“СТАТУС”, август 1997: Обращение с оружейным плутонием и ураном в России

Расщепляющиеся материалы (уран и плутоний), извлекаемые при демонтаже из боеголовок, являются не только национальной, но и международной проблемой, с точки зрения как экологической безопасности, так и политики нераспространения. В то время как обращение с высокообогащенным ураном, выделяемый при демонтаже, не составляет больших трудностей – этот материал может быть переработан и использован в качестве топлива для АЭС – пути обращения с плутонием, период полураспада которого составляет 24 тыс. лет и который является высокотоксичным материалом, до сих пор не определены.

Эта ежемесячная колонка "Статус" посвящена проблемам обращения с высокообогащенным ураном и плутонием в России, проблемам, с которыми столкнулись все страны-обладательницы ядерного оружия.

Центры по производству и демонтажу ядерного оружия

К концу этого столетия количество ядерных боеголовок в России не будет превышать 5 тыс. единиц. Демонтаж ядерных боеголовок производится на заводах, которые их когда-то создавали: Екатеринбург-45, Пенза-19 и Златоуст-36.

При полной загрузке эти предприятия способны демонтировать до 2000 боеголовок в год. Стоимость демонтажа одной боеголовки составляет 10-15 тысяч долларов США в зависимости от степени ее сложности. Общие затраты на ликвидацию запланированного количества боеприпасов с учетом транспортных и иных расходов составят около 2 миллиарда долларов США.

В результате демонтажа из боеголовки извлекается таблетка ядерного материала, так называемый "пит", в котором используются урана-235 (с обогащением 90%) и плутоний-239 (с обогащением более 90%).

Высокообогащенный уран может производится на четырех заводах: в Екатеринбурге-44, Красноярске-45, Ангарске и Томске-7. Оружейный плутоний производился на заводе в Челябинске-40; на сегодня в эксплуатации находятся три промышленных реактора в Красноярске-26 и Томске-7, нарабатывающие плутоний.

После демонтажа боеголовок должны высвободится сотни тонн высокообогащенного урана (ВОУ) и десятки тонн плутония. В настоящее время запасы ВОУ в России оцениваются в 900 тонн, в то время как запасы оружейного плутония в 140-160 тонн (по другим источникам – 150 тонн оружейного плутония и около 30 тонн энергетического плутония). Эти числа не включают запасы плутония, который может быть извлечен из ядерного топлива, нарабатываемого реакторами АЭС, транспортными ядерными установками, а также промышленными реакторами.

Обращение с высокообогащенным ураном

При заданном условии дальнейшего развития ядерной энергетики (этот вопрос не является темой обсуждения в этой статье), обращение с высокообогащенным ураном не является существенной проблемой. Этот материал может быть разбавлен до низкого уровня обогащения и использован в качестве топлива для АЭС.

С целью установления международного контроля на растущими запасами российского ВОУ, в 1994 году американцы подписали с Россией контракт на поставку в США 500 тонн ВОУ, извлекаемого из демонтируемых боеголовок. Следуя условиям соглашения, 6 тонн российского ВОУ было доставлено в США в середине 1995 г., еще 12 тонн – в 1996 г. Ожидается, что в 1997 г. США получат еще 18 тонн. Согласно Министерству энергетики США, 24 тонны будут закуплены в 1998 году, затем – 30 тонн ежегодно вплоть до 2013 г. Стоимость сделки составляет 12 миллиардов долларов США. Хотя намеченные сроки могут претерпеть изменения из-за возникшей недавно необходимости пересмотра условий контракта.

По причине отсутствия в США незагруженных предприятий по разбавлению ВОУ, контракт обязует Россию производить эту операцию на своих заводах.

Американские стандарты на ядерное топливо для АЭС ограничивают концентрацию изотопов урана-236 и урана-234. Поэтому России пришлось осваивать технологию не только разбавления ВОУ, но и его очистки от нежелательных изотопов урана.

Операция по разбавлению ВОУ производится на Уральском электромеханическом комбинате (Екатеринбург-44) до требуемого США обогащения топлива в 4,4%. По утверждению других источников, аналогичные операции начали проводить на заводе в Томске-7. Его реконструкция была завершена в октябре 1996 г. Из одной тонны ВОУ получается 30 тонн низкообогащенного урана.

