Перспективы обращения с плутонием. В настоящее время существует две стратегии обращения с плутонием, как находящимся в составе ОЯТ, так и извлеченным из него. Первая – это захоронения плутония в составе ОЯТ, либо извлечение его с радиоактивных отходов (РАО) и последующее его захоронение, аналогичное захоронению ОЯТ. Сторонники такого подхода полагают, что плутоний захороненный в составе ОЯТ представляет меньшую опасность с точки зрения возможности его использования для создания ядерного оружия. Становится очевидным, что при таком подходе энергетический потенциал плутония будет потерян навсегда, а надежность обеспечения его неизвлекаемости из хранилищ сомнительна.
Объект геологического захоронения, содержащий многие тонны плутония, потребует обеспечения физической ядерной безопасности в течение неопределенного периода времени.
Вторая стратегия –действовать в соответствии с положениями «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века», одобренной правительством России в 2000 году. Эта стратегия постоянно обновляется Росатомом. Сегодня она предполагает развития атомной энергетики на перспективу до 2100 года через совершенствование технологии ВВЭР с постепенным переходом к двухкомпонентной ядерной энергетике. При реализации стратегии предусматривается выход на равновесное состояние уран-плутониевого цикла: произведенный плутоний будет полностью потребляться. При этом будут востребованы запасы обедненного урана: для собственных нужд России их хватит на несколько столетий (рис. 2).
Однако существуют препятствия, в частности, экономического характера, связанные как с инвестиционной, так и с эксплуатационной составляющими. Сегодня производство сравнительно небольших объемов МОКС – топлива, не говоря о других типах уран-плутониевого топлива, обходится дороже топлива на основе обогащенного урана.
Таким образом, использование плутония для нужд атомной энергетики проблематично, пока цены на уровне топливо относительно низкие.
До тех пор, пока Россия не сформировала экономический устойчивый кластер на базе серии РБН с объектами замыкания ЯТЦ, продолжать переработку ОЯТ водо-водяной энергетический реактор и даже просто наращивать запасы выделенного энергетического плутония представляет нецелесообразным. Вместе с тем уже сегодня можно было бы рассмотреть опцию утилизации плутония в реакторах быстрых нейтронов (РБН) типа БН – 800 и планируемом БН – 1200 с отложенной переработкой образующегося уран- плутониевого ОЯТ, тем самым существенно снижая финансовую нагрузку на эксплуатацию быстрых реакторов.
По оценкам авторов, опция отложенной на 15-20 лет переработки ОЯТ БН вполне может быть обеспечена существующими в России резервами мощностей хранения ОЯТ АЭС на объектах Росатома, а также позволит значительно снизить риски, связанные с длительным хранением десятков тонн выделенного энергетического плутония. С учетом среднего содержания плутония в МОКС-топливе РБН на уровне 20%, такой подход позволил бы значительно сжать объемы хранящегося ОЯТ действующих АЭС, сохраняя при этом возможность с последующей переработки ОЯТ РБН для извлечения требуемых объемов плутония и обеспечивая баланс выделяемого количества плутония и его потребления.
Хранение и переработка таких радиоактивных отходов (РАО) является основной задачей РосРАО. Разберем пошагово этот процесс.
Шаг 1. Транспортирование. Ядерные отходы принимаются на территории всей России, от любых предприятий. Учет радиоактивных отходов тщательно ведется специальной системой (рис. 3,а).
От предприятий радиоактивные отходы доставляются в отделения РосРАО специализированным автотранспортом в специально разработанных контейнерах в сопровождении службы безопасности дорожного движения. Жидкие и твердые отходы привозят в разных контейнерах, которые сильно отличаются по внешнему виду и внутреннему устройству (рис. 3, б).
Шаг 2. Сортировка и переработка. Переработка позволяет перевести радиоактивные отходы в форму, необходимую для безопасной транспортировки, хранения и захоронения. Транспорт с радиоактивными отходами приходит в зону переработки. Там отходы разгружаются и сортируются.
Жидкие отходы проходят процедуру выпаривания или специальную химическую очистку. После переработки жидкие отходы превращаются в твердые.
Твердые отходы сжигают или прессуют, превращая их в специальные таблетки.
Сжигание уменьшает объем твердых радиоактивных отходов примерной в 30 раз.
Шаг 3. Упаковка отходов. Спрессованные отходы укладывают в бочку. После переработки отходы бетонируют, чтобы надежно изолировать радиоактивные вещества. Сначала бетон заливают в саму бочку (рис.4). Система последовательной упаковки похожа на матрешку, только стенки этой матрешки очень прочные, выход радионуклидов за пределы контейнера практически невозможен.
