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

Лунько Георгий, 10 «А» класс МОУ «СОШ №84»

Научный консультант: А.Г.Компаниец, начальник смены ОАО «СХК», участник ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС

Руководитель: Л.Н.Рыбина, учитель физики МОУ «СОШ №84» ЗАТО Северск

Постановка проблемы

Мы живём рядом с крупнейшим в мире ядерным комплексом- Сибирским Химическим Комбинатом. В течение полувека наш комбинат занимался выработкой оружейного плутония-начинки для ядерной бомбы. Количество наработанного плутония столь велико, что цифра содержится в глубочайшем секрете.

Однако, в настоящее время, когда боеголовки демонтированы, плутоний просто хранится в специальных ёмкостях, и кроме вопроса безопасности, которая обеспечена по высшему классу, в полный рост поднимается вторая проблема- экономическая.

Чтобы обеспечивать безопасность, о которой сказано выше, необходимо расходовать не просто большие, а огромные средства. Если учесть период полураспада плутония, то в течение тысяч лет, мы должны совершенно бесполезно с точки зрения экономической выгоды производить огромные вложения..

Однако, существует и другой способ, о котором у нас в стране имеются очень смутные представления. Именно этот способ, перевода боевого плутония в энергетическое МОКС-топливо, я хочу подробно осветить.

1.Введение в общие, экологические и медицинские аспекты МОКС-топлива. Что такое МОКС?

1.1 Плутоний – рукотворный элемент

Плутоний, элемент с атомным номером 94, был впервые получен в феврале 1941 года группой Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в опытах по облучению урана ядрами дейтерия. Плутоний является трансурановым элементом - его атомный номер больше, чем у урана, самого тяжелого из обнаруженных в природе элементов с атомным номером 92. Имя "Уран" носит одна из планет Солнечной системы, поэтому синтезированные искусственно элементы с атомными номерами 93 и 94 получили имена нептуний и плутоний - по названиям планет, расположенных за планетой Уран. Вскоре после этого открытия было обнаружено, что изотоп плутония может распадаться, и поэтому дальнейшие исследования этого элемента проводились исключительно в рамках секретного Манхэттенского проекта, целью которого было массовое производство плутония для использования в атомных бомбах. Горькая ирония заключается в совпадении имени этого элемента, который через четыре года после его открытия превратил город Нагасаки в ад, и имени владыки подземного царства Плутона.

Известны 15 изотопов плутония с массовыми числами от 232 до 246, но наиболее важен из них ²³⁹Pu с периодом полураспада 24 000 лет, способный к делению. Именно он был использован в бомбе, сброшенной на Нагасаки, и он также может сжигаться в реакторах для производства энергии.

²³⁹Pu возникает в ходе работы обычного энергетического реактора на урановом топливе в результате захвата нейтрона ядром ²³⁸U. Формула этой реакции, происходящей в два этапа, следующая:

²³⁸U + n = ²³⁹U ->(-распад с периодом 23,5 мин) ²³⁹Np  (-распад с периодом 2,35 дней) ²³⁹Pu

Эта реакция идет параллельно с основным рабочим процессом - делением ядер ²³⁵U, при котором выделяется тепловая энергия. Содержание ²³⁵U в природном уране составляет всего 0,7%, поэтому для того чтобы его можно было использовать в качестве топлива в легководных реакторах (основном типе энергетических реакторов), естественный уран обогащают, доводя содержание ²³⁵U до примерно 3%. Остальные 97% приходятся на ²³⁸U. За один год работы типичного ЛВР мощностью 1000 МВт образуется около 200 кг плутония, из которых около 150 кг составляет ²³⁹Pu.

Часть ядер ²³⁹Pu превращается в другие изотопы плутония (²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu) в результате реакций с захватом нейтронов. Небольшие количества изотопа ²³⁸U образуются непосредственно из урана. Как и ²³⁵U, ²³⁹Pu способен делится в результате захвата нейтрона по формуле

²³⁹Pu + n = продукты деления.

1.2Оружейный и реакторный плутоний

Таким образом, при работе атомного уранового реактора в его топливных стержнях накапливаются различные изотопы плутония. Их количества зависят от степени выгорания уранового топлива. Лишь два из этих пяти изотопов плутония, ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu, являются расщепляющимися (делящимися), т.е. способными к расщеплению в результате захвата тепловых (медленных) нейтронов, и в принципе пригодны для использования в качестве реакторного топлива. Поэтому, если речь идет о возможности использования плутония в качестве реакторного топлива, важно знать только количество ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu, обозначаемое Puf от слов Pu (плутоний) и fissile (делящийся). Полное же количество всех изотопов плутония обозначается Put от слова total (полный, общий, итоговый).

