VIVOS VOCO: Н.В. Чумаков, "Плутоний: разнообразие подходов и мнений "

Плутоний: разнообразие подходов и мнений

Е.Г. Кудрявцев

ПЛУТОНИЙ, новости и слухи, с ним связанные, привлекают постоянное внимание средств массовой информации. Можно услышать и прочитать [1], что:

плутоний - самое токсичное вещество на планете и самый опасный компонент любых радиоактивных отходов;
любое ядерное предприятие или АЭС - непременный источник радиоактивного, в том числе плутониевого, загрязнения;
плутоний и регенерированный уран для ядерной бомбы можно выделить из топлива АЭС даже в небольшой лаборатории;
плутониевое топливо невозможно эффективно использовать на существующих АЭС;
от плутония, а заодно и от атомной энергетики следует избавиться любым путем и как можно скорее.

Давайте попытаемся разобраться, что из сведений о плутонии соответствует действительности.

ПОЛУЧЕНИЕ Pu И ЕГО НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

В 1940 г. американскими учеными Г.Сиборгом, Дж.Кеннеди и А.Валем был открыт ²³⁸Pu. Весной 1941 г. Сиборг с сотрудниками обнаружили и впервые выделили четверть микрограмма ²³⁹Pu после распада ²³⁹Np, образовавшегося при облучении ²³⁸U нейтронами. Вслед за ураном и нептунием новый элемент получил свое имя в честь открытой в 1930 г. планеты Плутон. (В греческой мифологии Плутон, он же Аид, - бог царства мертвых.)

На ядерные исследования и создание атомной промышленности в США, как позднее и в СССР, были брошены огромные силы и средства. В короткий срок были изучены ядерные и физико-химические свойства плутония, организованы его реакторное производство и химико-металлургическая переработка. В июле 1945 г. взорвали первую американскую плутониевую бомбу [2].

Работы по созданию ядерного оружия в СССР развернулись ударными темпами сразу после войны. Первые эксперименты с "импульсными" количествами плутония и нептуния были начаты в Ленинграде и Москве в 1944 - 1945 гг., в 1947 г. технология получения плутония была отработана на опытной установке в Москве, а зимой 1948/49 года на заводе Б комбината № 817 (теперь ПО "Маяк") получили первый промышленный плутоний [3].

Плутония в природе практически не было, пока США, а потом СССР и другие ядерные державы не создали атомную бомбу и не начали проводить испытания на земле, в атмосфере и на море. За счет несовершенных технологий переработки плутоний попал в окружающую среду в местах расположения ядерных производств США, СССР, Великобритании и других стран. По оценкам Комитета по окружающей среде ООН, около 3.9 т суммы изотопов ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu выпало на земную поверхность.

При тщательном изучении в руде богатых урановых месторождений плутоний все-таки обнаруживается, хотя и в ничтожно малой концентрации. Можно вспомнить и такой природный источник плутония, как ядерный реактор в Окло (Африка), действовавший в естественных условиях многие миллионы лет назад на богатейшем урановом месторождении и нарабатывавший плутоний, в те далекие годы никому ненужный и позднее благополучно распавшийся.

Наконец, плутоний образуется из урана при действии всепроникающих космических лучей. Уран на нашей планете был всегда, причем раньше его было гораздо больше - значительная часть за прошедшие миллиарды лет распалась. В малых количествах уран рассеян везде: в гранитах, фосфоритах, апатитах, морской воде, почве и т.д., так что говорить об абсолютной чужеродности плутония для биосферы не вполне корректно.

Важно подчеркнуть, что в настоящее время ученые могут достаточно быстро и точно определить присутствие радиоактивных элементов в воде, почве, растениях. Сделать это гораздо проще, чем измерить в природных объектах высокие концентрации токсичных органических веществ или тяжелых металлов (ртути, таллия, свинца или кадмия). В такой ситуации, конечно, легче "искать под фонарем" и обвинять радиоактивность вообще, и атомщиков в частности, в возникновении экологических проблем. Исследовать же действительные причинно-следственные связи воздействия промышленности на состояние природы - хлопотное, а зачастую и весьма неблагодарное занятие.

