«Ядерно-безопасный плутоний»
Дата: 23/12/2021
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


(он же Толерантный плутоний, он же Мирный плутоний, он же Гражданский плутоний, он же Энергетический плутоний, он же Высокофоновый плутоний, он же плутоний в составе ОЯТ АЭС, он же плутоний, извлеченный из ОЯТ АЭС)

С.М. Брюхов  (псевдоним на сайте Проатом  - Дементий Башкиров)

На заре атомной эры, когда практически только один Энрико Ферми умел рассчитывать ядерно-физические характеристики материалов и установок, не было устоявшегося названия для элемента, в ядре которого на два протона больше, чем в ядре урана.



После нескольких лет дебатов, в которых номинировались названия Армагеддоний, Пандемониум, Мозгозаплетатель, Сумашедствующий (и еще хлеще), за элементом № 94 установилось мрачное название – Плутоний.

Это было продолжение традиции названий новых элементов по названию планет на краю Солнечной системы в честь Древнегреческих Богов Урана, Нептуна, Плутона. Название выглядело вполне логично. Однако смысл этого названия – (подземное) Царство Смерти, в которое есть вход для всех без исключения, но нет выхода ни для кого. Далее только зловещая пустота вечности Вселенной.

В дни применения ядерного оружия над Японскими городами, слово плутоний приобрело еще более зловещий оттенок. Те немногие, кто знал название материала, испепелившего Нагасаки, боялись произносить вслух название этого металла.

Под словом плутоний в то время подразумевался один изотоп – Pu-239, который обладал критической массой в 3 раза меньше, чем U-235. В конце лета 1945 только плутоний являлся реальным материалом для ядерного арсенала США. Производство урана-235 давало один заряд в 3 года, а производство плутония давало 1 заряд в 2 недели.


Расчеты Ферми

Энрико Ферми рассчитал, что для производства эффективного заряда необходимо использовать практически чистый изотоп – Pu-239. Примеси четных изотопов плутония (Pu-238 и Pu-240) обладают очень большим потоком нейтронов спонтанного деления, примерно 2,7 миллиона и 1 миллион нейтронов в секунду на килограмм изотопа соответственно. Изготовить «гаджет» из них было невозможно, хотя критическая масса у них сравнима с ураном-235.

Расчеты Ферми (цифровое моделирование тогда было на бумаге, а не на суперкомпьютере) показывали, что цепная реакция на четных изотопах начиналась задолго до того, как происходило полное сближение подкритичных масс, и мощность взрыва падала в десятки и сотни раз. Ферми выдвинул требование, чтобы содержание четных (чёрных) изотопов в плутонии не превышало 2,5%.

Плутоний с содержанием четных изотопов, рассчитанным Ферми в 1945, сегодня называется старым оружейным плутонием, или плутонием пригодным для изготовления кустарного ядерного оружия.

Ядерная физика не стояла на месте с 1945 года. Тысячи ученых работали над улучшением тактико-технических характеристик ядерного оружия, и в результате этих исследований были созданы более эффективные конструкции, которые могли использовать всё большее количество четных изотопов плутония в материале ядерного оружия. Апофеозом этой деятельности, в результате 30-летней совместной программы ученых США и Великобритании, с 1965 по 1995 год, стали конструкции, позволяющие эффективно взрывать любой изотоп плутония.


Кроме – Pu-238

Этот изотоп оказался настолько короткоживущим (всего 88 лет), что обладает удельным энерговыделением 0,57 кВт/кг. С учетом плотности металла, объемное энерговыделение (Qv, по-русски читается Кувэ) составляет 11 кВт/литр. Для создания ядерного боеприпаса из этого изотопа требуется более 15 кг, и изделие расплавляется за счет тепла радиоактивного распада за 10 минут. Даже если поливать его жидким азотом, невозможно избежать расплавления.

В 1995 году специалисты по нераспространению плутония ввели стандарт безопасности, в котором предписали, что ядерно-безопасной смесью изотопов плутония является состав, где доля Pu-238 составляет не менее 80%. То есть практически чистый изотоп плутоний-238.


История знакомства с плутонием-238

Первый раз я узнал изотопный состав плутония в 1979 году, из БСЭ, еще когда учился в школе. На странице 450 тома 30, в таблице 2 «Состав выгружаемого топлива, кг» реактора ВВЭР-1000, проработавшего 3 года на номинале, после трех лет выдержки. В этой таблице приведены изотопы урана, нептуния, плутония, америция, кюрия и др.