Для ядерного же оружия желательно иметь практически чистый ²³⁹Pu, поскольку изотопы ²⁴⁰Pu и ²³⁸Pu самопроизвольно испускают нейтроны, которые могут вызвать т. н. «предначальное воспламенение», а это приведет к существенно меньшей силе взрыва атомной бомбы. Поэтому принято классифицировать плутоний по "качеству" в соответствии с его изотопным составом.

Хотя предначальное воспламенение уменьшает мощность взрыва ядерного взрывного устройства, изготовленного из реакторного плутония, можно утверждать, что мощность взрыва сравнительно простого взрывного устройства из реакторного плутония, подобного бомбе, взорванной в Нагасаки, будет равно примерно одной или нескольким килотоннам, даже если предначальное воспламенение произойдет в наименее благоприятный момент. В Японии и некоторых европейских странах сторонники плутония продолжают утверждать, что из-за предначального воспламенения реакторный плутоний практически не может быть использован в ядерном оружии, и что поэтому плутониевые программы в этих странах, основанные на выделении и использовании реакторного плутония, следует рассматривать исключительно как «мирные». Однако это мнение противоречит фактам, признанным международной научной общественностью. В докладе американской Национальной Академии наук, выпущенном в 1994 году и посвященном утилизации ядерных оружейных материалов, утверждается, что «плутоний практически любого изотопного состава может быть использован в ядерном оружии».

Двойной (военно-гражданский) характер использования плутония

Поскольку плутоний любого состава может быть применен в ядерном оружии, любая программа использования плутония в мирных целях создает условия для его использования в военных целях. Реакторный плутоний может быть использован как непосредственно в примитивном ядерном взрывном устройстве, так и в качестве топлива для реактора на быстрых нейтронах, в бланкете которого можно будет производить военный плутоний сверхвысокого качества.

Применимость плутония для военных целей определяется не только возможностью его использования в ядерном оружии, но двойным военно-гражданским характером всей технологической схемы использования плутония. Полномасштабная гражданская плутониевая программа должна включать производство плутония в реакторе, выделение его на перерабатывающем предприятии и изготовление топливных стержней. При наличии соответствующего политического решения эти мощности могут быть переориентированы на военные цели. Даже если государство не стремится к созданию ядерного оружия и его плутониевая программа находится под строгим международным контролем, сам факт наличия запасов плутония и мощностей по его переработке может породить подозрения в других (соседних) странах и заставить их развивать свои плутониевые программы, которые вполне могут иметь военный характер. В случае с Японией именно так и может получиться в будущем.

Таким образом, двойственный характер плутониевых программ порождает ряд проблем международного характера и проблем безопасности, которые должны быть приняты во внимание при анализе любой программы утилизации плутония.

Токсичность плутония

Плутоний известен как один из самых токсичных элементов. Большинство изотопов плутония являются -излучателями. Испускаемые им высокоэнергетические -частицы (энергия более 5 мегаэлектронвольт) имеют высокую ионизирующую способность и очень опасны для живых организмов. -излучающий плутоний особенно опасен при попадании внутрь человеческого организма, в то время как -излучение от внешнего источника обычно не представляет опасности ввиду короткого пробега -частиц.

Другой причиной высокой опасности плутония является его способность в течение длительного времени удерживаться в организме, куда он может попасть при вдыхании или через желудочно-кишечный тракт. При вдыхании плутониевой пыли часть плутония достигает легких (в зависимости от размера пылевых частиц), где некоторая его часть всасывается в кровь и переносится ею в различные органы. Плутоний оседает в основном в печени и костной ткани, и в меньшей степени - в репродуктивных органах. Небольшая часть плутония, попавшего внутрь организма через желудочно-кишечный тракт, также попадет через кровь в эти же органы. Попавший в них плутоний будет оставаться там в течение многих лет, подвергая соответствующие органы -облучению. Постоянное -облучение в малых дозах может вызвать рак и генетические повреждения.

Типичный реакторный плутоний в 8-10 раз токсичнее, чем ²³⁹Pu - один грамм оксида реакторного плутония соответствует годовому пределу поступления через органы дыхания для 40 миллионов человек.

