Проблемы безопасности использования МОКС в ЛВР

Изготовление МОКС и его физико-химические свойства

Приготовленный обычным образом PuO₂ очень стабилен химически и плохо растворяется в азотной кислоте, что затруднит переработку МОКС-топлива первого поколения. Впрочем, изготовители МОКС утверждают, что они преодолели это затруднение. Процедура получения МОКС-топлива состоит в основном в том, что порошки UO₂ и PuO₂ смешиваются с образованием как бы соединения UO₂-PuO₂ (называемого также основной смесью). Содержание плутония в смеси затем корректируется для использования в реакторе путем добавления UO₂. Затем порошок сжимают и спекают с образованием гранул, которые впрессовываются в топливные стержни, которые затем в свою очередь собираются в топливные сборки.

Существенным является различие температур плавления МОКС и UO₂ - у МОКС она ниже. Температура плавления соединения UO₂-PuO₂ снижается примерно пропорционально содержанию PuO₂ от 2840C для чистого UO₂ до 2390C для чистого PuO₂. Из этих данных можно рассчитать, что температура плавления типичного МОКС будет на 20-40 градусов ниже температуры плавления оксида урана. При высоких степенях выгорания, температура плавления может еще понизиться. Это снижение не настолько велико, чтобы создавать опасность само по себе; но в сочетании с другими эффектами или в особых ситуациях оно может оказаться опасным.

Также известно, что теплопроводность МОКС монотонно падает по мере увеличения содержания плутония. Как и в предыдущем случае, этот эффект не опасен сам по себе, но он может оказать опасное влияние на термогидравлические параметры активной зоны реактора в некоторых особых условиях.

Имеются также некоторые различия в физико-механических свойствах (модуль Юнга, коэффициент Пуассона). В данном отчете они не рассматриваются. Отметим еще только возрастание выхода газообразных продуктов деления из МОКС по сравнению с UO₂ -это отличие особенно заметно при высоких степенях выгорания.

Ядерные характеристики МОКС-топлива

Изотопы плутония резко отличаются по своим ядерным свойствам от изотопов урана. Эти различия приводят к следующим последствиям для безопасности реактора, работающего на МОКС:

- уменьшение поглотительной способности управляющих стержней (эти стержни поглощают избыток нейтронов, предотвращая переход в режим неконтролируемой цепной реакции). Это происходит из-за того, что МОКС сравнительно хорошо поглощает нейтроны низких энергий (медленные нейтроны), поэтому средняя энергия нейтронов оказывается выше, а управляющие стержни поглощают быстрые нейтроны хуже, чем медленные. По той же причине падает поглотительная способность бора, добавляемого в охлаждающую жидкость реактора с водой под давлением (РВД) (а также, в аварийных ситуациях, реактора на кипящей воде (РКВ)). Из-за этого оказывается недопустимым размещать топливные сборки с МОКС в непосредственной близости от управляющих стержней (в основном, именно из-за этого нельзя заменить на МОКС более чем одну треть загруженного в реактор уранового топлива).

- усиление отрицательности некоторых коэффициентов реактивности при низкой степени обогащения плутония: коэффициент реактивности описывает

изменение скоростей реакции деления (и, следовательно, мощности) в результате различных изменений ситуации в активной зоне, таких как появление пустот в охладителе, изменение температуры замедлителя (воды), температуры топлива и т.п. Увеличение отрицательности пустотного коэффициента делает более опасным схлопывание пустот в кипящем реакторе, а усиление влияния температуры замедлителя на мощность может быть опасным в реакторе с водой под давлением при некоторых переходных условиях (см. обсуждение в следующем разделе).

- усиление пика мощности. Из-за интенсивного поглощения медленных нейтронов плутонием возникает тенденция к неравномерному распределению мощности в активной зоне, с максимумом на границе между UO₂ и МОКС, и особенно на границе между водой и МОКС-топливом. Для смягчения этого эффекта используют специальные конфигурации активной зоны со специально подобранными постепенно меняющимися уровнями обогащения в пределах топливной сборки. Это резко усложняет изготовление топливных стержней и их объединение в сборку; если же при этом будет допущена ошибка, возникает опасность аварии.

- сокращение доли запаздывающих нейтронов. Часть нейтронов испускается сразу при распаде ядра (они существуют затем в среднем еще одну микросекунду), а некоторые испускаются из ядер, возникших в результате деления ядра, с задержкой от десятых долей секунды до десятков секунд. Хотя доля запаздывающих нейтронов мала (0,7% и менее), контроль за ходом цепной реакции с помощью перемещения управляющих стержней, которые не могут перемещаться очень быстро, возможен только за счет этих запаздывающих нейтронов. Для ²³⁹Pu доля запаздывающих нейтронов примерно в три раза меньше, чем для ²³⁵U, что усложняет задачу контроля (особенно при высоких концентрациях ²³⁹Pu).

- ускорение износа материалов реактора. Поскольку, как указывалось выше, использование МОКС приводит к повышению средней энергии нейтронов, что в свою очередь «ускоряет процессы радиационного разрушения материалов реактора нейтронами. В результате сокращается срок службы деталей реактора, что может при определенных условиях создавать опасность аварии».

Радиологические свойства

Плутоний очень опасен в радиологическом смысле (т.е. как источник радиоактивного загрязнения). Свежее МОКС-топливо гораздо опаснее, чем свежее урановое топливо. Аналогично, отработанное МОКС-топливо гораздо опаснее отработанного уранового топлива (из-за повышенного содержания плутония и других трансурановых элементов).

Следует принимать во внимание три составляющих радиологического риска:

- попадание плутония и других трансурановых элементов внутрь организма. Угроза, создаваемая попаданием плутония в легкие, была описана выше. Обращалось также внимание на более высокую токсичность реакторного плутония по сравнению с чистым изотопом ²³⁹Pu. Опасность вдыхания особенно затрагивает занятых на предприятиях по производству МОКС (а в случае выброса плутония в результате аварии на реакторе, использующем МОКС - и не только их). Последний случай рассмотрен подробнее ниже в этой главе.

- обучение -лучами, возникающими при распаде ²⁴¹Am. При распаде ²⁴¹Pu возникает ²⁴¹Am, являющийся источником -лучей. Период полураспада для этого процесса равен 14,4 года. Отсюда получаем, что поскольку содержание изотопа ²⁴¹Pu в реакторном плутонии равно 10-15%, примерно 0,5-0,7% от общего количества плутония ежегодно переходит в ²⁴¹Am. Поэтому -активность выделенного плутония возрастает с течением времени прошло после переработки (из-за накопления ²⁴¹Am), но в то же время она тем меньше, чем больше времени выдерживался материал до переработки (из-за распада ²⁴¹Pu).

- нейтронное излучение. Быстрые (высокоэнергетичные) нейтроны являются одним из самых опасных видов ионизирующего излучения. Плутоний излучает нейтроны в результате двух процессов: при спонтанном распаде изотопов с четными массовыми числами (²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu и ²⁴²Pu), а также в результате реакций -частиц, испускаемых при распаде плутония, с легкими элементами (например, с кислородом). В случае обычного МОКС-топлива основной вклад в излучение нейтронов вносят спонтанные распады ²⁴⁰Pu и реакции с участием -частиц.

Социальные и юридические аспекты использования МОКС-топлива

МОКС И ОБЩЕСТВО

Плутоний - цель и средство напугать общество

МОКС-топливо и особенно выделенный плутоний могут быть использованы в качестве «радиологического яда» или начинки для простейшего ядерного взрывного устройства. Даже маленькая группа, состоящая из хорошо информированных и подготовленных людей, у которой есть энергетический плутоний, может создать грубое ядерное устройство мощностью, достаточной для шантажа или угрозы правительству. Что могло бы случиться, если у лунатиков, в апреле 1995 года взорвавших здание в Оклахома-Сити и убивших 169 человек была бы не обычная бомба, а ядерное взрывное устройство? Каков был бы результат, если бы у секты Аум Синрике были бы не только талантливые химики, но и ядерные физики и специалисты, и она в марте 1995 года, когда пострадало более 5000 человек и погибло 12, применила бы вместо нервного газа ядерное взрывное устройство?

В обществе всегда найдутся фанатики, сумасшедшие, жадные, неудовлетворенные и завистливые люди, которые способны украсть или передать плутоний и потом шантажировать общество угрозой применить его в разрушительных целях. В обществе всегда есть иностранные агенты, члены организованных преступных группировок или поставщики международного черного рынка ядерных материалов, заинтересованные в дестабилизации общества или в развитии и защите своей преступной деятельности. Если даже в настоящий момент и существуют какие-то ограничения или дефицит мотивации для использования плутония в преступных целях, в будущем эти аргументы могут отпасть по многим причинам. Поэтому ядерный терроризм является «реальной угрозой цивилизации» и вероятность его появления увеличивается.

Транспортировка выделенного плутония из Франции и Великобритании в Японию, хранение на складах/хранилищах, доставка из хранилища на завод производству МОКС-топлива, изготовление МОКС-топлива и топливных элементов из него - все эти звенья плутониевого топливного цикла могут стать мишенью нападения, саботажа и диверсии.

Выводы:

Плутоний - искусственный элемент, созданный человеком. В естественном виде он встречается лишь в немногих местах на Земле в очень низких концентрациях. Каждый коммерческий реактор (мощностью порядка 1000 МВт), работающий на уране, производит около 200 кг плутония в год. ²³⁹Pu, самый важный расщепляющийся изотоп плутония с периодом полураспада 24 000 лет, был впервые произведен в заметном количестве для изготовления атомных бомб, одна из которых разрушила японский город Нагасаки в 1945 году.

Плутоний - один из самых токсичных элементов

Хорошо известны канцерогенные свойства (способность вызывать рак) ²³⁹Pu, но реакторный плутоний, представляющий собой комбинацию различных изотопов плутония и используемый в мирных плутониевых программах, в 8-10 раз более токсичен на единицу веса, чем ²³⁹Pu.

Один грамм реакторного плутония в равен суммарному годовому пределу на вдыхание плутония для 40 миллионов людей. Следует иметь в виду эти порядки величин, когда обсуждаются вопросы производства и хранения многих десятков тонн плутония.

Запасы плутония по-прежнему растут

К 2010 году запасы извлеченного из боеголовок оружейного плутония составят примерно 200 тонн. Кроме того, запасы энергетического плутония продолжают возрастать, особенно в Европе. В 1996 году в мире было выделено 22 тонны плутония, и только 8 тонн были использованы в виде МОКС и в реакторах-бридерах. Общий объем запасов плутония на конец 1996 года был оценен МАГАТЭ примерно в 160 тонн. Японский запас составлял на конец 1995 года примерно 16 тонн, по данным правительства Японии, или около 10% мировых запасов. По нашей оценке, японский запас возрастет до 30 тонн к 2000 году и 70 тонн к 2010 году.

Плутоний любого состава потенциально пригоден для изготовления ядерного оружия

Плутоний бывает различного «качества». Однако проведенный нами анализ позволил установить следующее:

Плутоний практически любого изотопного состава, и в особенности плутоний, выделенный из ОЯТ любого из работающих в Японии реакторов, может быть использован для изготовления ядерного взрывного устройства. Для реакторного плутония в виде кристаллов оксида в форме сферы критическая масса равна примерно 35 кг. Радиус этой сферы составит примерно 9 см - размер небольшой дыни. Трансформация оксида плутония в металл - несложный химический процесс - уменьшает критическую массу до 13 кг. Применение отражателя нейтронов (например, природного урана) еще более снижает эту массу.

Таким образом, утверждения плутониевой промышленности и непригодности реакторного плутония для изготовления взрывного устройства являются ложными и научно необоснованными.

Использование оружейного плутония для изготовления МОКС: лучшее решение

Легководный реактор (ЛВР) электрической мощностью 900 МВт, который может быть загружен МОКС на треть активной зоны, может потребить около 170 кг плутония в год. Помимо необходимости строительства предприятий для изготовления МОКС и переработки плутониевых сплавов, потребуется 30 таких реакторов, работающих в течение 30 лет, для переработки 140 тонн оружейного плутония, который будет извлечен из демонтируемых боеголовок в ближайшие 10 лет.

Угроза ядерного терроризма возрастает

Возрастание доступности плутония и существование высокопрофессиональных террористических групп создают лучшие, чем когда-либо раньше, условия для ядерного терроризма. Террористические группы демонстрируют невиданную жестокость и готовность к применению оружия массового уничтожения. Нет сомнений, что некоторые из этих групп смогли бы изготовить примитивную атомную бомбу или создать эквивалентную угрозу.

Безопасность производства и применения МОКС под вопросом

Опыт использования МОКС промышленностью пока очень мал по сравнению с опытом применения уранового топлива. Топливные сборки МОКС-топлива составляют менее 0,2% от всех сборок, используемых в мире для питания ЛВР. Даже в Германии, крупнейшем после Японии иностранном клиенте плутониевой промышленности Франции и Великобритании, доля МОКС-сборок не превышает 4% (200 тонн МОКС на 5000 тонн уранового топлива).

Некоторые свойства МОКС могут оказать отрицательное влияние на работу реактора, в особенности на его поведение в определенных переходных режимах:

• 
  Температура плавления МОКС-топлива ниже на 20-40 градусов, чем уранового топлива.
  
• 
  Теплопроводность МОКС-топлива падает с увеличением содержания плутония.
  
• 
  Способность контрольных стержней реактора поглощать нейтроны ниже при использовании МОКС.
  
• 
  Применение МОКС меняет значения некоторых коэффициентов реактивности, что в определенных условиях затрудняет управление состоянием активной зоны реактора.
  
• 
  Пикование мощности (неоднородность тепловыделения) возрастает.
  
• 
  Уменьшается доля запаздывающих нейтронов, что затрудняет управление реактором.
  
• 
  Спектр энергий нейтронов становится более «жестким» (т.е. их энергия повышается).
  

Таким образом, использование МОКС сокращает запас устойчивости ЛВР. Кроме того, существуют большие неопределенности в вопросе влияния МОКС на безопасность реактора, особенно при высоком содержании плутония и при высоких степенях выгорания.

Использование МОКС усугубит последствия аварий

В случае серьезной аварии на реакторе с нарушением герметичности активной зоны, доза на заданном расстоянии от реактора в случае загрузки его на треть МОКС-топливом будет выше в 2,3-2,5 раза. В столько же раз усугубятся последствия выброса радиоактивности. Другой способ оценить последствия аварии с МОКС и без МОКС - это сравнить зараженные в случае аварии площади. При сравнении таким способом получаем, что применение МОКС усугубит отрицательные последствия аварии в 3,2-4 раза.

Как видно из проведённого анализа –МОКС – далеко не безопасный вариант утилизации плутония, однако, если из двух зол – плутоний и МОКС выбирать меньшее, то несомненно приоритет нужно отдать МОКС-топливу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. « Значение МОКС – топлива для изменяющегося мира», ДЖИНИЗАБУРО ТАКАГИ, Москва 2000 год.

2. Введение в ядерную физику; К.Н. Мухин, Москва , 1995 год

3. Ядерная энергетика; Б.Б. Кадомцев, В.И. Пистунович; 1994 г. Москва

4. Декларация о намерениях по строительству МОКС - топлива под редакцией Константина ОРЛОВА, Виктора ЧЕРВИНСКОГО.

5. Маргулис У.Я. Радиация и защита. — М.: Атомиздат, 1999 год

6.Безопасность ядерной энергетики. Доклад Международной консультативной группы по ядерной безопасности – INSAG. Сер. изд. по безопасности № 75-INSAG-5. Вена: МАГАТЭ, 1993.

7. Ковалевич О.М., Слуцкер В.П., Кабакчи С.А. и др. Состояние и возможные подходы к нормированию безопасности предприятий ядерного топливного цикла. -/Атомная энергия, 1994.
<предыдущая страница