Дементий Башкиров

Америций-241 – самый мощный компонент грязного оружия массового поражения, выводящий территории из строя на несколько тысячелетий.

Активность америция-241 в ОЯТ тепловых реакторов

Средняя доля пары плутоний-америций-241 в ОЯТ тепловых реакторов более 15% (до 23% при высоких выгораниях в SNF PWR). Из 4700 тонн гражданского плутония это составляет 700 тонн. Через 70 лет после остановки реактора, 98% плутония-241 (14,4 года) превращается в америций-241 (432 года). Удельная альфа активность америция 3,5 Ки/г, у «гражданского» плутония 0,27 Ки/г.

Долговременная альфа активность америция-241 доминирует в ОЯТ с 30 лет до 1500 лет выдержки (превышает 50% всей альфа активности).

Способ расчета активности объяснил нам на уроке ядерной физики (был такой предмет в советской школе) в 1978 году директор школы, учитель физики (Чванов Кузьма Иванович). На Новогодние каникулы он задал членам кружка «юный физик» задачку по расчету активности плутония в ОЯТ ВВЭР тепловой мощностью 3 ГВт, чтобы ученики поняли, для чего нужны знания в ядерной физике. Исходные данные по изотопному составу актинидов для расчетов нужно было брать в таблице [страница 450, 30 том, БСЭ, 1978, тираж 632 000 экз, цена 5 р. 50 к.], а периоды полураспада из справочника [Физические Величины, 1964] он предоставил сам.

Он объяснил нам, как в два действия рассчитать удельную активность тяжелых изотопов, используя формулу Резерфорда.

Тогда у меня не было калькулятора, и ни у одного из одноклассников не было. Для расчета нужно было купить таблицы Брадиса. У отца в библиотеке были  [Четырехзначные математические таблицы. В. Брадис. 1933. 25 коп.].

Отец решил задачу с помощью логарифмической линейки, карандаша конструктор ТМ и листа бумаги 11 формата за 30 минут. Мне пришлось возиться несколько дней.

На Новый Год тогда тюкнуло -52^ОС (от -45 ^ОС до -55 ^ОС по району) стоял полный штиль и туман. Кататься на коньках было невозможно  –  коньки прилипали ко льду. Городские дубы лопались со страшным треском. В ту зиму замерзли все яблони, груши, вишня, малина, в лесу погибли все крупные липы и многие дубы.

Весной был рекордный подъем воды. Паводок сносил не только бани и сараи, но и дома, мосты. В гаражах машины были затоплены по окна, в школе все подвалы и убежище были залиты, вода подступила к полу первого этажа.

Вместо школы и подготовки к выпускным экзаменам, мы катались на лодках и камерах по ревущей реке.

Во дворе школы вся листва была сожжена с осени, а весной ни липы, ни сад не зазеленели. Стояли черными. Зеленела только травка вдалеке от школы, где земля не была вытоптана. Хмурый летний день:  мы собрались для сдачи экзамена.

На заднем фоне, в полукилометре за школой, виднелся черный склон Липовой горы. Раньше в это время все липы зацветали, и аромат липового цвета наполнял все уголки в городе и в домах. Казалось, что липа цветет прямо под окном. В том году только выхлопы метзавода витали в воздухе.

Проходя мимо нас, учитель физики поздоровался и сказал:

–  Вот так выглядит летний лес ядерной зимой.

–  Сойдите с газона, дайте траве прорасти! Какой пример вы показываете младшим! – прогнала нас из «ядерного леса» уборщица.

Доля 241-й массы в общей массе плутония советского ВВЭР составляет 11,79%, а среди всех трансурановых актинидов 11,02%.  Обратите внимание, америций-241 накапливается только при распаде плутния-241. 15,7 процентов плутония-241 распалось в америций-241 еще в реакторе, 13 из 83 килограмм – в выгружаемом ОЯТ.

Активность америция-241 в равновесном МОКС ОЯТ быстрых реакторов

Средняя доля 241-й массы (плутоний+америций) в массе равновесного топлива быстрого свинцового реактора составляет 4,8% (3,8% плутоний и 1,0% америций) в момент выгрузки из реактора [Экологически безупречная атомная энергетика, Адамов, Ганев, 2010]. Расчет проведен для БРЕСТ-ОД-300 и свинцового теплоносителя, расчетное время внешнего цикла (пирорадиохимия) 0,5 года, равновесие достигается на 4-6 цикле.

