Замыкая круг — ты назад посмотришь вдруг (NUC30)

Описывая ядерную энергетику, всегда ловишь себя на простой мысли: «Ну вот тут, в принципе, можно вставить такое коротенькое научное пояснение...», а потом вдруг осознаешь, что фраза:

«...спектр захвата нейтронов у чётно-чётных ядер (например, ²³⁸U) существенно резонансный, характеризующийся массой узких и высоких пиков в окрестностях 1,6 МЭв, а вот спектр захвата нейтронов у ядра ²³⁹Pu и спектр деления ²³⁵U — наоборот, пологий, с существенным максимумом значений в тепловой области, что соответствует сечению деления ²³⁵U тепловыми нейтронами в 580 барн, а вот сечение захвата тех же тепловых нейтронов для ²³⁸U  составит всего 2,3 миллибарна...»

будет смотреться в популярной статье приблизительно так же, как фраза из Конфуция на китайском языке в меню хорошего китайского ресторана в Москве.

Вроде бы и к месту. Вроде бы и по делу. Но только никто не прочитает. А кто и попробует прочитать — всё равно мало что поймёт из этой «китайской грамоты».

Поэтому — постараемся быть попроще в объяснениях, хотя, конечно, кое-где весьма существенные детали нашего повествования останутся за кадром. Однако, при этом, большая часть умолчаний или неких упрощений, как я надеюсь, не очень повлияет на дальнейший рассказ о ЗЯТЦ.

А начнётся он у нас с мартовского утра 1959 года возле бельгийского городка Мол, которое и запечатлено на этом старом архивном фото:



Это фото стройки бельгийского экспериментального реактора BR-3, который был частью теперь уже многими забытой бельгийской ядерной программы.

Реактор BR-3 был по-своему уникален для истории атомной отрасли.
Кроме участия в нашем рассказе о ЗЯТЦ, он стал, в 1962 году, первым лёгководным реактором под давлением (PWR), который был запущен в строй за пределами США.
Надо сказать, что первый советский лёгководный реактор под давлением, «прадедушка» нынешнего ВВЭР-1200, был запущен в СССР только в 1964 году. Это был ВВЭР-210, первый реактор будущей Нововоронежской АЭС.
Ну а сегодня вшестеро более мощный ВВЭР-1200 начинает историю уже другой, российской станции — Нововоронежской АЭС-2.

Впервые в мире MOX-кассета была загружена в энергетический легководный реактор именно в Бельгии. Это произошло в 1963 году — на том же реакторе BR-3.
Именно Бельгия, как это ни странно, весь ХХ век была впереди всех в мире в вопросе переработки реакторного плутония в МОХ-топливо.
И вот тут нам надо в своём рассказе развеять ещё один досужий миф: о том, что плутоний, полученный в результате работы ЗЯТЦ можно, якобы, как-то использовать для производства «ядрёной бонбы».

Всё дело в том, что обыватель часто путает оружейный и реакторный плутоний.
И дело тут, как и всегда, в изотопах. А их у плутония, как и у урана, сразу несколько. Главные и самые долгоживущие среди них — три: ²³⁸Pu, ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu.
Разберём детально их физические свойства, попутно рассказав как их получают.
Самый лёгкий и одновременно самый зрелищный «вживую» — это, несомненно, изотоп ²³⁸Pu. Период полураспада этого монстра всего 86 лет, в силу чего брать его в руки категорически не советуют. Да и сделать это затруднительно — в силу его тёмно-вишнёвой наружной поверхности с температурой около 1000 °C.



Чистый, металлический плутоний просто не выдержит разогрева до таких высоких температур — в отличии от весьма тугоплавкого урана, плутоний плавится уже при температуре в 639 °C. Поэтому на фотографии вы видите топливную таблетку, изготовленную из тугоплавкого химического соединения — диоксида плутония.
При этом, надо понимать, что ²³⁸Pu разогревается до таких высоких температур отнюдь не за счёт цепной реакции деления — источником его нагрева служит банальный, но очень интенсивный альфа-распад ²³⁸Pu, который и обеспечивает удельное тепловыделение в 560 Ватт на килограмм изотопа.
Как говорится «Вот за это, Сеня, мы тебя и любим!».

Именно ²³⁸Pu прижился, как идеальный радиоизотопный термический источник для различных вариаций РИТЭГов — радиоизотопных термоэлектрических генераторов.
«238-й» служил на арктических маяках вдоль трассы СМП, много раз летал в космос, побывав на Марсе, Луне, слетав к кольцам Сатурна и к Титану, выйдя за пределы Солнечной системы вместе с  «Вояджерами» и находясь сейчас на подлёте к Плутону с зондом «Новый горизонты».
Везде, где человечеству нужен был компактный и мощный источник тепла и электроэнергии — безумно горящий своей живительной альфой «238-й» спешил на помощь.
Проблема с ²³⁸Pu состоит в ином: это очень сложный и капризный в получении изотоп. Не утомляя вас изречениями Конфуция о «множественных захватах нейтронов ядром изотопа ²³⁵U» скажу лишь, что на сегодняшний день количества полученного всем человечеством ²³⁸Pu исчисляются десятками килограмм, а стоит этот килограмм просто безумных денег — более миллиона долларов США.

