[Конспекты…] Нептуний… плутоний… уран… прочие… Часть II

Топливные сборки в атомном реакторе работают несколько лет, вырабатывая примерно 50 ГВт энергии на тонну урана. А потом их извлекают и отправляют... Нет, не на переработку, а в хранилище. Казалось бы, такое решение нелогично – в них остаются довольно большие запасы делящихся изотопов, которые можно использовать для изготовления нового топлива.

Возьмем типичный российский реактор атомной электростанции – ВВЭР-1000. Если в него загружена тонна уранового топлива, то она содержит 44 кг делящегося урана-235, а остальное – не участвующий в ядерной реакции уран-238. Через три года уран-235 выгорит и в выгруженном топливе окажется 40 кг продуктов его деления, а также около 11 кг долгоживущих актиноидов, а именно 10 кг плутония плюс 600 г нептуния, 200 г америция и 60 г кюрия. Последние три называют минорными актиноидами, потому что их содержание примерно в сто раз меньше, чем основного актиноида отработанного топлива – плутония.

И накопилось в мире этих актиноидов по состоянию на 2006 год ни много ни мало, а 110 тонн в отработанном топливе и еще 60 тонн в отстойниках, где хранятся отходы от переработки этого топлива. К 2020 году МАГАТЭ еще совсем недавно ожидало удвоения этого количества (правда, эти оценки были сделаны до Фукусимы и сворачивания ядерных программ в некоторых странах).

Вред от минорных актиноидов двойной. Во-первых, они бесцельно, не вырабатывая потом энергии, поглощают тепловые нейтроны, то есть служат так называемыми реакторными ядами: ведь именно эти нейтроны вызывают деление ядра урана-235 и обеспечивают прохождение цепной реакции. Минорные актиноиды делятся при нейтронной бомбардировке, но для этого нужны быстрые нейтроны, в подавляющем же большинстве энергетических реакторов их нет. А во-вторых, помимо живучести, они еще и сильно радиоактивны.

Ситуация с отработанным топливом по данным Международного агентства по ядерной энергии сегодня выглядит так. Среди радиоактивных продуктов деления поначалу наиболее значимы иод, цезий и стронций. Имея период полураспада менее 31 года, спустя 80 лет их вклад в радиоактивность и теплоыделения из отработанного топлива уходят на уровень фона. А минорные актиноиды живут гораздо дольше – сотни тысяч и миллионы лет. Если учесть их содержание в отработанном топливе, то окажется, что его радиация сравняется с фоновой через 130 тысяч лет после того, как топливо выгрузят из реактора! При этом в результате радиоактивного распада происходит постоянное выделение тепла; его мощность – более ста ватт на каждую тонну отработанного топлива, и она находится на этом уровне первые 900 лет. Нельзя сказать, что это чрезмерно много, однако забывать про нагрев никак нельзя, ведь он сказывается на прочности защищающих топливо материалов: чем сильнее нагрета оболочка сборки, тем быстрее она разрушится, а разрушенный топливный элемент – это утечка радиоактивных веществ в окружающую среду. Если брать в расчет фантастические сроки – десятки тысяч лет, то получается, что система хранения отработанного топлива должна обладать колоссальным запасом прочности.

Это обстоятельство справедливо вызывает замечания со стороны противников атомной энергетики, которые говорят так. Сейчас цена киловатта электричества, полученного на атомной станции, оказывается гораздо ниже, чем из других источников электричества. Но туда совсем не в полном объеме включены затраты на хранение отработанного топлива и меры безопасности, а если все посчитать правильно, то эта энергия окажется столь дорогой, что никто в здравом уме и трезвой памяти не станет ее использовать.

Атомщики с этим тезисом не согласны, однако от проблемы не отмахиваются и намечают пути ее решения. Ведь если изъять из отработанного топлива хотя бы плутоний, то ситуация уже существенно улучшится. Изъяв же все долгоживущие элементы, например 99,5% америция и 99% кюрия, можно добиться, что радиоактивность придет к фоновой уже за несколько сотен лет. Поэтому требуется экономически эффективная технология выделения минорных актиноидов из топлива с их последующей утилизацией.

В принципе, технологии выделения известны: их отработали при изготовлении плутония для ядерного оружия. Однако сейчас из отработанного топлива если что и извлекают, то невыгоревшие уран и плутоний, остальные же актиноиды оказываются в отходах. Это плохо. Например, если извлечь не 99% кюрия, а всего 90%, то радиоактивность сравняется с фоновой не через пять веков, а через полтора тысячелетия. Поэтому надо бы извлекать не только весь плутоний, но и весь нептуний, америций и кюрий. А что с ними делать дальше?