ТОКСИЧНОСТЬ Pu

Токсичность плутония связана прежде всего с его радиологическими свойствами - при попадании Pu в организм происходит облучение альфа-частицами тех тканей, где он "застрял". Это потенциально чревато возникновением онкологических заболеваний. Химическая токсичность плутония несопоставима с радиологической. Если радиологическую токсичность ²³⁸U принять за единицу, этот же показатель для плутония и некоторых других элементов образует ряд:

²³⁵U 1.6 - ²³⁹Pu 5.0 - ²⁴¹Am 3.2 - ⁹⁰Sr 4.8 - ²²⁶Ra 3.0

Критерием выбрана предельно допустимая массовая концентрация элемента в воде, установленная действующими "Нормами радиационной безопасности" [4]. Можно видеть, что плутоний отнюдь не самый "самый" среди радионуклидов в отношении радиологической угрозы.

Повышенные меры предосторожности при работе с плутонием и постоянный контроль персонала плутониевых производств связаны со способностью этого элемента задерживаться в организме, прежде всего в печени и скелете, что ведет к их переоблучению. Период биологического выведения половины накопленного плутония из печени составляет 20 лет, а из скелета - 50 лет, что сопоставимо с длительностью человеческой жизни [5]. Токсичность этого элемента сильно зависит от пути его поступления в организм. Плутоний, попавший в желудочно-кишечный тракт, менее ядовит, чем хорошо известные яды цианид или стрихнин. Для получения летальной дозы необходимо проглотить 0.5 г Pu (цианида хватило бы 0.1 г). При вдыхании его химическая токсичность сопоставима с парами ртути или кадмия [6]. Поразительно, но ученые не имеют ни одного факта, однозначно свидетельствующего о смертельном отравлении кого-либо плутонием. К примеру, в 1945 - 1946 гг. ученые США получили достоверные данные о поведении Pu в организме человека из экспериментов по инъекциям плутония 18 обреченным больным, но прямого воздействия Pu не обнаружили [7]. В настоящее время аналогичные исследования ведутся в Великобритании с применением короткоживущего изотопа ²⁴⁷Pu в опытах с добровольцами8. Если органы дыхания как наиболее уязвимые для попадания аэрозолей плутония надежно защищены, то его токсичное воздействие относительно невелико: из желудочно-кишечного тракта он практически не усваивается (коэффициент перехода от 10^-4 до 10^-5 для разных форм Pu), а через кожные покровы, которые одновременно задерживают альфа--излучение изотопов ²³⁸Pu - ²⁴⁰Pu, этому элементу очень трудно проникать. В недавно опубликованной работе У.Сатклиффа и др. [9] дан анализ гипотетической ситуации, когда плутоний используется террористами при попытке отравить население крупного города (например, Мюнхена). В случае растворения 300 г Pu в крупном водохранилище, снабжающем город питьевой водой, только 3 мг останется в воде, а основная часть плутония в результате гидролиза попадет в донные отложения или системы фильтрации. Если весь этот плутоний (3 мг) будет потреблен жителями, то можно ожидать дополнительно 0.006 смертей от рака.

Большое количество экспериментальных данных получено за прошедшие годы по поведению Pu в природе. Так, например, выяснено, что во многих случаях он очень плохо (с коэффициентами 10^-5 - 10^-8) переходит из почвы в растения. Этот элемент быстро и прочно фиксируется частицами почвы, а затем очень медленно мигрирует с водными потоками. Попавший в моря и океаны плутоний постепенно осаждается и закрепляется в донных слоях.

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Плутоний обладает уникальным комплексом ядерных и физико-химических свойств. Так, плотность чистого плутония при нагревании уменьшается от 19.82 до 14.7 г/см³ и вновь растет до 16.52 г/см³. Поэтому для ядерных зарядов металлический плутоний легируют специальными добавками. В растворе плутоний может одновременно находиться в степенях окисления от +3 до +6, что делает его химию исключительно сложной и интересной.