В 1995 году, 180 тонн низкообогащенного урана (6 тонн ВОУ) было направлено в США. Это количество соответствует около 200 демонтированным ядерным боеголовкам.

После продажи США 500 тонн ВОУ, Россия все еще будет обладать достаточным количеством этого материала, чтобы обеспечить в будущем все российские АЭС ядерным топливом. Поэтому в России нет острой необходимости продолжать следовать принципу закрытого топливного цикла и завершать строительство завода РТ-2 в Красноярске-26. Более того, наличие незагруженных мощностей по обогащению природного урана или регенерированного урана в России покрывает потребность в свежем топливе не только России, но также и других стран. Помимо США, потенциальным клиентом в приобретении этого материала может стать Япония.

Плутоний

Плутоний является высокотоксичным расщепляющимся материалом. Оружейный плутоний нарабатывался в специально для этого созданных промышленный реакторах, в то время как энергетический плутоний накапливается в качестве побочного продукта в отработанном ядерном топливе при эксплуатации ядерных установок.

К концу этого столетия, мировые запасы энергетического плутония составят 500 тонн. Энергетический плутоний может быть использован для создания атомных бомб. Их конструкция будет сложнее, мощность на порядок меньше, но поражающие факторы, характерные для ядерного оружия, остаются. Испытания подобных бомб в 1962 году в Неваде и в 1974 году в Индии, подтвердили теоретические расчеты возможности применения энергетического плутония для создания атомного оружия. Таким образом, энергетический плутоний также является предметом политики нераспространения.

Временные хранилища оружейного плутония

Оружейный плутоний может храниться в трех различных формах. Во-первых, в виде недемонтируемых таблеток (пит), которые представляют собой металлический плутоний, герметично запакованный в оболочку из тугоплавкого металла. Во- вторых, это может быть плутоний в металлической форме и, в третьих, в виде оксида.

В виде пит плутоний может храниться длительное время, хотя при этом не исключается коррозия таблеток и нарушение герметичности металлической оболочки. Хранение металлического плутония может привести к самовозгоранию. Хранение в виде оксида относительно безопасно, но требует дополнительных затрат по переводу металического плутония в оксид.

Первое время после демонтажа боеголовки плутоний в виде пит поступает в хранилище предприятия по производству и демонтажу боеголовок. По мере заполнения хранилища плутоний должен передаваться в специально оборудованное долгосрочное хранилище.

Подобное хранилище было предложено построить в Томске-7. Для этих целей правительство США выделило около 300 миллионов долларов США в рамках программы Нанна-Лугара, инициированной в 1992 году. Но проект не получил развития и был приостановлен на своей начальной стадии. Очевидно, решение США приостановить финансирование сооружения хранилища было принято после аварии на Сибирском химическом комбинате в Томске 6 апреля 1993 года. Несмотря на это, Минатом продолжает работы по сооружению в Томске-7 хранилища. Так, 24 тыс. контейнеров (по другим источникам 23 тыс.) с ядерными компонентами боеголовок были доставлены в Томск-7 в 1994 году. Условия хранения и состояние самих контейнеров не удовлетворяют требованиям безопасности. По неофициальной информации, несмотря на протесты местных властей, работы по строительству хранилища продолжаются, и современные контейнеры доставляются в Томск-7. Помимо этого, в Томске-7 до сих пор находятся в эксплуатации два промышленных реактора, которые были созданы для наработки оружейного плутония. Сегодня их работа обусловлена снабжением теплом прилегающего к комбинату г.Северска. Операции по выделению плутония из топлива этих реакторов не производятся.

В настоящее время, при финансовой поддержки в рамках программы Нанна- Лугара, проектируется и строится хранилище оружейных ядерных материалов в Челябинской области на ПО "Маяк". США выделяют на эти цели 150 миллионов долларов, что покрывает 50% расходов на проектирование и строительство. Остальная часть расходов будет покрыта Россией. На сегодня США уже выделили 138 миллионов долларов. В 1996 году на х/к "Маяк" были доставлены 4500 специальных контейнеров, предназначенных для хранения компонентов ядерного оружия. Всего ожидается получение 50 тыс. контейнеров к 1999 году. Строительство самого хранилища будет завершено к концу этого столетия, при условии стабильного финансирования со стороны России. В хранилище буду размещены расщепляющиеся материалы, извлеченные из 12500 ядерных боеголовок. Согласно заявлению Бориса Ельцина на встречи стран "большой семерки" в апреле месяце прошлого года в Москве, в хранилище на х/к "Маяк" будет размещено 40% запасов российского оружейного плутония. Хранилище предполагается поставить под контроль МАГАТЭ.

Еще одно подобное хранилище планируется построить на площадке Горнохимического комбината в Красноярске-26. Один из трех размещенных на комбинате промышленных реакторов, предназначенных для наработки оружейного плутония, продолжает работать. Эксплуатация реактора оправдывается тем фактом, что он снабжает теплом прилегающий к комбинату г.Железногорск. Предполагается, что реактор будет остановлен к 2000 году, при условии строительства замещающих источников энергии. Выделение плутония из топлива реактора не производится.

Обращение с плутонием

На сегодня в мире, в принципе, существуют две точки зрения на дальнейшее обращение с плутонием. В США большинство экспертов склоняются к захоронению плутония в остеклованом виде, смешанного с высокоактивными отходами, в глубоких геологических формациях. Россия, в лице Минатома, рассматривает плутоний в первую очередь как энергетический материал, который можно использовать в качестве топлива для АЭС. Что касается последнего варианта, то наиболее приемлемым считается смешанное уран-плутонивое топливо, так называемое MOX-топливо. Исследования в области использования чистого плутония в качестве топлива в реакторах на быстрых нейтронах, проводившиеся с 60-х г.г., оказались безуспешными и, очевидно, будут прекращены.

Использование плутония в реакторах на быстрых нейтронах

Министерство по атомной энергии России (Минатом) не заинтересовано в строительстве долговременных хранилищ плутония, предлагая хранение в форме, допускающей быстрое его использование в качестве топлива для АЭС. Таким образом, временные хранилища плутония располагаются на площадках, где в дальнейшем будут построены (или уже строятся) заводы по производству уран- плутониевого (МОX) топлива.

Первый завод, который строится в Челябинске-40 на ПО "Маяк", с проектной мощностью 1,3 тонны плутония, будет введен в эксплуатацию в 2000 году. Первые контракты на поставку MOX-топлива предполагается заключить уже в этом году. Проект осуществлялся совместно с Францией с 1993 года.

Новый завод по производству MOX-топлива будет пятым по счету на ПО "Маяк". Первые исследования по использованию плутония в качестве топлива в реакторах на быстрых нейтронах проводились в 60-70-х г.г., при этом было использовано около одной тонны плутония для создания экспериментальных топливных сборок для реакторов типа БН. На сегодня все четыре установки остановлены.

Второй завод по производству MOX-топлива предполагается построить в Красноярске-26, но проект находится в начальной стадии разработки.

MOX-топливо будет использоваться на строящейся Южно-Уральской АЭС (расположенной в Челябинске-40), которая будет состоять из трех энергоблоков с реакторами типа БН-800; на подземной АЭС с реакторами типа ВК-300 в Красноярске-26; и на Белоярской АЭС, где предполагается построить третий энергоблок с реактором БН-800 (два существующих энергоблока с реакторами БН- 800 этой станции были остановлены).

Экспериментальное использование плутония в качестве топлива было осуществлено в нескольких реакторах. В экспериментальном реакторе на быстрых нейтронах БР-10 в Физико-энергетическом институте прошли испытания двух активных зон из оксида плутония оружейного состава. В реакторе БОР-60 в Научно-исследовательском институте ядерных реакторов в Димитровграде были испытаны и исследованы большие партии ТВЭЛов из смешанного уран- плутониевого топлива, изготовленного по разным технологиям с плутонием различного изотопного состава. Этот реактор был пущен в 1969 году и в течении многих лет работает на смешанном оксидном топливе на основе энергетического плутония. В реакторе БН-350 на Шевченковской АЭС в Казахстане прошли реакторные испытания смешанного топлива, содержащего 350 килограмм оружейного плутония. Реактор был пущен в 1973 году. К настоящему времени в реакторах БН-350 АЭС в Казахстане и БН-600 Белоярской АЭС испытано около двух тысяч ТВЭЛов на основе плутониевого топлива.

Проект реактора БН-800 Южно-Уральской АЭС рассчитан на использование 2,3 тонн плутония для начальной загрузки и 1,6 тонн для ежегодной подпитки.

Использование плутония в реакторах ВВЭР

Кроме использования плутония в реакторах на быстрых нейтронах, в мире существуют технологии его использования в легководных реакторах (реакторах типа ВВЭР). Сторонники использования MOX-топлива в реакторах на быстрых нейтронах утверждают, что для смешанного топлива прийдется переделывать реакторы ВВЭР, к тому же Россия отстала от западных стран в области этой технологии. В свою очередь, эксперты, придерживающиеся варианта с реакторами ВВЭР, заявляют, что использование смешанного топлива в легководных реакторах при загрузке 1/3 активной зоны не требует конструкторских переделок реактора, в то время как технологическое отставание нетрудно преодолеть. К тому же получить лицензию на использование MOX-топлива в действующих легководных реакторах легче, чем на вновь построенный реактор на быстрых нейтронах.

В дальнейшем, при варианте использования MOX-топлива в реакторах ВВЭР, может ежегодно потребляться не менее одной тонны оружейного плутония. Эта величина может существенно возрасти при использовании MOX-топлива украинскими реакторами ВВЭР. Украине, которая претендует на свою долю в ядерных материалах после демонтажа ядерных боеголовок, когда-то развернутых на ее территории, будет предложена компенсация не в виде конвертируемой валюты, а в виде уран-плутониевого топлива. И, очевидно, Украина будет вынуждена пойти на это предложение.

Аргументы "за" и "против"

Принимая во внимание тот факт, что строительство завода по производству MOX- топлива обойдется в 3 миллиарда долларов США, а строительство АЭС с реактором на быстрых нейтронах выльется, примерно, в ту же сумму, программа по использованию уран-плутониевого топлива в реакторах на быстрых нейтронах становится очень дорогостоящей для воплощения. Использование топлива MOX в легководных реакторах также приведет к дополнительным затратам. Согласно имеющимся расчетам, стоимость MOX-топлива будет на 25-30% дороже обычного уранового топлива.

В 1993 году было заключено российско-американское соглашение по совместной разработке и строительству в России нового высокоэффективного типа реактора с плутонием в качестве топлива. Этот реактор может появиться только через 10 лет, а затраты на его создание оцениваются в 1,5 миллиарда долларов. По причине сильной критики проекта рядом американских исследовательских институтов, Конгресс приостановил его финансирование в 1995 году.

Одним из других предложенных вариантов обращения с плутонием – его уничтожение путем трансмутации: перевод долгоживущего радионуклида в короткоживущий. Это потребует мощных ускорителей частиц, над созданием которых работают США и Япония. Строительство и работа ускорителей ведет к огромным затратам, превышающим затраты на долговременное хранение плутония. Несмотря на это, США в 1992 году выделили на эти работы два миллиарда долларов.

Вариант захоронения плутония, смешанного и остеклованого с другими высокоактивными отходами, в глубоких геологических формациях также имеет свои "но". Трудностью при этом варианте является получение лицензии на подобное захоронение, принимая во внимание тот факт, что период полураспада этого материала составляет 24 тыс. лет.

Заключение

Демонтаж огромных ядерных арсеналов ведет в образованию двух опаснейших материалов – высокообогащенного урана и плутония. Дальнейшее обращение с ВОУ не представляет особой проблемы, поскольку этот материал может быть разбавлен с природным ураном и использоваться в качестве топлива для атомных станций.

Что касается плутония, то на сегодня существует несколько мнений по поводу дальнейшего обращения с этим материалом. К общему выводу эксперты еще не пришли. Во-первых, использование плутония в качестве топлива для АЭС (в реакторах на быстрых нейтронах или в легководных реакторах). Во-вторых, захоронение плутония в глубоких геологических формациях. В третьих, уничтожение плутония путем его трансмутации. В настоящее время, главной задачей является создание временных хранилищ, которые удовлетворяли бы как требованиям экологической безопасности, так и политики нераспространения.


Ссылки:
"Ядерный контроль", г.Москва, no. 24-25-26-27, 1997 г.
"Ядерная безопасность", г.Москва, no. 3, 1997 г.
"Независимое военное обозрение", г.Москва, no.27, 1997 г.
"Независимое военное обозрение", г.Москва, 31-05-97.

Игорь Кудрик