При стартовых режимах работы БН-600, когда нет плутония в составе топлива, а основным делящимся изотопом является уран-235 (86% делений происходит на этом изотопе при старте БН на обогащенном уране), реактор накапливает «легкий» плутоний (легкие изотопы плутония). В этом плутонии мало 240-й массы и более тяжелых масс. Этот классический режим для накопления вторичного (идеального) ядерного материала –  плутония-239, из первичного (идеального) ядерного материала – урана-235, называется конверсией.

В реакторе типа БН (быстрый натриевый) спектр существенно смещен в сторону тепловых (промежуточных) нейтронов, поэтому среднее отношение сечений деления и захвата плутония-240, из которого нарабатывается плутоний-241, смещается в сторону увеличения захвата. Это приводит к тому, что доля плутония-241 (и его дочернего америция-241) увеличивается примерно в 2 раза. Таким образом, доля пары плутония+америций-241 в равновесном топливе БН-600 поднимается до 8%.

Реактор БН-600 сегодня не рассматривается как выжигатель америция-241, так как наработка нового америция в натриевом спектре равна или превышает выгорание америция за то же самое время.

Темп выжигания 241-й массы непосредственно зависит от темпа выжигания реактора (должен быть не менее 16% т.а. в год) и от длительности радиохимического (внешнего) цикла переработки ОЯТ (д.б. не более 0,5 года) – это советские требования к ЗЯТЦ БН.

Для достижения этих параметров необходимо было в два раза поднять удельное тепловыделение реактора, и создать высокоскоростную пирорадиохимию. И то, и другое, теоретически обоснованное в СССР значение, оказалось невыполнимо (или заведомо катастрофично).

Сегодняшние теоретики понимают, что для создания ЗЯТЦ на реакторах БН-600, БН-800 и БН-1200 необходимо, кроме идеально работающей высокоскоростной радиохимии, строить выжигатели америция (и кюрия).

Реактор БРЕСТ или СВБР позволяют (теоретически) самостоятельно сжигать собственный америций, кроме того, выжигать до 30% внешнего америция. Если бы такие реакторы заработали в 50-х годах, то могли бы обеспечить атомную энергетику безотходной (без альфа-активности) технологией получения электроэнергии.

Если сегодня остановить весь парк накопителей плутония-америция, все 400 ГВт мировой атомной энергетики, то для сжигания накопленного америция потребуется в 2 раза большая мощность БРЕСТ на столетие.

Активность америция при сжигании в реакторах-выжигателях

Чтобы сжечь америций-241 в нейтронном потоке, необходимо знать, каким образом нейтроны взаимодействуют с ядром америция.

Для начального понимания проблемы рассмотрим график зависимости сечений, которым пользовались для составления стратегии обращения с ОЯТ в ARNL в 1964 году, и сравним «древние» данные с данными 1991.

Самая верхняя кривая – общее сечение, которое в тепловой области почти полностью образовано сечением захвата, которое при энергии нейтрона 0,0253 составляет ~800 барн (совпадает с графиком). При этом сечение деления всего 3,14 барн (совпадает с графиком). [Физические Величины, 1991].

Обратите внимание, что тепловое сечение у В-10 - 3837 барн, у Cd – 2520 барн, а у урана-238 – 2,71 барн. Америций-241 – эффективный поглотитель тепловых нейтронов. 

Если мы начнем сжигать америций в тепловом реакторе, то мы получим в основном Cm-242 и другие, более тяжелые изотопы. Таким образом, альфа активность только возрастет.

Совсем другая картина в области энергии нейтронов 1 МэВ и выше. Сечение захвата примерно 0,2 барна, а сечение деления примерно 2 барна. 9 из десяти атомов америция-241 будут поделены на осколки в таком жестком спектре.

При снижении энергии нейтрона до 0,7 МэВ сечения деления и захвата сравниваются на уровне 0,4 барн. Это означает, что лишь половина америция превратится в осколки.

При повышении энергии нейтронов до 2 МэВ сечение захвата падает до 0,1 барн, а при 3,5 МэВ вообще до 0,01 барн.

При решении задачи выжигания следует помнить, что основная цель – избавиться от альфа активности. Необходимо не просто уничтожить америций-241, а сделать так, чтобы из него не образовались более опасные изотопы.

Если строго подходить к решению задачи, то необходимо добиваться кардинального снижения приведенной активности (биологической опасности). Получение осколков приводит к резкому скачку приведенной активности осколков деления америция, которые лишь через полгода-год сравняются с приведенной активностью америция.

Аналогичный подход должен быть и при выжигании плутония. Если в процессе работы реактора вместо 1 кг 239 массы с удельной активностью 63 мКи/г образуется 100 грамм тяжелых ядер с удельной активностью 6,3 Ки/г, то суммарная активность возрастет в 10 раз, а период полураспада с 24 000 лет упадет до 240 лет. Понятно, что долговременная активность для 10 поколений людей возрастет в 10 раз.

