Новые виды ядерного топлива: мокс-топливо – энергетическое будущее человечества

Вид материала

Документы

Содержание Применение МОКС в качестве ядерного топлива: проблемы безопасности Применение реакторного плутония в ядерном оружии Устройство атомной бомбы Ядерный терроризм

Подобный материал:

• Задачи: 1 изучить доступный материал по вопросу мокс-топлива 2 обосновать вопросы перспективности, 246.89kb.
• Вопросы строительства завода по производству мокс-топлива на Сибирском химическом комбинате, 146.45kb.
• Вопросы конкурентоспособности россии на мировом рынке атомной энергетики, 15.5kb.
• Какое количество ядерного топлива было выброшено в окружающую среду?, 553.08kb.
• Чернобыль: Новый безопасный конфайнмент и Хранилище отработавшего ядерного топлива, 94.28kb.
• Российское Энергетическое Агентство, 1806.87kb.
• Техническое задание на право заключения договора на поставку автомобильного бензина, 32.15kb.
• Г томска, 417.62kb.
• Лекция №1 введение, 756.44kb.
• 0251 Нефтепродукты светлые. Альтернативные виды топлива Этанольное моторное топливо, 119.29kb.

Применение МОКС в качестве ядерного топлива: проблемы безопасности

С окончанием периода «холодной войны» угроза начала мировой войны с применением ядерного оружия уменьшилась почти до нуля. Ее место заняла опасность распространения ядерного оружия и применения его ранее не обладавшими им государствами или группами, что может произойти в случае, если в их руки попадет высокообогащенный уран или плутоний.

В настоящее время основная угроза безопасности в связи с ядерным оружием возникает из-за распространения его на страны, ранее им не обладавшие. Пока лишь восемь государств обладают ядерным оружием. Это Китай, Франция, Россия, США, Великобритания, Израиль, Индия и Пакистан.

На данный момент США располагают 9500 ядерных боеголовок, Россия - примерно 10500. Если разрабатываемые в настоящее время соглашения о сокращении вооружений вступят в силу, Россия и США уменьшат свои ядерные арсеналы до примерно 5000 с каждой стороны к 2003 году. Но даже после столь значительного сокращения эти две страны будут обладать весьма внушительными запасами ядерного оружия.

Великобритания располагает 400 ядерных боеголовок; Франция примерно 500; Китай, вероятно, около 400; Израиль около 200; Индия около 40; Пакистан примерно 7. Можно также предполагать, что Иран, Ирак и Северная Корея стремятся к созданию ядерного оружия.

Тем не менее, маловероятно, что какой-либо стране удастся войти в клуб ядерный держав в течение ближайших 10-15 лет. В течение этого периода произойдет широкое распространение атомных технологий, ориентированных на мирное применение (но которые можно использовать для развития военных программ). Одновременно будет происходить распространение технологии создания баллистических ракет. Опасное сочетание! Когда это произойдет (а можно опасаться, что это случится примерно через 10-15 лет), распространение ядерного оружия может пойти быстрыми темпами.

Сейчас значительное внимание уделяется деятельности ядерных держав по модернизации их ядерных вооружений («вертикальная гонка вооружений»). Однако не следует недооценивать опасности, которые таит в себе попадание ядерного оружия в распоряжение государств, ранее его не имевших («горизонтальная гонка вооружений»), поскольку это создает угрозу применения ядерного оружия в будущих локальных конфликтах.

Обретение какой-либо державой статуса ядерной будет дестабилизировать обстановку в соответствующем регионе. Более того, одна лишь возможность такого обретения наносит ущерб безопасности, заставляя страны-соседи напрягать силы, чтобы не отстать от лидера. Например, если Япония начнет работать над созданием ядерного оружия, Северная и Южная Кореи будут склонны сделать то же, а Китай, вероятно, займется наращиванием ядерных арсеналов.