42 года назад простым карандашом мною сделана поправка в этой таблице. Мои родители имели привычку делать карандашом поправки, выделения и записи на полях собственных книг, и эта привычка перешла ко мне.

В 1978 плутоний из ВВЭР-1000 считался гражданским плутонием, и из изотопного состава гражданских материалов не делали секретов.

Мои школьные учителя давали мне много литературы по своему предмету. У меня в доступе была Краткая Химическая Энциклопедия (1965), Популярная библиотека химических элементов (1976), а также книга «Путешествие в страну РАИ», где под раем подразумевалась страна радиоактивных изотопов.

Физику я учил по старенькому потрёпанному учебнику Ландсберга (трехтомник), в котором есть большой раздел по ядерной физике, написанный Сахаровым.

Сегодня всем, изучающим радиохимию и ядерную физику рекомендую справочник Физические Величины, Энергоатомиздат, 1991 года.

 

Рассчитываем долю активности Pu-238 в плутонии Ферми

Сначала находим соотношение периодов полураспадаPu-239/Pu-238. 24100/88=274. Во столько раз удельная активность Pu-238 выше, чем у Pu-239.

Плутоний-238 (он же единственный мирный изотоп плутонияпо современным понятиям) получают по специальной технологии. Он получается в результате двух нейтронных захватов – сначала ядром U-238 с испусканием двух нейтронов, затем ядром Np-237 с испусканием гамма.

И уран-238, и нептуний-237 (Т=2,14 миллиона лет) являются стабильными изотопами, с точки зрения человечества, и наших расчетов.

В результате получаем Pu-238, не стабильный с точки зрения отдельно взятого человека. Первые атомы этого изотопа, полученные в 1940 году, уже наполовину превратились в U-234.

Накопление плутония-238 в реакторном топливе первого цикла, происходит в соответствии с аналогичным графиком накопления любого другого изотопа, для производства которого требуется два нейтронных захвата. Этот факт является ключевым, когда мы будем использовать информацию о Pu-238 для установления качественных характеристик смеси изотопов плутония.

Как мы понимаем, название «мирный» относится к ядерной безопасности, и совершенно не относится к радиационной безопасности. Этот радионуклид втрое опаснее, чем америций-241. Этот радионуклид почти в 300 раз токсичнее Pu-239.

Рассмотрим значения таблицы массового состава ОЯТ (БСЭ, т.30,стр.450). В смеси изотопов плутония массовая доля плутония-238 составляет 2%, плутония-239 – 60%, плутония-240 – 24%, плутония-241 – 10%, плутония-242-4%. Находим соотношение долей 240/238 = 12.

Если исключить бета Pu-241, то львиная доля альфа-активности «гражданского» плутония – это Pu-238. Его активность в 5 раз превышает активность всех остальных изотопов плутония. С точки зрения радиационной безопасности, плутоний из ОЯТ АЭС – это Pu-238.

Теперь вернемся во времена Ферми. Он рассчитал, что доля 238+240 массы не должна превышать 2,4%, то есть должна быть в 10 раз меньше, чем в плутонии ВВЭР. Соответственно, доля 238 массы не будет превышать 0,2%. Рассчитываем долю активности 238 в плутонии Ферми. Получаем 35% (или меньше).


Отчет по экологической безопасности ГХК за 2020 год

Как мне когда-то объясняли старшие (очень компетентные) товарищи, что 99% информации разведка получает из газет, журналов, радио и телевидения. Как сейчас принято говорить – из средств массовой информации и интернета. Сегодняогромное количество всевозможных выступлений официальных лиц Росатома на публике, и если слушать внимательно, то многое можно расслышать.

Зная азы радиохимии, изложенные выше, оценим материалы, с которыми проводили работы на ГХК в 2016-2020 году.

Для этого достаточно проанализировать информацию (как сейчас говорят социологи Росатома– цифры), представленные в таблице 5 Отчета. [ghk_ecorep_2020pdf]

Находим значения доли активности Pu-238 в выбросах плутония в атмосферу. В 2016 году 4,7%, в 2017 году 8,9%, в 2018 году 7,7%, в 2019 году 9,1%, в 2020 году 45,1%.

До 2019 года включительно,предприятие работало с «плутонием Ферми», образца 1945 года.

В 2020, возможно, предприятие перешло на работу либо с очень старым плутонием из РБМК или ВВЭР (короткоживущий изотоп Pu-238 частично распался), либо с более современным оружейным плутонием. Однозначно про 2020 сказать по плутонию нельзя.

Но есть еще один индикатор деятельности/бездеятельности при обращении с ядерными материалами. Это америций. Am-241 в чистом виде накапливается только при длительной выдержке плутония, имеющего глубокую очистку от реакторного америция перед выдержкой.

