Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Методические указания к курсу "Ядерная физика и элементарные частицы" для студентов физического факультета. Часть 2. Ядерный топливный цикл

Голосов: 0

В пособии приведены методические указания к курсу "Ядерная физика и элементарные частицы" для студентов физического факультета. Во второй части рассматривается ядерный топливный цикл. Пособие напечатано по решению учебно-методической комиссии физического факультета РГУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                            21
захоронения отходы не должны подвергаться каким-либо дополнительным процедурам.
Хотя конечное размещение высокоактивных отходов не будет производится еще в течение
нескольких ближайших лет, но все приготовления уже сделаны с учетом природных
условий хранения и количества таких отходов.
      Комитет по управлению радиоактивными отходами при Агентстве по ядерной
энергии Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) указал
принципы геологического размещения радиоактивных отходов исходя из экологических и
этических перспектив. При этом особенно подчеркивались интересы последующих
поколений. В 1995 году Комитет установил "что геологическая стратегия размещения
отходов должна разрабатываться и осуществляться с учетом фундаментальных
этических и экологических аспектов", и состоит в том, чтобы:

Рисунок 7. Радиоактивность высокоактивных отходов, выделенных из одной тонны
  ядерного топлива для PWR реактора (приведено сравнение с активностью того
         количества руды, из которого эта тонна топлива была получена)




… "сбалансировано учитывая экологические и этические принципы, продолжать
разработку геологических хранилищ для долгоживущих радиоактивных отходов,
которые должны быть изолирована от биосферы в течение более нескольких сот
лет", и … постепенная " реализация схем геологического размещения отходов давала
возможность их адаптации, в свете научного прогресса и развития социальной
терпимости, в течение нескольких десятилетий, и не исключала бы возможности
применения иных технологий, которые могли бы появиться на более поздних
стадиях".


                                         22
       Конечное размещение высокоактивных отходов должно осуществляться с очень
высокими гарантиями безопасности. Вопрос в том, насколько мы можем быть уверены в
долговременной безопасности, до того как это не предпринято в больших масштабах?
Очевидно, что высокий уровень доверия может быть достигнут на основе продолжения
тщательных научных и проектных исследований, которые осуществляются в настоящее
время. Решаемые задачи при этом не являются ни очень большими, ни исключительно
сложными.
       Во-первых, выделенные радиоактивные отходы (или отработанное ядерное
топливо) находятся в устойчивой и нерастворимой форме. Во-вторых, они
помещаются в массивные сосуды, изготовленные из нержавеющей стали, или
коррозионно-стойкие резервуары (например, стальные или медные). В-третьих, они
геологически изолируются.
       Степень опасности иллюстрируется на Рисунке 7 (подобная картина имеет место и
для отработанного ядерного топлива). Из приведенных данных можно сделать два важных
вывода. Первый состоит в том, что степень радиационной опасности уменьшается в
тысячу раз за период времени от 10 до 1000 лет, с относительно небольшим последующим
изменением. Это связано с тем, что почти все короткоживущие продукты деления
распадаются за это время до незначительных концентраций.
       Их концентрация становится меньше малых количеств очень тяжелых
"трансурановых" элементов типа америция и нептуния, которые имеют намного большие
периоды полураспада. Хотя промежуток времени в тысячу лет достаточно велик с точки
зрения человеческой жизни, тем не менее, размещение таких материалов должно
осуществляться в устойчивых геологических формированиях, где геологическое время
становится более значимым фактором. Даже время, необходимое для распада плутония,
мало по сравнению с геологическими масштабами времени.
       Второй важный вывод, который следует из Рисунка 7, состоит в том, что
относительная радиоактивность отходов по прошествию 1000 лет является почти такой
же, как и активность соответствующего количества урановой руды. При этом, токсичные
компоненты урановой руды, выходя на поверхность земли, попадают в человеческий
организм через пищевые цепочки. Остеклованные же отходы, которые хранятся глубоко
под землей (до километра ниже уровня моря), в устойчивых геологических образованиях,
не имеют никакого мыслимого шанса попасть в организм человека. Это, однако, не
означает, что поверхностные залежи урана опасны, поскольку количества, которые
попадают в наш организм, очень малы.
       Большинство стран, имеющих собственные ядерные программы, осуществляют
активную работу, нацеленную на поиск и исследование соответствующих мест для
размещения отходов. Цель этой работы состоит в том, чтобы найти такие места
размещения, которые имели бы множество барьеров до среды обитания человека.
Некоторые из барьеров, как естественные, так и искусственные, состоят в следующем:

   •   Нерастворимая форма отходов (стекло, "синрок").
   •   Герметичное хранение в коррозионно-стойких емкостях.
   •   Бетонирование отходов для исключения воздействия на них грунтовых вод и
       возможных разрушений при подвижках земной коры.
   •   Размещение глубоко под землей (на глубине более 500 метров) в стабильных
       геологических структурах.

       Для возможного размещения отходов широко изучаются два типа геологических


                                                23
пород - твердые кристаллические скальные породы и залежи каменной соли. Такие места
имеются в нескольких странах, и в настоящее время осуществляется их детальная оценка.
Большинство подходов предполагают использование обычной горнодобывающей техники
для строительства соответствующих подземных шахт. Они должны иметь достаточно
площади для размещения резервуаров в отделенных друг от друга полостях на различных
уровнях или каким-либо иным способом. Задачи, которые решаются для выполнения
такой работы, по существу технические. Существующая техника в горнодобывающей
промышленности, методы инженерного проектирования вместе с контролем
температурных режимов и напряжений грунта, обеспечивают выполнение подобных
работ с очень высоким качеством, обеспечивающим требуемый уровень безопасности.
Кроме того, инженерные и организационные задачи обеспечения эффективной изоляции
опасных материалов не являются новыми.
       Вопрос геологической стабильности земных пород очень важен для обеспечения
долгосрочной целостности хранилища отходов. На земном шаре имеется множество
геологических структур, которые устойчивы уже на протяжении более 4,5 миллиардов
лет, и вероятность существенных смещений пород в течение периода хранения (а это
более тысячи лет) в таких местах близка к нулю.
       Хотя и предполагается, что глубокое геологическое размещение отходов атомной
промышленности будет постоянным, тем не менее, при возникновении необходимости их
восстановления и использования будущими поколениями нет принципиальных проблем
для того, чтобы сделать это возможным.
       Уместно сравнить токсичность отходов атомной промышленности с ядовитыми
отходами и газами, возникающими на современных индустриальных предприятиях
каждый день. Мышьяк, например, обычно распределяется в окружающей среде в составе
гербицидов и в обработанной древесине. В отличие от отходов атомной промышленности
он имеет бесконечный срок токсичности. Далее, барий и хлор, который достаточно
широко используется. Учитывая их реальные количества, можно утверждать, что они
представляют гораздо большую опасность, чем отходы атомной промышленности.
       Хотя сегодня каждая страна ответственна за хранение и переработку своих
собственных отходов всех видов, тем не менее, рассматривается возможность создания
международного хранилища отходов атомной промышленности. В заключении можно с
очевидностью отметить, что безопасное хранение радиоактивных отходов - это
существующая норма, что технологии хранения хорошо разработаны, что затраты
приемлемы и что полномасштабная демонстрация этого вскоре будет возможна в
нескольких странах.

Природный аналог ядерного реактора в Окло

       Хотя высокоактивные отходы современной ядерной энергетики еще не хранились
настолько долго, чтобы наблюдать результаты такого хранения, этот процесс фактически
уже происходил в естественных условиях, по крайней мере, в одном месте на земном
шаре. В местечке Окло в Габоне (на западе Африки), около двух миллиардов лет назад, по
крайней мере, 17 естественных ядерных реакторов начали работать в богатой залежами
урановой руды местности. Каждый из них имел, приблизительно, по 20 кВт тепловой
мощности. В то время концентрация U-235 в естественном уране составляла, примерно,
3.7 % (вместо 0.7 % сегодня)*.