Тот, кто проделает работу по извлечению, получит дополнительную головную боль. Плутоний, нептуний, да и америций, если его много, можно использовать для изготовления ядерного оружия. Значит, требуется, во-первых, обеспечить их безопасное складирование, а во-вторых, убедить всех, что не станешь использовать эти элементы не иначе, как топлива. Сейчас в мире находится 250-300 тонн оружейного плутония (запас на 40 тысяч хиросимских бомб) и еще 200 тонн реакторного – в основном в РФ, США, Франции, Великобритании, Японии, ФРГ, а также КНР, Аргентине, Индии и в Израиле. Куда же его девать?

Существует три способа. Первый – подмешать плутоний и, возможно, минорные актиноиды в урановое топливо для обычных атомных электростанций на тепловых нейтронах. Это топливо называют МОКС, то есть топливо из смеси оксидов металлов. Его использование – дело непростое и рискованное, ведь проектировали реакторы под другое топливо, и надо точно просчитать все, чтобы нагрузка на материалы, тепловая и радиационная, после такой замены не изменилась. Эту задачу ядерщики решают – почти полсотни реакторов в Бельгии, Франции, Японии получили разрешение МАГАТЭ на использование МОКС-топлива, которое делают во Франции уж более четверти века. На заводе в Ла Аге переработано свыше 24 тыс тонн отработанного ядерного топлива, а эксплуатация реакторов, сжигающих МРКС-топливо, показала, что воздействие на окружающую среду очень мало.

А вот в США проект завода в Саванна-Ривер по производству этого топлива для тепловых реакторов в 2019 году окончательно закрыли. Не исключено, что тут важную роль играет экономика. Например, есть оценки, что топливо из вторичного плутония в пять-шесть раз дороже, нежели свежеизготовленное из урана. Топливо из нептуния или америция выйдет еще дороже. Вот их по большей части и складируют в том виде, как есть, для будущего использования, хотя часть плутония все-таки извлекают.

Более совершенным считается сжигание МОКС-топлива в реакторах на быстрых нейтронах. Тогда в него можно положить гораздо больше и плутония, и минорных актиноидов: все они под действием быстрых нейтронов сгорят, то есть испытают деление, а его продукты, как было сказано, менее опасны. Дополнительно можно организовать наработку плутония-239, которого получится даже больше, чем сгорело. Считается, что благодаря этому чудесному феномену – получению топлива в результате его сгорания – атомная энергетика на быстрых нейтронах проработает тысячелетия, тогда как реакторы на тепловых нейтронах всё израсходуют к началу XXII века.

Несмотря на блестящие перспективы, практика показала, что построить реактор весьма сложно. За это дело принимались и американцы, и французы, и немцы, и японцы, однако успеха добились лишь в СССР и перенявшие эстафету ядерщики РФ. Если во всех остальных странах реакторы на быстрых нейтронах были закрыты, то в РФ продлен срок службы построенного еще в советское время реактора БН-600, а в 2016 году был запущен новый реактор БН-800; к 2030 году должны построить еще два БН-1200, стоимость которых будет сравнима с реакторами на тепловых нейтронах. БН-800 как раз и использует МОКС топливо для своей

работы. В некоторых концепциях будущего ядерной энергетики предусматривается, что реакторы на тепловых нейтронах станут производить плутоний, который затем послужит топливом для реактора на быстрых нейтронах; выработанный на нем плутоний станут использовать как компонент топлива реактора на тепловых нейтронах. В идеале топливный цикл удастся замкнуть, нептуний, америций и кюрий – сжечь, а захоранивать станут лишь продукты деления.

Третий способ – сжечь нептуний, америций и кюрий с помощью ускорителя. В этой концепции имеются мощный нейтронный источник и подкритический реактор – в нем выработки нейтронов не хватает, чтобы запустить цепную реакцию. Нейтроны, сколотые ускоренными протонами с ядер свинца, попадают на мишень, состоящую исключительно из минорных актиноидов, без плутония. В результате идет трансмутация, а лишние нейтроны расходуются в ядерной реакции для выработки энергии. Ее получается немного, основная часть идет на работу ускорителя, однако при этом исключается необходимость добавлять нептуний, америций и кюрий в топливо атомного реактора. То есть снижается риск аварий из-за того, что с чем-то переборщили, а чего-то не доложили.

Сейчас еще неясно, какой способ выберут специалисты, поэтому опасные компоненты отработанного топлива лежат нетронутые, ожидая, когда техническая мысль человека достигнет необходимой высоты и будет найден надежный, а также экономически привлекательный способ вовлечения их в производство энергии.