Если бы ГХК работал с гражданским ОЯТ, то в таблице был бы указан америций, состоящий их 2-х изотопов для ОЯТ ТР (241+243), и из 3-х изотопов для ОЯТ БН (241+242m+243). Отсутствие информации в Отчете об америции-243 и америции - 242m, указывает на то, что - либо эти радионуклиды не измеряются средствами АСРК предприятия (что маловероятно в 21 веке), либо информация скрывается (но сегодня нет смысла прятать такую информацию, она доступна прецизионным измерениям по всему Северному полушарию).

Самая простая, и самая вероятная причина отсутствия информации – это реальное отсутствие гражданских изотопов америция в том плутонии, с которым работали в 2020 на ГХК.

Есть ещё версия – в работу был взят плутоний из ОЯТ БН-600. Насчет 2016-2019 эта версия отпадает, а вот в 2020 –действительно можно приписать выбросы старому-престарому плутонию из БН-600, под 40 лет, который был давно выделен из ОЯТ БН-600 на каком-то другом предприятии СССР или России.

Как-бы то ни было, ГХК в 2020 повторил печальный опыт старых американских и французских работ, опыт советских работ НИИАР со старым плутонием, и читатель видит, что в выбросах доминирует активность Am-241. Результаты хорошо воспроизводимы.


Что приятно увидеть в Отчете

Нет признаков радиохимических переработок свежего ОЯТ. Никаких выбросов Cm-242, Cm-244, которые доминируют в процессах переработки ОЯТ БР. Будем надеяться, что до экспериментального подтверждения результатов советских работ со свежим ОЯТ БН дело не дойдет. Подтверждение очевидного и в ядерной науке считается моветоном.


Что режет глаза в Отчете

Если поделить значения выброса на долю от ПДВ (предельно допустимого выброса), то становится беспокойно за весь Красноярский Край.

Сумма предельно-допустимых годовых выбросов альфа-нуклидов ГХК в атмосферу в 2020 году составляет 30 Ки/год. Для сравнения, для НИИАР это 0,5 Ки/год. Для АЭС США это 0,5 мКи/ГВтэ*год [Серебряков Б.Е., статьи и комментарии на Проатом дает ссылку на американский стандарт безопасности].

Реальный выброс альфа-нуклидов зафиксирован на уровне 36 мКи/год, то есть в 76 раз больше, чем американский допустимый предел.

И это при нулевой радиохимической деятельности, и фабрикации около ¼ АЗ БН-800, для поддержания эксплуатации топлива, работающего 4 года.

Пересчет, на гражданские единицы измерения радиационных выбросов, дает ответ, что допустимый предел АЭС США превышен в 2020 году в ГХК в 300-400 раз.


Что (не)делать

Разглашать государственные секреты в экологических отчетах не нужно. Все эти отчеты есть предмет анализа компетентных специалистов в разных странах, это включено в их служебные обязанности(у меня время пересчета доли активности плутония-238 в степень обогащения изотопа плутония-239 первоначально заняло 20 минут, при достаточном опыте такой расчет в уме можно делать за десяток секунд).

Экологический отчет не должен содержать оперативные сведения о изотопном составе ядерных материалов, составляющих ядерный щит России.

Прекрасным примером неразглашения государственных ядерных секретов является единица измерения радиационной опасности АЭС, принятая в США – 0,5 мКи/ГВтэ*год (она же 0,0023 Бк/квтч) для любых альфа-радионуклидов с периодом полураспада более 10 лет. Практически у всех альфа-нуклидов дозовый коэффициент укладывается в интервал 4Е-5 ÷ 5Е-5 Зв/Бк, и нет «экологического» смысла делить изотопы при анализе выбросов.

Отчет содержит слишком много избыточной информации, не проясняющей обывателю суть вредного влияния АЭС на окружающую среду. В идеальном варианте, конечным результатом измерений должна быть единица измерения [мЗв/год], и продолжительность времени превышения годовой дозы (период полувыведения).

Например: в результате деятельности ОИАЭ в 2020 году, 10 км2 территории Края оказались загрязненными выше естественного природного фона на 1 мЗв/год. Ожидаемое время снижения избыточного фона до уровня 0,5 мЗв/год – 3020 год.

Одним из самых дешевых видов измерения является измерение суммарной бета-гамма эквивалентной дозы. Гамма-спектрометрия дороже на два порядка. Альфа счет дороже на три порядка, а альфа спектр и масс-спектр дороже на 4-6 порядков. Для экологической оценки достаточно общего альфа-счета, что на несколько порядков дешевле альфа-спектра и масс-спектра.