Затем бочки помещают в контейнер. На всех этапах тщательно замеряют уровень радиации.
Шаг. 4. Хранение отходов. Эти сооружения временные хранилища, они сделаны из монолитного бетона. После того, как отходы переработали и правильно упаковали, они готовы к долговременному хранению – их можно складировать в специально разработанных для этого помещениях. Штабелями здесь укладываются бетонные контейнеры и ждут своего срока для перемещения в пункт окончательной изоляции. Далее отходы захоранивают.
За все время эксплуатации таких хранилищ (свыше 50 лет) – ни на одной из площадок РосРАО не произошло каких-либо опасных инцидентов.
Международные нормы и политические соглашения не позволяют захоронение отходов в Антарктических льдах, так как есть опасность нанесения вреда экологии.
В связи с экологической опасностью был принят добровольный мораторий на захоронение отходов в морских глубинах.
Сейчас данный вид захоронения официально запрещен Лондонской конвенцией.
Один из способов – наземный приповерхностный пункт захоронения отходов. Инженерные сооружения находятся на поверхности земли, образуя возвышение. Эти сооружения безопасны, они из стали и бетона.
Другой тип – траншейное захоронение (рис. 5). Отходы, размещаются в земле, в траншеях, затем последовательно укрывают несколькими защитными слоями (рис. 6).
Заглубленные хранилища строят до 100 метров под землей. Здесь отходы размещают в специальные отсеки глубоко под землю через технологические туннели. В таких хранилищах отходы защищены не только прочной упаковкой, но и природным геологическим барьером.
Так, в Швеции и Финляндии такие хранилища созданы в кристаллической породе, в Германии – в солевой породе, в Бельгии – в глине, возраст которой много миллионов лет.
Сооружение первого Российского подземного пункта захоронения радиоактивных отходов сейчас ведется в Ленинградской области, в городе Сосновый Бор.
Сверху сюда будут доставляться бетонные контейнеры с отходами, которые складываются друг на друга в несколько рядов. Каждая такая секция после загрузки будет закрываться бетонными перегородками, а межконтейнерное пространство заполняться связующим материалом.
Специалисты рассчитали, что следить за таким объектом нужно не меньше 500 лет, притом, что низко и среднеактивные отходы не будут опасны уже через 300 лет.
В здании перегрузки одновременно будут находиться минимальное количество транспорта и контейнеров, поэтому аварии не смогут вызвать утечки радиации за пределы объекта.
По подземному коридору погрузчик с контейнерами РАО доезжает до нужной секции, где начинается его подъем в свободную ячейку (рис.7).
Специальный кран, грузоподъемностью 40 тонн поднимает привезенный контейнер и перекладывает на тележки, специально сконструированные для работы под землей.
После заполнения секции хранилища, передней возводится бетонная перегородка, отделяющая контейнеры от остальной части туннеля.
Далее межконтейнерное пространство внутри секции заполняется связывающим материалом, что обеспечивает беспрецедентный уровень безопасности и сохранности контейнеров в течение времени.
Поэтому, вопрос обращения с радиоактивными отходами очень значим для любой страны в мире. В России это деятельность строго регламентируется. За эффективность и безопасность радиоактивных отходов отвечает РосРАО. Существует закон, в котором определено, что отходы атомных производств и накопленные радиоактивные отходы подлежат обязательному захоронению!
Для такой важной работы в России создан Национальный оператор – государственная компания, монопольно отвечающая за захоронение всех радиоактивных отходов в стране.
Таким образом, напрашивается вывод: Радиационные технологии – это самый точный хронометр, который используются как мировой эталон времени. Секунда – 9 192631770 периодов излучения атома Цезия – 133. Погрешность не более секунды за 30000000 лет.
Такие точные атомные часы важны в навигации, определении положения космических кораблей, работе базовых станций мобильной связи, спутники GPS и Глонасс.
Атомные в спутниках не только часы, а также источники электричества, которые преобразуют тепло от распада атомов в электричество. На таком источнике питания работают все космические аппараты.
Кроме этого, радиационные технологии хорошо зарекомендовали себя в археологии и криминалистике. Когда организм умирает, он перестает поглощать углерод и его концентрация в умершем организме уменьшается. Определив уровень углерода, можно установить дату смерти организма. Определив возраст растительных компонентов холста и красок, мы узнаем возраст всей картины. Это основной метод датировки в археологии.
Материалы собраны, систематизированы и подготовлены доцентом кафедры «Электроэнергетика» ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В. Даля, к.т.н., Парсентьевым Олегом Сергеевичем.