Кстати, именно от доброй воли России сегодня, в общем-то, зависят и успехи тех же США и ЕС по исследованию дальнего, холодного космоса, поскольку именно Россия сегодня является крупнейшим производителем изотопа ²³⁸Pu. Почему — чуть ниже.

Два других изотопа — ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu ведут себя гораздо более спокойно, обладая уже длительными периодами полураспада в 24 360 и 6580 лет соответственно, и тоже идущего с излучением альфа-частиц.
Эти изотопы, при желании уже можно даже потрогать в защитных перчатках — удельное тепловыделение у них исчисляется всего лишь единицами ватт на килограмм изотопа, в силу чего слитки из них могут нагреться только до приятно-тёплой, комнатной температуры. Зачем нужны защитные перчатки и герметичная упаковка даже в этом случае — повторять не буду, уже писал.

Вот от соотношения этих изотопов в ОЯТ и зависит то, будет ли полученный из реактора плутоний оружейным (то бишь пригодным для производства ядерного оружия) — или же он будет реакторным, то есть обречённым вечно гореть в реакторном аду, снова и снова возвращаясь туда в виде МОХ-сборок.

Первые реакторы-наработчики плутония и в СССР, и в США были спроектированы именно так, чтобы максимизировать выход по изотопу ²³⁹Pu, но, в то же время, практически не нарабатывать ²⁴⁰Pu. Это связано с различием их по физическим свойствам и способам радиоактивного распада. Опять таки, не приводя тут полного текста высказывания Учителя Истины, скажу лишь вывод — военные даже в 1940-х годах дураками не были, свойства данные учли и получали именно нужный им изотоп — ²³⁹Pu, который и есть тот самый, жуткий и ужасный оружейный плутоний, который собираются сбросить нам на головы ядерные террористы.


Так получали плутоний. Реактор Б в американском Хэнфорде.

Если же мы посмотрим на тот плутоний, который нам выдаёт не специализированный, а обычный, энергетический реактор, не оптимизированный под производство ²³⁹Pu, то мы на выходе получим весьма пёструю смесь различных изотопов, включая и очень вредный для производства оружия ²⁴⁰Pu. Почему ²⁴⁰Pu вреден для производства оружия — вам, опять-таки, может рассказать Учитель Кун, я же вам скажу, что такой, состоящий уже из смеси изотопов ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu плутоний, уже носит название реакторного плутония и пригоден только для ЗЯТЦ, но никак — не для бомбы.

Именно такой, «грязный» плутоний и начал скапливаться во Франции и в других европейских странах в 1960-х - 1970-х годах, когда бельгийцы поняли, что их собственная ядерная программа, которую они начали реактором BR-3 внезапно оказалась без источников сырья.
Внезапность этого события была связана с другой страной, внезапно появившейся на карте Африке через год после момента, запечатлённого на фотографии постройки реактора BR-3, относящейся к весне 1959 года.
30 июня 1960 года бывшая колония Бельгии, так называемое Бельгийское Конго, с месторождений которого и был добыт первый в мире оружейный уран, использовавшийся для изготовления бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки, объявила независимость.
Урановые копи конголезской Катанги стали для Бельгии столь же недостижимы, как и гелий-3 в лунном реголите.

(Учитель Кун-цзы, да простит мне очень краткий рассказ о сути Манхэттенского проекта и участия в нём конголезских копей, я всё помню про то, из чего делали «Малыша», «Толстяка» и «Тринити». Да, там был и плутоний. Да, добыли природный и обогатили в оружейный. Да, не только из Конго.)

Но нас в истории, в общем-то, интересуют скорее бельгийцы. Оставшись «на бобах» со своей, только стартовавшей программой ядерной энергетики, бельгийцы, надо сказать, не растерялись.
И помогла им в этом стартовавшая практически везде в Европе и в мире массовая постройка легководных энергетических реакторов.
Суммарное содержание изотопов плутония в отработанном топливе легководного реактора составляет около 1%. При ежегодной выгрузке 24 тонн облученного ядерного топлива из одного блока ВВЭР-1000 получается, что реактор производит примерно 240 килограмм реакторного, непригодного для производства оружия, плутония в год.

Поэтому, внимательный читатель, помня, что на сегодняшний день в мире пыхтит, за вычетом последних закрытий в Японии, Германии, Литве и США, более 400 реакторов, может легко посчитать, что ежегодно,, только на энергетических реакторах весь мир производит около 100 тонн реакторного плутония.

Много это — или мало?
Мировая добыча урана в 2012 году составила, по сумме изотопов, около 55,7 тысяч тонн. Однако, по понятным, чисто природным причинам, доля природного, «лёгкого» урана изотопа ²³⁵U в этом уране составила всего 0,72% — или же всего около 400 тонн. Если добавить к этому количеству 50 ежегодных тонн российского оружейного урана по уже завершившейся программе ВОУ-НОУ, то мы получим, что весь мир использовал в 2012 году приблизительно (да простит меня учитель Кун Цю) около 450 тонн урана ²³⁵U.
Попутно наработав минимум 100 тонн изотопов ²⁴⁰Pu и ²³⁹Pu.

Однако, в принципе, учитывая глубину выгорания ²³⁵U в сборках и реакторов на природном уране, и реакторов на обогащённом уране на уровне не более 50%, мы приходим к простому факту: в рамках сегодняшнего мира плутоний уже с нами — на ежегодные 225 тонн реально сгоревшего в топках реакторов урана — за этот же год мы уже, сегодня, ежегодно и абсолютно бесплатно получаем дополнительно 100 тонн реакторного плутония.
Каждый год.
А это согласитесь, уже радикально меняет дело!

Именно о таком «окне возможностей» и задумалась Бельгия в 1960-х годах.
Если часть уранового топлива в реакторе на тепловых нейтронах заменить на MOX-топливо, то, экспериментируя с размещением ТВС даже в рамках лёгководного реактора, в принципе можно значительно уменьшить загрузку по изотопу ²³⁵U, и, в перспективе, добиться даже примерно равного количества плутония и урана в свежем топливе и продолжать нарабатывать плутоний во время кампании, сжигая только эти, уменьшенные количества изотопа урана ²³⁵U.

Всего, с 1960-х годов, построенный в бельгийском Десселе завод по производству MOX-топлива переработал около 670 тонн ОЯТ, поставленных в основном с лёгководных реакторов Франции. Плутоний, выделенный при переработке первой партии ОЯТ, которая составла 140 тонн, был использован, согласно отчётам МАГАТЭ «должным образом», уйдя, в основном, на экспериментальные сборки, загруженные в бельгийский реактор BR-3 и ряд других опытных реакторов.

Плутоний же, выделенный из оставшихся 530 тонн ОЯТ (что составило около 4,8 тонн плутония), был загружен в тепловые реакторы в виде MOX-топлива. Изготовлением кассет из смешанного оксида занимался завод компании "Belgonucleaire" в Десселе. Последняя сборка, сделанная из этой партии плутония, была загружена в активную зону блока бельгийской АЭС "Доэль" (Doel) с реактором PWR мощностью в 1000 МВт в 2006 году.

Заключения новых контрактов на переработку французского ОЯТ в Бельгии пока не предполагается, и поэтому дальнейшая фабрикация MOX-кассет для бельгийских АЭС производиться не будет. Бельгия, имеющая на сегодняшний день около 55% производства электроэнергии в АЭС, всё-таки приплыла к пустынному берегу безурановой Европы от урановых копей Катанги, от которой бельгийскую лодку оттолкнули ещё в 1960-м году.

Завод в Десселе исполнял также заказы для других государств — Германии, Франции, Швейцарии и Японии. Однако вследствие падения объёмов переработки ОЯТ, в первую очередь, в государствах Евросоюза, а также отказа Франции продолжать переработку французского ОЯТ в Бельгии, его возможности по выпуску MOX-топлива снизились, и в июле 2006 года бельгийский завод по МОХ-топливу, работавший более полувека, был окончательно закрыт. Перед закрытием завод выработал по максимуму имевшийся у него оперативный запас плутония.

В то же время, принадлежащий французской группе Areva завод FBFC в Десселе продолжает свою работу. В его цехах осуществляется сборка кассет из топливных элементов, которые продолжают поставляться на АЭС Франции, Швейцарии, Германии и той же Бельгии.

Ведь, как мы понмим, «кто сдаёт продукт вторичный, тот питается отлично».
Вторичный продукт ядерного цикла — это плутоний. Но, до того, как он попадёт в таблетку МОХ-топлива, он проходит такой этап, который до сих пор заставляет с опаской смотреть на всю концепцию ЗЯТЦ и удерживает даже меня от неуёмного оптимизма в деле полного замыкания цикла.

Речь, как поняли уже адепты учителя Кунь-Фу Дзы, именно о нём.
О пьюрекс-процессе, который пока и превращает адский коктейль ОЯТ — в уран, плутоний и ещё кучу других изотопов, пригодныхдля чего-то путного. Кого — в РИТЭГ, а кого — в MOX-топливо.

И которым сегодня реально владеют только Россия и Франция.
Поэтому, когда я говорю о конкурентах России в атомном проекте, я говорю в основном только о Франции. У всех остальных участников гонки чего-то и где-то да и не хватает. То нет урана, то нет центрифуг. То нет реакторов, то нет МОХ-топлива. То нет бридеров, то нет процессинга ОЯТ — того самого, пресловутого PUREX-процесса.

Развалины пьюрекс-завода «Plant T» в американском Хэнфорде.

И дело даже не в том: плох пьюрекс процесс или нет. Он однозначно плох — руины американского завода в Хэнфорде светят радиоактивностью и до сих пор, а уральский радиоактивный след от комбината «Маяк» в Озерске останется на карте России ещё очень долго.
Проблема в том, что пока ничего более приятного человечество не придумало.
Хотя идей, в общем-то, уже достаточно.

Вот о них мы и поговорим дальше.