Отличительная особенность реактора-выжигателя, состоит в том, что в него не загружается уран-238. Такими реакторами могут быть тепловые реакторы, работающие на топливе из смеси «легкого» плутония с инертной матрицей. Но америций для таких реакторов – сильнейший нейтронный яд, и выжигать америций таким способом невозможно. Тепловые реакторы могут только «подпортить» оружейный плутоний.

Быстрые реакторы могут выжигать плутоний и америций. Для этого необходимо выделить весь плутоний и америций из ОЯТ тепловых реакторов и сделать из этих элементов топливо для БР. Никакого урана, кроме чистого урана-235, в составе топлива не допускается.

За одну кампанию, при низких параметрах тепловыделения, можно выжечь до 50% загруженного материала. Так как воспроизводства в таком варианте нет, это и будет коэффициент конверсии. Если использовать в выжигателях свинцовый теплоноситель, бериллиевый отражатель, и вдвое снизить тепловыделение, по сравнению с СВБР АПЛ советских времен, то можно достичь выгорания 75% и более за одну кампанию.

Не нужно забывать, что уменьшение массы актинидов не равно уменьшению активности актинидов. Поэтому для оценки выжигателя КК неприемлем. Гораздо важнее для этого устройства такой показатель, как снижение приведенной активности остатка после работы реактора-выжигателя, или снижение биологической опасности взятых в работу материалов.

500 тонн советского урана-235, при наличии достаточного количества реакторов-выжигателей типа СВБР, могли бы пережечь половину америция-241, накопленного сегодня мировой атомной энергетикой.

Роль радиохимии америция в атомной энергетике

Все проекты по ЗЯТЦ разрабатываются военными, партийными лидерами, руководителями государств, при помощи физиков-ядерщиков. Мнение радиохимиков не учитывается в этих проектах. Радиохимические комплексы (переработка ОЯТ БР) даже не строились для создания ЗЯТЦ (пример – НИИАР позднего советского периода и Прорыв в Томске).

В пропаганде и рекламе БОР-60, БН-350, БН-600, БН-800, БРЕСТ-ОД-300 на самом первом месте стоят фразы, что этот реактор предназначен для пацифисткой задачи – создания ЗЯТЦ, который обеспечит человечество на тысячелетия бесплатной энергией. Но в перечне первоисточников, в технической документации реактора, про обращение с ОЯТ, либо нет ни слова, либо 1-2 пункта из примерно 500.

Никто из радиохимиков до сих пор так и не поддержал идею ЗЯТЦ. Реактор разрабатывается сам по себе, без привязки к переработке ОЯТ.

Радиохимия плутония запрещена во всех странах, кроме стран 5-ки ядерного клуба, с 1964. Переработка ОЯТ для гражданских целей запрещена в США с 1973. В Китае, СССР (Россия) и Англии переработано 1-2% ОЯТ гражданских реакторов. Франция – единственная страна, где переработка гражданского ОЯТ осуществлена в промышленных масштабах, в топливе тепловых реакторов был пережжен весь оружейный плутоний (и америций в том числе).

Доминирующие мировые стратегии по обращению с ОЯТ не предусматривают никакой радиохимии. Либо контролируемое длительное хранение, либо окончательное захоронение без возможности повторного использования. Как это сделать, и в какой точке земного шара – это актуальная обсуждаемая тема международных переговоров и научных исследований.

Судьба самого мощного ОМП в ядерной истории человечества сегодня (как и всегда) зависит от политического решения.

Словарик

Приведенная активность (термин используется в НРБ-99/2009 для определения класса работ с открытыми источниками ионизирующих излучений) – активность на рабочем месте, равная по биологической опасности активности радионуклиду, имеющему МЗА 1000 Бк.

МЗА (минимально значимая активность) – активность на рабочем месте, для работы с которой не требуется получения разрешения органов Ростехнадзора. Эта величина очень сильно отличается для различных радионуклидов, и изменяется от 1000 Бк для плутония-240 и америция-243 (нейтронные источники), до 10Е+9 Бк для трития. См. Приложение 4 НРБ-99/2009.

Такое количество активности можно (но не нужно), один раз за всю жизнь, намазать на кожу или слизистые, съесть, вдохнуть, ввести внутривенно без последствий для здоровья.  100 000 МЗА – это летальная доза, 4 Зв, которая накопится за 1 сутки экспозиции при поступлении внутрь организма. Даже если радионуклид будет полностью выведен из организма после такой экспозиции, 50% пострадавших погибнут в течение 30 суток (без специального лечения).