В атомных реакторах за счет комплекса параллельных и последовательных ядерных реакций образуется набор изотопов плутония от 236-го до 244-го. Их химические свойства одинаковы, а ядерные существенно различаются (табл. 1). Изотопы имеют разные периоды полураспада Т_1/2(время, за которое распадается половина атомов): ²³⁸Pu - 87.7 г., ²⁴¹Pu - лишь 14.1 г., а период полураспада самого "знаменитого" ²³⁹Pu составляет 24.1 тыс. лет. Изотопы ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu хорошо делятся тепловыми нейтронами, поэтому "нечетный" плутоний и образуется, и одновременно "выгорает" в реакторах АЭС типа ВВЭР, PWR, CANDU, РБМК; четные изотопы при этом накапливаются. Различия в ядерных свойствах изотопов приводят к изменению состава плутония, образующегося в разных реакторах и даже в разных зонах одного реактора.

Чем дольше работает ядерное топливо в активной зоне реактора типа ВВЭР, тем больше в нем четных изотопов и тем ниже энергетическая ценность этого плутония для использования в качестве вторичного ядерного топлива. В реакторах на быстрых нейтронах делятся (выгорают) как нечетные, так и четные изотопы. Поэтому состав плутония в топливе "быстрых" реакторов относительно стабилен.

В отработавшем топливе реакторов ВВЭР-1000 или PWR содержится ориентировочно от 0.8 до 1% невыгоревшего ²³⁵U и от 0.95 до 1.2% плутония; примерно 3 - 4% массы топлива составляют продукты деления, остальные 94 - 95% - ²³⁸U. Согласно сделанным оценкам, около 50% энергии, производимой АЭС, образуется за счет деления плутония. Плутоний неизбежно нарабатывается, "горит" в топливе АЭС и вырабатывает электроэнергию даже тогда, когда первоначально в реактор загружается только урановое топливо. Изотопный состав плутония в отработавшем топливе разных реакторов различен (табл. 2). Плутоний из энергетических реакторов обычно называют "гражданским" или "энергетическим"; а наработанный в специальных (промышленных) реакторах, - "оружейным". Как нетрудно заметить, это материалы, существенно различающиеся по изотопному составу. В разных реакторах при разном выгорании топлива образуется плутоний, состав которого значительно варьируется. Кроме того, в мире существуют сотни различных исследовательских реакторов, отработавшее топливо которых может иметь совсем другой состав. Поэтому, если обнаружен, например, контрабандный плутоний, по его изотопному составу можно ориентировочно оценить, из топлива какого реактора он выделен и, что самое важное, имеет ли он отношение к ядерному оружию.

Если состав отличается от приведенного в табл. 2, то, вообще говоря, идентифицировать источник такого плутония непросто. Каждый ядерный материал имеет "свое лицо". Он несет в себе отпечаток того завода, на котором получен, и тех задач, для которых предназначается. Дополнительную информацию о происхождении и истории плутония можно получить, измерив количество ²⁴¹Am, накопившегося в ядерном материале при хранении за счет распада ²⁴¹Pu: чем больше его превратилось в ²⁴¹Am, тем дольше лежал материал после переработки. В качестве "отпечатков пальцев" помимо изотопного состава могут быть использованы те свойства ядерного материала, которые меняются в зависимости от его предыстории: из какого соединения и как его получили, какие радиоактивные и нерадиоактивные примеси остались в нем после операций очистки и т.д.

Так, обнаруженные летом 1994 г. в Германии плутоний и уран по составу соответствовали энергетическим материалам и не имели никакого отношения к ядерному оружию. Существует обоснованное мнение, что вся эта операция (только ли эта?) была сфабрикована германскими спецслужбами [10]. До сих пор не было зафиксировано ни одного случая обнаружения на Западе оружейных ядерных материалов из России.

ПЕРЕРАБОТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Проблемы использования плутония в первую очередь связаны с заключительной стадией топливного цикла. Среди государств, имеющих АЭС, сейчас нет единства в отношении переработки использованного топлива. Одни страны (например, США, Канада, Швеция) считают переработку нецелесообразной и планируют захоранивать непереработанное топливо в глубокие подземные могильники. Этот вариант называют "открытым топливным циклом", потому что ни уран, ни плутоний больше не используются. Надо сказать, что пока, кроме небольших подземных исследовательских лабораторий, ни одного могильника для отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) не построено. Однако технические проблемы представляются вполне преодолимыми, и вопрос лишь во времени и наличии необходимых средств.

Другие страны (в частности, Франция, Япония, Бельгия, Великобритания, Индия) сделали ставку на переработку топлива и повторное использование урана и плутония, т.е. на замкнутый цикл. На захоронение направляются только отвержденные отходы, причем объем высокоактивных отходов (и соответственно затраты на их дорогостоящее глубокое захоронение) оказывается существенно меньше, чем в случае непереработанного топлива. И, наконец, ряд стран (в том числе Германия, Корея и др.) заняли выжидательную позицию и склоняются к так называемому отложенному топливному циклу. Действительно, топливо после выгрузки из реактора технически можно несколько десятилетий хранить либо в заполненных водой, либо в сухих хранилищах, отложив решение его судьбы "на потом". Это означает не вполне корректное решение переложить существующую проблему на плечи наших детей или даже внуков.

Сейчас в мире действует несколько радиохимических заводов по переработке топлива АЭС. Их потенциальная мощность составляет: во Франции 2250 т/г., в Великобритании - 2700, России (ПО "Маяк") - 400, Японии - 100 (к 2000 г. планируется 900 т/г.), Индии - 200 т/г. Заводы Франции и Великобритании за плату со стороны поставщика перерабатывают топливо АЭС, в основном реакторов PWR и BWR, цена переработки достигает 1 млн. долл. за 1 т ОЯТ. В России на ПО "Маяк" перерабатывается топливо ВВЭР-440, БН-600, атомных ледоколов и подводных лодок, а также исследовательских реакторов. Переработка ядерного топлива включает ряд операций, подробно описанных в литературе [11]. (В принципе аналогичный набор операций использовался и для выделения оружейного плутония на оборонных заводах.) Современные радиохимические заводы - это крупные комплексные производства, где все операции осуществляются дистанционно, персонал защищен от воздействия излучения. Глубоко заблуждаются те, кто считает, что в относительно небольшой радиохимической лаборатории можно переработать сборки современной АЭС, содержащие по полмиллиона кюри радиоактивных осколков, и таким образом тайком выделить несколько килограммов плутония для "подпольной" атомной бомбы.

Промышленная переработка ОЯТ сама по себе не означает возможности создания атомного оружия.Так,по мнению министра РФ по атомной энергии В.Н.Михайлова, выделение плутония - это лишь четверть пути от ядерного материала до реальной бомбы. Те страны, которые выбрали вариант переработки ОЯТ, в то же время активно продвигаются по пути повторного использования плутония в атомной энергетике.

КАК И ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПЛУТОНИЙ

В пользу переработки ОЯТ и использования плутония приводятся обычно два довода. Этот токсичный и долгоживущий радиоактивный элемент безопаснее сжечь в реакторе, чем создавать сложные системы для изоляции биосферы от десятков и сотен тонн плутония в непереработанном топливе.

Плутоний - ценный материал для долгосрочного развития атомной энергетики, и нецелесообразно отказываться от его использования в качестве топлива для существующих, но главное - для будущих атомных электростанций. В атомной энергетике зарубежных стран плутоний уже используют тоннами в качестве вторичного ядерного топлива для АЭС.

Вторичное плутониевое топливо для тепловых реакторов - это обычно смесь окислов урана и плутония, содержащая около 5% энергетического плутония, смешанного (с высокой степенью однородности) с 95% природного или обедненного урана (изотопный состав и содержание ²³⁵U в них различны). Для быстрых реакторов состав уран-плутониевого топлива иной: обычно плутония в таком топливе 20 - 30%, остальное - уран.