Кажется маловероятным, что правительства будут принимать политические решения о создании ядерного оружия в ближайшее время, зато риск попадания ядерного оружия в руки террористов все возрастает. Эта опасность уже стала более актуальной, чем угроза мировой ядерной войны, по крайней мере, в ближайшей и среднесрочной перспективе.

Террористы неизменно стремятся к нанесению возможно большего ущерба. От ставших привычными попыток взрыва самолетов они переходят к более серьезным действиям, таким как атака с использованием нервно-паралитического газа в Токио. Этот пример показывает, что лидеры террористических группировок не останавливаются перед применением современного оружия массового уничтожения - в данном случае химического. Ядерное оружие может стать следующим в этой цепи.

Использование МОКС в качестве топлива для ядерных реакторов с последующим выделением плутония из отработанных топливных элементов резко увеличивает опасность попадания делящихся материалов, пригодных для изготовления ядерного оружия, в руки агрессивно настроенных государств и террористов. В простейшей атомной бомбе вся энергия взрыва возникает за счет реакции деления ядер.

Ниже описано устройство плутониевой атомной бомбы имплозионного типа. Те, кому удастся ее изготовить, могут быть уверены в том, что она сработает - им не потребуется проводить испытаний, так что изготовление и последующее размещение взрывного устройства можно будет осуществить в тайне.


Чем привлекательно МОКС-топливо для потенциальных изготовителей ядерного оружия

Применение реакторного плутония в ядерном оружии

В зависимости от технологии изготовления плутоний может иметь различный изотопный состав. Плутоний, производимый как побочный продукт на атомной электростанции, работа которой оптимизирована для наиболее экономически эффективного производства электроэнергии, называется реакторным плутонием. Плутоний может также производиться в специальных реакторах с целью его последующего военного применения. Этот плутоний называется оружейным плутонием. Он отличается от реакторного плутония пониженным содержанием изотопа 240. Чем меньше содержание этого изотопа, тем лучше подходит плутоний для создания ядерного оружия.

Ядро ²³⁹Pu распадается после захвата им нейтрона. Напротив, ядро ²⁴⁰Pu распадается самопроизвольно - для этого не требуется дополнительный нейтрон. Если в смеси изотопов плутония присутствует ²⁴⁰Pu, он создает постоянный поток нейтронов, выделяющихся при его распаде. В оружейном плутонии этот поток составляет 66 нейтронов на грамм вещества в секунду, в реакторном - 360. Чем выше этот поток, тем выше вероятность того, что бомба взорвется преждевременно (до полного сближения ее элементов, в сумме составляющих критическую массу); в этом случае мощность взрыва может сильно отличаться от расчетной. Для компенсации этого эффекта конструкторы бомбы могут организовать ускоренную имплозию (сближение блоков делящегося материала, составляющих вместе критическую массу). Чем быстрее происходит имплозия, тем более точно можно предсказать мощность взрыва (и тем эта возможность больше).

Устройство атомной бомбы

Чтобы изготовить обычную атомную бомбу, в которой вся энергия взрыва получается за счет реакций деления ядер и в которой сверхкритическая масса достигается с помощью имплозии, необходимы следующие компоненты:

• вспомогательные заряды из обычных взрывчатых веществ очень высокого качества;
  
• надежные детонаторы для этих зарядов;
  
• электронные цепи управления для того, чтобы детонаторы сработали в строго определенные моменты времени в заданной последовательности;
  
• рефлектор и отражатель нейтронов;
  
• сфера из делящегося материала (плутония или высокообогащенного урана)
  
• источник нейтронов для инициирования цепной ядерной реакции.
  

При взрыве вспомогательных зарядов они равномерно сжимают плутониевую сферу. При этом уменьшается объем и возрастает плотность.

Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. До взрыва вспомогательных зарядов делящийся материал имел массу ниже критической; после сжатия его масса оказывается выше критической, и начинается цепная ядерная реакция деления - происходит взрыв.