*U-235 распадается намного быстрее чем U-238, период полураспада которого, примерно, такой же, как и
возраст нашей планеты.


                                         24

       Естественные цепные реакции, которые начались спонтанно благодаря
присутствию воды, действующей как замедлитель, продолжались, приблизительно, два
миллиона лет пока, наконец, не затухли. В течение этого времени в руде образовалось,
приблизительно, 5.4 тонн продуктов деления, а также 1.5 тонны плутония вместе с
другими трансурановыми элементами.
       Радиоактивные продукты деления давно распались и превратились в стабильные
элементы, а детальное изучение их количества и локализации показало, что имелось
небольшое перемещение радиоактивных отходов, как в процессе, так и после
прекращения ядерных реакций. Плутоний же и другие трансурановые элементы остались
неподвижны. Это примечательно ввиду того, что грунтовые воды имели полный доступ к
продуктам деления, а сами они не находились в химически инертной форме (т.е., говоря
современным языком, не были остеклованы). Таким образом, продукты деления не
перемещаются свободно в земной поверхности, даже в присутствии воды, из-за их
адсорбции в глиняных породах.
       Таким образом, единственное известное "испытание" подземного хранилища
отходов атомной промышленности в Окло оказалось успешным, несмотря на
неблагоприятные характеристики этого места. Хотя глинистые почвы и играют важную
роль в удержании отходов, такое затопленное, с песчаной структурой грунта место, даже
не рассматривалось бы для размещения на нем современного хранилища каких-либо
токсичных и, тем более, ядерных отходов.
       Однако, пример Окло побудил ученых более детально изучать поведение двуокиси
урана в грунтовых водах вместе с другими химическими элементами, присутствующими в
руде (которые не подвергаются расщеплению). Эти исследования помогут в оценке
длительной безопасности хранилищ для высокоактивных отходов.

Ядерные материалы

       Наибольшее беспокойство с точки зрения увеличения запасов ядерного оружия
возникает при непосредственном анализе материалов, с которыми обращаются
предприятия ядерного топливного цикла. Это может быть, например, плутоний,
содержащийся в отработанном ядерном топливе, которое каждый год заменяется на
свежее в ядерных реакторах. Заметим, что для создания атомной бомбы достаточно лишь
нескольких килограммов плутония. Более того, практически в каждом государстве
имеется достаточное количество природных запасов урана для создания ядерного оружия.
       Плутоний - это вещество с многообразными свойствами, зависящими от источника
его происхождения. Он существует в виде различных изотопов, таких как Pu-238, Pu-239,
Pu-240, и Pu-241. Только изотопы Pu-239 и Pu-241 могут подвергаться реакции ядерного
расщепления в реакторах. Плутоний -239 сам по себе является превосходным ядерным
топливом и используется для создания ядерного оружия, поскольку имеет достаточно
малую критическую массу и низкий коэффициент самопроизвольного распада. Поэтому
плутоний -239 часто называют "оружейным плутонием". Он использовался в бомбе,
сброшенной на город Нагасаки в 1945 году, и применяется в современном ядерном
оружии.
       Пригодный для использования в реакторах плутоний производится практически на
всех ядерных реакторах и содержится в отработанном ядерном топливе, из которого он
может быть выделен после специальной обработки. Этот плутоний не является в чистом
виде оружейным. Он содержит до 40 % более тяжелых изотопов плутония (обычно это Pu-


                                                   25
240), которые накапливаются в топливных элементах в течение длительного времени (см.
Рисунок 8).