Измерения суммарных альфа-выбросов, без расшифровки радионуклидного состава, дает исчерпывающую информацию об радиационной опасности выбросов в атмосферу. Установленные на точках выброса спектрометры нужны для грамотной организации процесса на ОИАЭ, но нет (большого) смысла использовать эту информацию для оценки экологических последствий выброса.


Рейтинг АЭС по уровню безопасности

В соответствие с принципом НРБ – минимальный вред при равной пользе – необходимо провести ранжирование разных типов АЭС по количеству удельных выбросов (в том числе по количеству выбросов альфа-радионуклидов в атмосферу) на единицу произведенной (мирной, гражданской) продукции, то есть квтч.

Несомненными лидерами в рейтинге являются АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, которые соответствуют требованиям американского стандарта безопасности. И советские АЭС очень близки к этому требованию. Если бы не бы – аварии типа Чернобыля, и отсутствующие концепции по обращению с ОЯТ.

Абсолютным аутсайдером в этом рейтинге являются разрабатываемые с 1949 года АЭС в составе ЗЯТЦ БР. Эксперимент в Красноярске в очередной раз показал, что удельные выбросы этих производств мирного квтч превышают выбросы ОЯТЦ в 300-400 раз на операции фабрикации вторичного топлива. Плюс превышения в несколько сотен раз на радиохимических операциях с ОЯТ длительной выдержки.

Абсолютно неприемлем так называемый короткий ЗЯТЦ БР, или «сухой» ЗЯТЦ БР. Удельные выбросы превышают удельные выбросы современных АЭС на 5 порядков и более.

По своим радиационным последствиям предполагаемый ЗЯТЦ БР находится выше последствий Фукусимы и немного не дотягивает до Чернобыля, если учитывать опыт работ по советскому ЗЯТЦ БР в НИИАР.


Положительные примеры в энергетике

В настоящее время на каждую единицу генератора электроэнергии прилагается сертификат производителя, в котором указан удельный выброс СО2, кг/квтч. Соответственно, чем меньше эта величина, тем безопаснее для окружающей среды является техника.

Атомная электростанция является одним из лучших генераторов в рейтинге эмиттеров углекислоты на квтч произведенной электроэнергии.

Точно такой же рейтинг приводится и для выбросов радиоактивных веществ в атмосферу. Устаревшие угольные электростанции, работающие на угле с высоким содержанием урана, выбрасывают в атмосферу примерно одинаковое количество альфа-радионуклидов, что и современные АЭС (при безаварийной работе).

В моей видеолекциив НИИАР (2016 год) «Объекты ядерного топливного цикла. Оценки плюсов и минусов» приведены критерии для сравнения различных типов генерации. Основным критерием для сравнения является произведение превышения ПДК на загрязненной территории на время вредного воздействия.

Большинство современных видов генерации или когенерации электроэнергии, имеют удельные выбросы радионуклидов на многие порядки меньше, чем АЭС (при безаварийной работе). Если следовать принципам НРБ по минимизации вреда, то АЭС должны быть закрыты.

Американский стандарт, использующий для оценки негативного воздействия АЭС величину Бк/квтч (мКи/ГВтэ*год), проще для понимания и на порядки дешевле при применении на практике. Понятно, что любая альтернативная генерация с огромным запасом укладывается в требования этого стандарта.


Послесловие

Современные ядерщики любят создавать аллегорические словесные конструкции. Физики любят пошутить, и в прямом, и в переносном смысле. Но шутки физиков-ядерщиков очень жестокая штука.

Когда я слышу термин «толерантный плутоний» или «мирный плутоний» или «гражданский плутоний», то в моем представлении рисуется картина всеобщего кладбищенского спокойствия. Какой бы эпитет не приставлен к словам «Царство смерти», это Царство не становится заманчивым для живых.

Говорить о спасении человечества от энергетического голода с помощью «мирного плутония» можно было до 1995 года. Сегодня для спасения человечества придется применять только оружейный плутоний.

Пока я писал эти строки, несколько раз вспоминалась песня Окуджавы. Вот один из куплетов.

- На полях, лейтенант, кровию политых,

Расцветет, лейтенант, славы торжество!

- Господин генерал, слава для убитых.

А живому важней женщина его.

Дерзость или разговор перед боем. Булат Окуджава.

Атомная энергетика в России должна быть планомерно (как в США) и/или поэтапно (как в Германии) свернута до безопасных пределов.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9910