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.
Таблица 3. Имеющиеся и планируемые предприятия по производствууран-плутониевого топлива в мире (ProblemsConcerning the Accumulation of Separated Plutonium. Report of an Advisory group Meeting Held In Vienna, 26—29 April. IAEA. Vienna,1993) Страна, ядерный комплекс |
Производительностьпо МОКС-топливу, т/г. * |
|
в 1995 г. |
в 2000 г.(проект) |
|
Бельгия, Дессель |
40 |
80 |
Франция, Кадараш Маркуль |
20 120 |
25 120 |
Япония,Токаи-мура |
10 |
15 ** |
Великобритания, British Nuclear Fuel |
8 |
8 100 |
Германия, Ханау |
*** |
*** |
Россия, НИИАР, Димитровград ПО «Маяк» |
1 **** 0,4 |
1 **** ***** |
США |
0 |
0 |
Примечания * Данные приведены для суммарного количества урана и плутония в топливе, т. е. при производительности 10 т/г. установка перерабатывает ~ 0.5 т плутонияи ~ 9.5 т урана в год. ** Япония планирует в 2005—2010 гг. ввести в действие завод на 100 т/г. смешанного топлива. *** В Германии в 1991 г. перестала действовать первая установка на 20 т/г., на которой было переработано в топливо 8.5 т. энергетического плутония. В 1995 г. принято решение не завершать строительство в Ханау практически построенного нового завода на 120 т/г. Будущее этого завода пока не определено. **** В НИИАР изготавливается смешанное топливо для экспериментального реактораБОР-60. В таблице показана потенциальная мощность установки, реальная — ниже. ***** Проектная производительность Комплекса 300 на ПО «Маяк» составляет15—20 т/г. топлива для БН–600 и БН–800, что соответствует 5—6 т/г. по плутонию. |
||
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 обеднённого урана(изотопный состав и содержание 235 U в нихразличны). Для быстрых реакторов составуран-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, привёл 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 её строительства замерла и стройка цеха на ПО „Маяк“, спроектированного для изготовления уран-плутониевого топлива для реакторов БН–600и 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, начнётся только в следующем веке.
Таблица 4. Возможность использования плутония в российских реакторах (данныеФизико-энергетического института из отчёта «Техническое исследование производства уран-плутониевого топлива из оружейного плутония и возможности его применения в ядерной энергетике». Минатом России — Siemens — GRS. 1995) Тип реактора |
Загрузка Pu, кг/г. |
Выход Pu, кг/г. |
Баланс, кг/г. |
1 ВВЭР–1000 |
0 |
223 |
+223 |
2 ВВЭР–1000 |
254 |
308 |
+54 |
3 ВВЭР–1000 |
364 |
395 |
+31 |
4 БН–600 |
1141 |
1053 |
–88 |
5 БН–800 |
1637 |
1508 |
–129 |
Примечания. Реактор ВВЭР–1000 загружается в первом случае традиционным низкообогащённым (UO2-топливом(4,3% 235 U — в качестве эталонногопримера), во втором — на одну третьМОКС–ТВС (содержание плутония 3,5%;материал-носитель — обеднённый диоксид урана с 0,25% 235 U) и на две трети урановыми ТВС с 4,2% 235 U, в третьем — на одну третьМОКС–ТВС, но с более высоким содержанием плутония в смеси оксидов (5% Pu) и с более низким обогащением урана (3,7 235 U)в урановых ТВС. Реакторы БН–600 и БН–800загружаются на 100% уран-плутониевымтопливом. |
|||
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 договоровСНВ–1, –2 высвободится по 50 т плутония в каждой стране.
В 1993 — 1994 гг. учёные 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 тойили иной форме) неопределённо долго;
сделать ядерный материал труднодоступным для какого-либодальнейшего, 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 подземныхмогильников).
Такие способы уничтожения, как отправка плутония в космос, растворение в воде морей и океанов до безопасной концентрации и другие варианты ликвидации, а также неопределённо 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 дешёвого 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, посвящённых этой проблеме, большинство учёных ратует за полезное использование плутония в ядерной энергетике. У России есть хороший опыт в этой области. В действующем реакторе БН–600прошли испытания десятки сборок с плутониевым топливом, разработан новый реактор — утилизатор плутония БН–800. Но, чтобы двигаться вперёд, 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.