    Рисунок 8. Накопление Pu-239 и Pu-240 в топливных элементах легко-водного
                             реактора в течение 3 лет




      Данное обстоятельство практически не влияет на повторное использование
плутония в смешанном оксидном топливе для реакторов (MOX- топливо), но серьезно
ограничивает его пригодность для создания ядерного оружия. Вследствие
самопроизвольного распада Pu-240, только очень малое содержание этого материала
может быть доступно для создания оружия. Конструкция ядерных устройств военного
назначения, основанных использовании плутония, пригодного для использования в
обычных реакторах, была бы ненадежна, трудна в изготовлении, и пока на практике не
реализована. Однако, концепция международной ядерной безопасности предполагает, что
оба вида плутония могут использоваться для создания оружия. Это является основанием
для всеобщего запрета переработки и разделения любого плутония из отработанного
ядерного топлива.

Плутоний

        Образование: U-238 + нейтрон = > U-239 = > Np-239 = > Pu-239
( Бета-распады U-239 и Np-239: период полураспада 23.5 минута и 2.35 дней, соответственно)
Pu-239 + нейтрон = > Pu-240
Pu-240 + нейтрон = > Pu-241
      В среднем, одно из четырех поглощений нейтрона ядром Pu-239 приводит к
образованию Pu-240. Изотопы Pu-241 и Pu-242 формируются при последующих процессах
поглощения нейтронов в ядерном топливе. Изотоп Pu-239, содержащийся в облученном
топливе в ядерном реакторе, выгорает также быстро, как и накапливается, а Pu-240
накапливается устойчиво. Очень малое количество Pu-238 формируются при поглощении
нейтронов ядрами U-235.
      Количество: Обычный реактор мощностью 1000 МВт производит приблизительно
250 кг плутония (в основном Pu-239) каждый год. Эти продукты содержатся в


                                                26
высокоактивном отработанном ядерном топливе если оно повторно не обработано.
Количество Pu-240 увеличивается с течением времени, пока тепловыделяющие элементы
остаются в реакторе (см. Рисунок 8). Pu-240 не расщепляется в реакторе на тепловых
нейтронах, но может стать расщепляющимся Pu-241 при дальнейшем поглощении
нейтронов. (Pu-240 расщепляется в реакторах на быстрых нейтронах).
       Радиоактивность: При распаде Pu-239 испускает альфа-частицы, и превращается
в U-235. Период полураспада Pu-239 24390 лет, поэтому он имеет довольно низкий
уровень радиоактивности. Pu-240 испускает при распаде альфа-частицы, и превращается в
U-236 (другой неделящийся изотоп урана). Его период полураспада - 6600 лет, поэтому он
имеет более высокий уровень радиоактивности, чем Pu-239. Изотоп U-236 также
испускает нейтроны при спонтанном распаде и превращается в Pu-238 с периодом
полураспада 86 лет. Для обеспечения защиты от альфа-радиоактивности производится
герметизация плутония от внешних контактов в специальных контейнерах.
       Использование: Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде Pu-238 (0.56
Вт/г), позволяет использовать его как источник энергии в термо-электрических
генераторах для кардиостимуляторов, космических спутников, навигационных маяков, и
т.д. Энергия таких плутониевых источников дала, например, возможность космическому
спутнику "Вояджер" посылать на Землю в течение длительного времени изображения
планет. Pu-240 также может использоваться для решения подобных задач. В мирных
целях изотоп Pu-239 используется в качестве топлива для ядерных реакторов. Изотоп Pu-
241 (период полураспада 13 лет) после бета-распада превращается в Америций-241,
который используется в качестве наполнителя в большинстве детекторов задымления.