Несмотря на быстрый рост мощностей промышленных и полупромышленных установок для изготовления смешанного топлива (табл.3), количество накопленного энергетического плутония постепенно возрастает. По оценкам МАГАТЭ, сейчас в хранилищах находится около 110 т энергетического плутония. Ожидается, что до 2000 г. его запасы увеличатся до 150 - 170 т, а затем начнут снижаться ежегодно на 7 - 20 т. Многое будет зависеть от ситуации на рынке урана, влияния политических и других факторов

Согласно данным таблицы 3, происходит решительное продвижение к крупномасштабному промышленному использованию плутония во Франции, Великобритании, Японии и Бельгии. Кризис, переживаемый атомной промышленностью и наукой в России, привел к резкому замедлению строительства новых АЭС, в том числе запланированных первых блоков Южно-Уральской АЭС с реакторами на быстрых нейтронах БН-800. По планам Минатома именно эта станция должна стать первым крупным потребителем плутония в России.

Вместе с фактической остановкой ее строительства замерла и стройка цеха на ПО "Маяк", спроектированного для изготовления уран-плутониевого топлива для реакторов БН-600 и БН-800. Для сжигания плутония наиболее эффективно использование быстрых реакторов БН (табл. 4). Использование плутония в тепловых реакторах приводит к некоторому замедлению темпов наработки этого элемента в топливном цикле. Создание парка энергетических быстрых реакторов потребует больших затрат и, видимо, начнется только в следующем веке.

КАК ИЗБАВИТЬСЯ ОТ ЛИШНЕГО ПЛУТОНИЯ

Количество плутония, накопленного в арсеналах США и бывшего СССР, достаточно велико; по разным оценкам, на обе державы приходится в сумме примерно 200 т оружейного плутония. При условии соблюдения паритета в ходе первого этапа разоружения и выполнения договоров СНВ-1, -2 высвободится по 50 т плутония в каждой стране.

В 1993 - 1994 гг. ученые Национальной академии наук США по заказу правительства изучали проблему, что делать с этим избыточным оружейным плутонием. Хотя вопрос касался американского плутония, исследование носило достаточно универсальный характер [12]

Рассматривались три основных варианта обращения с плутонием. После промежуточного непродолжительного хранения ядерного материала можно:

продолжать хранить плутоний (в той или иной форме) неопределенно долго;
сделать ядерный материал труднодоступным для какого-либо дальнейшего, и прежде всего военного, использования (например, смешать его с высокоактивными отходами, захоронить в глубоких могильниках или на дне океанов, уничтожить с помощью подземных ядерных взрывов и т.д.);
уничтожить плутоний как элемент или полностью удалить его из среды обитания человека (использовать в ядерных реакторах с постоянной переработкой топлива либо, например, отправить в космическое пространство).

Взвесив все "за" и "против", американские эксперты пришли к выводу, что наиболее реальными и приемлемыми являются два способа ликвидации плутония:

использовать его в качестве топлива ядерных реакторов (есть отработанная технология, имеются лицензированные реакторы);
остекловать плутоний вместе с высокоактивными отходами и направить на окончательное захоронение (требуются доработка технологии и создание подземных могильников).

Такие способы уничтожения, как отправка плутония в космос, растворение в воде морей и океанов до безопасной концентрации и другие варианты ликвидации, а также неопределенно долгое хранение признаны менее перспективными или неприемлемыми. Важное значение, по мнению американских экспертов, имеет паритетность в ликвидации плутония со стороны США и России. Универсального, быстрого и дешевого способа использования как энергетического, так и оружейного плутония пока нет. Но нет и острой необходимости в принятии поспешных решений, особенно по "закапыванию" столь дорогостоящего материала.

В выступлениях на многочисленных международных конференциях, посвященных этой проблеме, большинство ученых ратует за полезное использование плутония в ядерной энергетике. У России есть хороший опыт в этой области. В действующем реакторе БН-600 прошли испытания десятки сборок с плутониевым топливом, разработан новый реактор - утилизатор плутония БН-800. Но, чтобы двигаться вперед, нужны немалые средства. И конечно, необходимо сберечь имеющиеся опыт и знания. В любом случае, плутониевая проблема - это надолго. Возможно, в будущем в отношении плутония возникнут принципиально другие подходы.