О

тметим далее, что значения ПДУ для простых граждан (годовой предел дозы 1 мЗв) в 50 раз меньше, чем для занятых в атомной промышленности (годовой предел дозы 50 мЗв). Следовательно, предельно допустимое количество плутония, поступающее через органы дыхания, для обычного гражданина равно одной миллиардной грамма (0,000000001 г). Таким образом, даже суб-микрограммы плутония представляют угрозу здоровью рабочих на предприятиях атомной промышленности, а для населения плутоний опасен уже на уровне нанограммов. Облучение от внешнего плутониевого источника также может представлять опасность для занятых в атомной промышленности, поскольку плутоний содержит значительные количества изотопов, испускающих -лучи и нейтроны.

МОКС-топливо

Поскольку и реакторный плутоний, и плутоний более высоких сортов является смесью делящихся изотопов, он в принципе пригоден для использования в качестве реакторного топлива. Обычно плутоний используется в этом качестве в виде смеси диоксида плутония PuO₂ с диоксидом урана UO₂. Эта смесь оксидов (PuO₂+UO₂), называемая МОКС-топливом, обычно используется в двух типах реакторов - в реакторах на быстрых нейтронах (БН) и в легководных реакторах (ЛВР).

Реактор на БН может вырабатывать плутоний в результате захвата нейтронов ядрами ²³⁸U, находящегося в активной зоне реактора и в окружающем ее бланкете, в то время как плутоний (МОКС-топливо с 20-30% плутония) "горит" в активной зоне. Такой реактор называют размножителем или бридером, поскольку он вырабатывает больше плутония, чем потребляет. Смысл бридера в том, что он повышает эффективность использования ресурсов урана в целых 60 раз, и он позволяет преобразовать ранее остававшийся без применения ²³⁸U в плутоний и одновременно вырабатывать полезную мощность. Из-за этих заманчивых перспектив реактор на БН стал с самого начала развития атомной промышленности ее "голубой мечтой", почти «вечным двигателем».

Но, увы - реальность оказалась больше похожа на кошмар, чем на прекрасный сон. Чтобы размножение было возможным, реакция деления в реакторе на БН поддерживается быстрыми (высокоэнергетическими) нейтронами, в отличие от ЛВР, которые работают на тепловых нейтронах. Поскольку нет возможности использовать замедляющий охладитель, приходится охлаждать активную зону реактора на БН расплавом щелочного металла, который имеет высокую химическую активность и реагирует со взрывом с воздухом и водой. Другой важный недостаток реакторов на БН состоит в том, что вероятность аварии с разгоном реактора гораздо выше, чем для ЛВР.

О

тметим далее, что размножение плутония происходит не так быстро, как хотелось бы: время удвоения, то есть время, за которое один бридер создает достаточно плутония для загрузки другого такого же реактора (40 лет), значительно превышает время жизни первого реактора (не более 30 лет). Это указывает на другую ключевую проблему бридера: в конечном итоге для его эксплуатации должна быть создана система, включающая множество этапов, в том числе выделение плутония, загрузка топлива в реакторы, переработка отработавшего топлива и бланкета.

Эти и другие технические трудности бридеров стали причиной неэкономичности их использования, и оба эти недостатка - технические сложности и высокие стоимостные показатели - привели к тому, что США и все западноевропейские страны свернули свои бридерные программы. Япония, которая в одно время считалась настроенной наиболее серьезно на использование бридеров, теперь готова последовать примеру этих стран или по крайней мере подвергнуть свою бридерную программу существенному пересмотру (этому также способствовала авария на прототипном бридере в Монжу в декабре 1995 года).

Другой способ использования МОКС-топлива - сжигание его в энергетических легководных реакторах (ЛВР). Обычно МОКС с содержанием плутония от 5 до 8% используется в реакторах с водой под давлением (РВД) и в реакторах на кипящей воде (РКВ) - двух основных типах реакторов. Существующие в настоящее время ЛВР разрабатывались для сжигания в них низкообогащенного оксида урана, и переход на МОКС-топливо создает ряд проблем. Однако представители атомной промышленности верят, что замена в активной зоне таких реакторов одной трети уранового топлива на МОКС не создает дополнительных проблем с точки зрения безопасности, и это осуществляется в некоторых немецких, французских, бельгийских и швейцарских ЛВР. В Японии тоже существуют далеко идущие планы использования МОКС в ЛВР. Кроме того, предполагается изготавливать МОКС из оружейного плутония, а затем сжигать его в ЛВР, что рассматривается некоторыми экспертами (особенно в США) как эффективный способ уничтожения плутония, извлекаемого из ядерных боеголовок в процессе разоружения России и США.

Blog

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

Содержание