     Тип              Состав              Происхождение                     Использование
Пригодный       55-60% Pu-239,      Содержится в количестве,      Как составная часть (5-7%)
для             более 19% Pu-240,   примерно, 1% в составе        смешанного оксидного топлива
использования   примерно 30%        отработанного ядерного        (MOX-топливо) для обычных
в реакторах     нерасщепляющихс     топлива в обычных             реакторов. Как топливо для
                я изотопов          гражданских реакторах         реакторов на быстрых нейтронах.
Оружейный       Pu-239 с            Производится на специальных   Для создания ядерного оружия.
                содержанием         реакторах военного            Может перерабатываться в топливо
                менее 7% Pu-240     назначения.                   для реакторов на быстрых
                                                                  нейтронах или в MOX-топливо

       Следует отметить, что ядерный реактор, который использует смешанное MOX-
топливо, не является производителем плутония, а тот, который и появляется в топливе,
еще менее пригоден для производства оружия, чем находящийся в свежем MOX-топливе.
       Коммерческий плутоний поэтому менее пригоден для военных целей, чем
плутоний, произведенный на специальных реакторах, разработанных для производства
Pu-239. Тем не менее, появление новых лазерных технологий обогащения делает
возможным обогащение коммерческого плутония до уровня оружейного. Следовательно,
меры международной ядерной безопасности должны быть направлены и на контроль за
увеличением количества пригодного только для гражданских реакторов плутония.
(Обычные методы обогащения не могут использоваться для разделения изотопов Pu-239
от Pu-240, так как массы атомов практически равны).
       Топливный цикл в реакторах бридерах, основанный на использовании плутония,
имеет некоторые особенности, которые могут способствовать его использованию в
решении проблемы нераспространения ядерного оружия. С другой стороны, топливный
цикл в обычных реакторах на тепловых нейтронах дает более высокий выход плутония.
Это означает, что в обозримом будущем реакторы на быстрых нейтронах могли бы


                                              27
использоваться как "установки для сжигания отходов", понижающих общее количество
плутония, образующегося в отработанном ядерном топливе.
       Существуют и другие ядерные материалы, которые могут использоваться для
создания оружия, это - изотопы урана. Наиболее известный из них - это уран-235,
материал, из которого была изготовлена бомба, сброшенная на город Хиросиму в 1945
году. Этот материал может производиться путем обогащения естественного уран на
обогатительных заводах, но не до 3 - 4 %, как это требуется для топлива легко-водных
реакторов, а до 93 % и выше по содержанию U-235.
       Другой изотоп урана, пригодный для производства ядерного оружия, это - U-233.
Этот материал накапливается в ядерном топливе при поглощении нейтронов торием -232,
аналогично образованию Pu-239 из U-238. Однако, использование ториевых реакторов не
продвинулось дальше экспериментальных исследований, а U-233 пока не рассматривается
в контексте расширения ядерных вооружений.
       Хотя все вышеупомянутые материалы и могут использоваться для производства
взрывчатых веществ, они, тем не менее, не являются широко доступными для
практического использования, а международные усилия делают их еще менее
доступными.

Использование оружейного урана и плутония для производства электроэнергии

      По иронии судьбы международные усилия, направленные на ядерное разоружение,
привели к некоторым серьезным проблемам безопасности в мире. Демонтаж ядерных
боеголовок, в соответствии с соглашением о разоружении между США и Россией, привел
к накоплению ядерных оружейных материалов (плутония и высокообогащенного урана).
После распада Советского Союза возникли опасения возможного расхищения,
контрабанды или незаконной торговли такими материалами, в результате чего они могли
бы попасть в руки террористов или государств, уклоняющихся от выполнения режима
нераспространения ядерного оружия. Ненадежный контроль оборота ядерных материалов
внутри некоторых государств, размер их ядерных программ, и несоответствующая
международным стандартам защита ядерных объектов - вот некоторые обстоятельства,
которые могут способствовать попаданию ядерных технологий и материалов в
преступные руки.
      Совместные усилия многих государств в начале 1990-ых годов способствовали
значительному усилению физической защиты таких материалов. Требования локализации
и изоляции ядерных оружейных материалов (особенно плутония), которые более не
требуется для военных целей, стали приоритетными для международного сообщества.
МАГАТЭ использует и политические методы в контроле над использованием запасов
оружейного плутония. Большие усилия предпринимаются в предохранении его от
хищений, диверсий и в определении наиболее подходящих мест для его размещения *.