Плутониевая сфера в центре бомбы окружается оболочкой из бериллия или урана, которая отражает обратно часть нейтронов, покидающих плутониевую сферу. Эта оболочка значительно уменьшает критическую массу.

Так, например, критическая масса оружейного плутония в -фазе равна 11 кг; радиус плутониевого шара такого веса равен 5 см, размер крупного апельсина. Если окружить плутониевый шар отражателем нейтронов из природного урана толщиной 10 см, критическая масса плутониевого шара падает до 4,4 кг, а диаметр - до 3,6 см (немного крупнее мандарина).

Оболочка материала-отражателя окружена, в свою очередь, оболочкой из тяжелого материала - природного или обедненного урана - играющей роль рефлектора. При взрыве вспомогательных зарядов ударная волна сжимает рефлектор. Инерция рефлектора некоторое время удерживает от разлета плутониевое ядро в начальной фазе взрыва, благодаря чему успевает произойти больше реакций деления и мощность взрыва оказывается больше.

Очень скоро после начала цепной реакции плутониевая сфера начинает очень быстро расширяться (скорость расширения достигает 1000 км/сек). За менее чем микросекунду (миллионную долю секунды) размер и плотность делящегося материала меняются таким образом, что его масса становится меньше критической и цепная реакция прекращается. Чтобы взрыв был мощным, необходимо удержать делящийся материал от разлетания возможно дольше, с тем чтобы как можно больше ядер успело принять участие в реакции.

Точный выбор времени детонации каждого из вспомогательных зарядов имеет очень большое значение. Этих зарядов должно быть достаточно много (обычно их 40 или около того), поскольку чем их больше, тем более правильную форму имеет ударная волна, и тем более симметрично сжимается делящийся материал. Нужно также, чтобы каждый из них сработал в очень строго определенный момент времени - нужна микросекундная точность.

Форма каждого вспомогательного заряда специально рассчитывается и должна выдерживаться с высокой точностью. Обычно эти заряды имеют достаточно сложную форму. Бризантное взрывчатое вещество, такое как циклотетраметилен-тетранитрамин, должно быть очень чистым и иметь строго однородную консистенцию по всему объему.

Для достижения максимальной эффективности, цепная реакция деления в атомной бомбе должна начинаться точно в момент наивысшей сверхкритичности, т.е. в момент наибольшего сжатия. Для этого реакцию инициируют внешним нейтронным пучком. В современных бомбах этот пучок создается электронным устройством - т.н. нейтронной пушкой - которая помещается за слоем вспомогательных зарядов.

В нейтронной пушке ионы дейтерия разгоняются в цилиндрической трубке высоким электрическим напряжением. В конце трубки находится мишень из сплава циркония с тритием. При столкновении дейтерия с тритием в мишени их ядра сливаются вместе (процесс ядерного синтеза) с выделением нейтронов. Эти нейтроны проникают в делящийся материал (уже сжатый к этому моменту вспомогательными зарядами) и инициируют цепную реакцию.

После начала цепной реакции за полмикросекунды успевает произойти примерно 55 шагов цепной реакции деления. В результате развиваются чрезвычайно высокие температуры (сотни миллионов градусов) и давления (миллионы атмосфер), и менее чем через микросекунду после начала реакции размер и форма делящегося материала изменяются таким образом, что его масса становится меньше критической, и цепная реакция прекращается.

Реальное количество оружейного плутония в имплозионной бомбе, использующей цепную реакцию деления, может быть разным в зависимости от требуемой мощности и устройства бомбы. Если есть возможность осуществить очень быструю имплозию, для бомбы мощностью 1 килотонна (т.е. такой же, как у 1000 тонн тринитротолуола) достаточно 1 кг оружейного плутония; для 10-килотонной бомбы нужно 2 кг; для 20-килотонной, 3 кг. Если же средства реализации имплозии менее совершенны, для создания 20-килотонной бомбы потребуется примерно 6 кг плутония, а для бомбы мощностью 1 килотонна - 3 кг.

Полное расщепление ядер одного килограмма изотопа ²³⁹Pu создало бы взрыв мощностью 18 килотонн. Эффективность современных бомб приближается к 45%: мощность взрыва равна примерно 7 килотонн на каждый килограмм плутония.

В типичной современной бомбе используется 3-4 кг оружейного плутония, окруженного эффективным отражателем нейтронов и рефлектор и примерно 100 кг бризантного взрывчатого вещества. Объем устройства примерно равен объему футбольного мяча, вес - около 200 кг.

Ядерный терроризм

Террористические группы не раз демонстрировали способность воспользоваться в своих целях самыми новейшими технологиями. Взрывное устройство, уничтожившего самолет компании Пан-Америка над Локерби, и газовая бомба, приведенная в действие в метрополитене г. Токио, являются примерами этого. Преступные группы располагают большими деньгами и могут пользоваться услугами квалифицированных специалистов.

Учитывая это, не могут не беспокоить растущая доступность делящихся материалов, пригодных для создания бомбы, а также наличие общедоступной литературы, освещающей технические аспекты создания ядерного взрывного устройства, особенно если учесть, что для создания бомбы нужно сравнительно небольшое количество плутония.

Иногда утверждают, что плутоний из атомного реактора не подходит для изготовления атомного оружия. Так, например, бывший представитель Японии по вопросам нераспространения атомного оружия Рюкичи Имаи заявил на страницах журнала «Plutonium»: «Реакторный плутоний существенно отличается от плутония, идущего на изготовления атомного оружия... Ни одна из разновидностей реакторного плутония не годится для этой цели».

Но это совсем не так! Реальное положение вещей выразил Роберт Селден из Лоуренсовской Лаборатории в Ливерморе в следующих словах: «Любой плутоний годится для создания атомной бомбы. Неверно говорить, что какой-то плутоний непригоден для этой цели. Высокое содержание изотопа 240 в реакторном плутонии затрудняет создание бомбы, но не делает его невозможным».

Главный директор Международного агентства по атомной энергии Ханс Бликс сформулировал это так: «Наше Агентство считает, что реакторный плутоний с высокой степенью выгорания и вообще плутоний любого изотопного состава... пригоден для изготовления атомной бомбы. В нашем отделе средств защиты имеется единство мнений по данному вопросу». Пригодность реакторного плутония для изготовления ядерного оружия была доказана в США, где по крайней мере одно такое устройство было взорвано в 60-е годы.

Для изготовления бомбы годится как металлический плутоний, так и оксид плутония PuO₂. После удаления (на специальном предприятии) плутония из отработанного топливного элемента реактора, этот плутоний обычно хранится в виде оксида. Если захват плутония террористами произойдет на этом этапе, они получат оксид плутония, но этот оксид несложно переработать в металлический плутоний.

Террористическая группа, намеревающаяся изготовить плутониевую атомную бомбу, может обойтись без доступа к засекреченной литературе. Для изготовления устройства потребуются также оборудование для механической обработки металла, но его легко арендовать. Обработка плутония представляет некоторые сложности (в частности, рекомендуется проводить ее в атмосфере инертного газа, например, аргона), но они вполне преодолимы.

Террористы, пытающиеся изготовить простую бомбу, возьмут количество плутония, близкое к критической массе (примерно 8 кг), окруженное вспомогательными зарядами из обычного бризантного взрывчатого вещества. Поскольку масса плутония близка к критической, им не потребуется придавать вспомогательным зарядам специальную форму - достаточно просто окружить плутоний взрывчатым веществом, разместив в этом взрывчатом веществе достаточно много (50-60) детонаторов, чтобы обеспечить равномерное сжатие плутония со всех сторон. Требуется, чтобы детонаторы сработали как можно более одновременно. Для этого можно воспользоваться источником прямоугольного импульса напряжения, который создаст электрическую искру. Этот источник можно привести в действие дистанционно.

Конструкция бомбы из оксида плутония гораздо проще, чем бомбы из металлического плутония. Оксид плутония легче обрабатывать (металлический плутоний может, например, самовозгораться на воздухе, как металлический натрий). Кроме того, террористы, скорее всего, предпочтут обойтись без лишних сложностей, связанных с переработкой оксида плутония в металлическую форму.

Недостаток оксида плутония в том, что его критическая масса (шар весом 35 кг и радиусом 9 см) гораздо больше, чем у чистого металла.

Примитивная бомба из оксида плутония состоит из сферического контейнера с оксидом плутония, окруженного обычным взрывчатым веществом. В объеме взрывчатого вещества надо расположить детонаторы, приводимые в действие дистанционно. Ударная волна, созданная взрывом обычного взрывчатого вещества, сожмет оксид плутония достаточно сильно для запуска цепной реакции деления ядер.

Чтобы бомба сработала, масса оксида плутония должна быть близка к критической. Можно расположить возле контейнера счетчик нейтронов и добавлять в контейнер оксид плутония до тех пор, пока счетчик не покажет наличие нейтронов, что будет свидетельствовать о том, что масса оксида плутония близка к критической.

Силу взрыва бомбы, изготовленной по описанной выше технологии, невозможно предсказать заранее. Но даже если она будет эквивалентна взрыву всего лишь нескольких десятков тонн тринитротолуола (ТНТ), этого хватит для полного разрушения центральной части крупного города. Однако вполне возможно, что взрыв будет сильнее - до эквивалента нескольких сотен тонн ТНТ или даже (хотя это и маловероятно) нескольких тысяч тонн.

Сила взрыва будет сильно зависеть от того, насколько близка масса снаряженного в бомбу плутония к критической, а это в свою очередь зависит от решимости изготовителей бомбы идти на риск. Если они слишком приблизятся к критической массе, они окажутся под воздействием мощного потока нейтронов, что опасно для жизни.

Сила взрыва будет сильно зависеть от эффективности сжатия оксида плутония при взрыве вспомогательного заряда. Часть энергии взрыва пойдет наружу, остальное - на сжатие и нагрев плутония. Чем больше энергии пойдет на сжатие плутония, тем мощнее будет взрыв.

Важна также симметричность сжатия, чему будет способствовать большое число детонаторов. Чтобы детонаторы сработали одновременно, их следует активизировать электрическим импульсом с резким передним фронтом.

Примитивное ядерное взрывное устройство описанного типа можно разместить в автомобиле, а автомобиль - поставить прямо на улице. Даже если мощность взрыва самого плутония окажется низкой, взрыв вспомогательного заряда будет достаточно мощным для того, чтобы распространить плутоний на большое расстояние. Если к бризантному взрывчатому веществу добавить зажигающие вещества, взрыв будет сопровождаться сильной вспышкой огня, в котором плутоний будет сгорать с образованием мелких частиц, которые затем будут разнесены ветром на большие расстояния. Вдыхание таких частиц очень опасно: при распаде содержащегося в них плутония возникают энергичные -частицы, которые будут облучать окружающие их ткани легких, что с высокой вероятностью ведет к раку легких. Таким образом, распыление всего нескольких килограммов плутония на территории города сделает его непригодным для проживания до окончания дезактивации (что может занять несколько месяцев). Угроза становится еще значительнее из-за того, что большинство населения панически боится радиоактивности.

Пожалуй, наиболее реальную угрозу представляет именно распыление плутония террористической группой, располагающей этим веществом. Даже если у террористов нет технической возможности изготовить работоспособную атомную бомбу, одной угрозы распыления плутония обычным взрывом уже достаточно для того, чтобы такая группа могла шантажировать государство.

Итак, наличие плутония в распоряжении террористической группы представляет опасность само по себе, независимо от прочих условий.