* Количество производимого пригодного для реакторов плутония из отработанного топлива в обычных
гражданских реакторах, а это почти 100 тонн в год, значительно превышает количество оружейного
плутония.

      Перспектива использования оружейного плутония (содержащего более 93% Pu-
239) в смешанном оксидном топливе (MOX) для гражданских реакторов привлекает
сегодня всеобщее внимание. Было бы вполне разумно производить MOX-топливо с
использованием смеси оружейного и пригодного для гражданских реакторов плутония.
Это был бы, пожалуй, единственный способ его эффективной утилизации, который


                                          28
постоянно бы удалял оружейный плутоний из оборота. В настоящее время прилагаются
большие усилия по разработке такого "плутониевого цикла", а так называемый "Саммит
восьмерки", в который входят страны Большой семерки и Россия, постоянно проводят
консультации по этому вопросу.
      После трех десятилетий озабоченности возможностью использования в сфере
вооружений урана, предназначенного для коммерческой ядерной энергетики, мы
теперь становимся свидетелями того, как оружейный уран направляется на сугубо
мирные цели для производства электроэнергии.


Список рекомендуемой литературы

1. Uranium 1999: Resources, Production and Demand. ("Red Book"), Joint report by the
    OECD Nuclear Energy Agency and the International Atomic Energy Agency. Paris 2000,
    ISBN 92-64-17198-3
2. Nuclear Power, Nuclear Fuel Cycle and Waste Management: status and trends. Part C of
    IAEA Yearbook; International Atomic Energy Agency, Vienna 1994, ISBN 92-0-102494-0
3. Radioactive Waste Management in Perspective. OECD Nuclear Energy Agency, Paris
    1996, ISBN 92-64 14692-X
4. The Future of Nuclear Power. Geoffrey Greenhalgh Graham and Trotman, London 1988,
    ISBN 0-86010-987-9
5. Бейлин В.А., Боровик А.С., Малышевский В.С., Янчевский С.Н. Ростовская
    атомная. Несекретные материалы. Ростов-на-Дону, Ростиздат.- 2001, 110 стр.
6. Бейлин В.А., Боровик А.С., Малышевский В.С. Радиация, жизнь, разум. Ростов-на-
    Дону, Ростиздат.- 2001, 112 стр.
7. Преображенская Л.Б., Зарубин В.А., Никандорова А.В. Популярно о ядерной
    энергетике. Москва. ИздатАТ - 1993, 48 стр.
8. Международные оценки последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Отчет
    Научного комитета по действию атомной радиации ООН - 2000. Специальное
    приложение к журналу "Медицинская радиология и радиационная безопасность" -
    2001,29 стр
9. Яворовский З. Реалистическая оценка воздействия аварии на Чернобыльской АЭС на
    здоровье людей. Атомная энергия, том 86, вып. 2, 1999, стр. 140-150.
10. Головченко П.К., Жарков А.В., Кормушкин Ю.П., Мустафинов Э.Н., Поваров
    В.П., Терещенко А.Б. Оценка воздействия Ростовской АЭС на окружающую среду.
    Основные положения. Ростов-на-Дону, 1992, 88 стр.
11. Внуков В.С., Рязанов Б.Г. Проблемы и опыт обеспечения ядерной безопасности при
    хранении отработавшего топлива АЭС. Атомная энергия, том 91, вып. 4,2001, стр. 263-
    272
12. Атомная отрасль России. События. Взгляд в будущее. М., Издат., 1998, 336 стр.
13. Петросянц А.М. Ядерная энергетика. М. Наука, 1981, 187 стр.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика