Куда девать плутоний?

Если химическим элементам приписывать человеческие черты, то плутоний можно считать одним из самых воинственных, поскольку в течение более чем полувека это искусственное вещество производили почти исключительно для начинки ядерных бомб.
Об оружейном плутонии еще двенадцать–пятнадцать лет назад говорить громко было не принято. Однако положение в мире серьезно изменилось, в открытой печати для специалистов появилось много новых материалов – и об истории плутония, и о связанных с плутонием сегодняшних проблемах.
Об этих проблемах говорится в помещенной ниже статье. Основные сведения о химии плутония можно найти в «Химической энциклопедии» (т. 3, 1992 г.), в статье они не повторяются.

Промышленный плутоний подразделяется на два типа: оружейный и реакторный (энергетический, «гражданский»). В оружии из 15 изотопов плутония можно применять только один – плутоний-239. Оружейный плутоний должен содержать не более 6–7% примеси плутония-240, который склонен к самопроизвольному делению и усложняет изготовление боевых зарядов. Оружейный плутоний производят в специальных (промышленных) ядерных реакторах, работающих на уране с природным соотношением изотопов, поскольку образуется он при поглощении нейтронов ядрами урана-238.
Реакторный плутоний образуется в энергетических ядерных установках, работающих на обогащенном по урану-235 топливе. Обычная степень обогащения от 2 до 5%, поэтому и здесь основной компонент уран-238. Степень выгорания урана в энергетических реакторах сравнительно невелика, и его необходимо регенерировать. Например, в отработавшем топливе реактора ВВЭР-1000 (водо-водяной энергетический реактор-1000) содержится 0,8–1,0% урана-235, 0,95–1,20% плутония, 3–4% продуктов деления и 94–95% урана-238. Только недобросовестные политики могут называть этот продукт отходом.
При регенерации урана из отработавших тепловыделяющих элементов (твэлов) выделяют и плутоний. Однако плутоний образуется по нескольким ядерным реакциям, в результате которых продукт содержит до 27% изотопа плутоний-240 и не годится для создания эффективных ядерных зарядов.
В нашей стране история оружейного плутония началась в декабре 1946 г., когда в Москве на территории Лаборатории № 2 (ныне ГНЦ «Курчатовский институт») в Покровском-Стрешневе заработал созданный под руководством И.В.Курчатова небольшой ядерный реактор Ф-1. Химическую переработку облученных в реакторе урановых блоков – стержней длиной 100 мм и диаметром 32 или 35 мм в алюминиевой оболочке – сначала опробовали на установке У-5 в расположенном рядом НИИ-9 (ныне ФГУП НИИ неорганических материалов им. А.А.Бочвара).
Затем недалеко от г. Кыштым близ Челябинска был пущен Комбинат № 817 (ныне ПО «Маяк»), в состав которого вошли три основных завода: «А» – ядерный реактор, «Б» – радиохимический завод и «В» – металлургический завод. Первый промышленный ядерный реактор начал работать на полную мощность 22 июня 1948 г., растворение облученных блоков на заводе «Б» началось 22 декабря того же года, а первый слиток металлического плутония – массой всего 8,7 г – был получен восстановлением хлорида плутония на заводе «В» 14 апреля 1949 г. Видимо, именно этот слиток был показан И.В.Сталину.
Компактный металлический плутоний из-за радиоактивного распада при массе 50 г имеет температуру, на 5–10 °С превышающую температуру окружающей среды. Журналист В.С.Губарев описал такой эпизод: «Курчатов в начале 1949 г. привез Сталину небольшой, десяти миллиметров в диаметре блестящий плутониевый шарик. Сталин осторожно коснулся его ладонью:
– Да, теплый. И всегда теплый?
– Всегда, Иосиф Виссарионович».
Плутоний для изготовления специзделия РДС-1 – так зашифровали атомную бомбу («Россия делает сама») – представлял собой две полусферы общей массой более 6 кг, покрытые тонкой никелевой пленкой. В середине 1949 г. их отправили в Арзамас-16 (КБ-11, ныне ВНИИ экспериментальной физики), а затем на Семипалатинский полигон. Лишь на полигоне провели окончательную сборку бомбы: в ее центральную часть вмонтировали полоний-бериллиевый источник нейтронов. Первый испытательный взрыв был успешно осуществлен 29 августа 1949 г.
Сущность химической переработки облученных урановых блоков заключалась в их растворении, отделении урана и плутония от основной массы радиоактивных продуктов деления («осколков»), разделении урана и плутония и выделении их соединений в чистом виде. Содержание плутония в облученных блоках составляло всего 100–200 г на тонну урана. Блоки были сильно радиоактивными и содержали большое количество гамма-излучателей (внутренняя поверхность некоторых аппаратов на радиохимическом заводе впитывала столько радиоактивных веществ, что испускала слабое, но заметное в темноте свечение). Однако в основном блоки состояли из урана.
Растворение блоков вели в азотной кислоте. Процесс неприятен тем, что протекает с выделением бурых паров ядовитых оксидов азота. Одновременно освобождаются и переходят в газовую фазу радиоактивные изотопы йода, криптона и ксенона. Для уменьшения объема растворов сначала в слабой кислоте растворяли алюминий, а затем повышали концентрацию и переводили в раствор уран. Из нитратных растворов плутоний извлекали осадительными методами. Поскольку концентрация плутония в первичном растворе была очень низкой, его соосаждали с уранилацетатом и трифторидом лантана, вновь растворяли осадки и постепенно повышали концентрацию в растворах. При этом вводили окислители или восстановители и переводили плутоний то в одно, то в другое состояние окисления. На конечной стадии действием пероксида водорода осаждали пероксид плутония(IV). Уран выделяли в виде уранилацетата натрия, который вновь направляли на производство металла.
Эта примитивная, по сегодняшним понятиям, технология давно заменена значительно более совершенной и безопасной. Но тогда она была лучшей, ее создавали и отрабатывали в заводских условиях самые известные химики страны.

Ядерный взрыв вследствие быстрой цепной реакции деления ядер 235U или 239Pu

Основную работу на заводе, полностью изолированном от остальной части Челябинской области, выполняли девушки. Только что закончилась Великая Отечественная война, выпуски училищ, техникумов и вузов были в основном женскими, и именно на долю представительниц первых послевоенных выпусков выпала эта работа. Условия были нелегкими: технология несовершенная, техника безопасности слабая, а контроль за сроками и качеством работы – постоянный и жесткий. Радиоактивные растворы содержали плохо фильтрующиеся осадки, нередко растворы выливались из аппаратов, приходилось вручную ликвидировать протечки, да и пробы для анализа отбирали вручную. Случались «хлопки» – взрывы водорода, выделявшегося при растворении алюминия; при переливе концентрированного раствора плутония однажды произошла самопроизвольная цепная ядерная реакция. Но все понимали важность задачи, работали с энтузиазмом и не жаловались на трудности.
Через короткое время первенец радиохимической отрасли страны – завод «Б», сильно загрязненный радиоактивными веществами, закрыли. Были пущены новые заводы, созданы новые комбинаты, и плутоний стали нарабатывать уже не на одном, а на тринадцати промышленных ядерных реакторах.
В ядерных зарядах применяли сплав плутония с галлием (0,9–1,0% по массе), который позволял стабилизировать при комнатной температуре наиболее пластичную (и потому легко обрабатываемую) кристаллическую модификацию плутония. Стабилизирование позволяет обойти еще одну проблему: изменение плотности металла. При повышении температуры плотность резко уменьшается (от 19,82 до 17,8 г/см³ при 122 °С и 15,9 г/см³ при 319 °С), вызывая распухание заготовки, а при плавлении несколько увеличивается (до 16,65 г/см³ при 641 °С).
В начале 1960-х гг. руководство СССР приняло насыщенную программу развития ядерного вооружения: регулярно проводились десятки взрывов различной мощности. Ядерные устройства взрывали на земле и под землей, в воздухе и под водой. Испытания с различной интенсивностью продолжались до принятого в 1990 г. моратория. Полигон на Новой Земле, где была взорвана самая мощная в мире ядерная бомба («царь-бомба»), в октябре 1991 г. был закрыт.
Общее энерговыделение 715 ядерных испытаний России составило 285 мегатонн, 1056 испытаний США – 193 мегатонны. На поверхность Земли выпало около 3,9 т плутония.
С 1987 г. СССР, затем образовавшиеся после его распада республики и США подписали целый ряд соглашений, по которым ядерный арсенал к 2003 г. должен сократиться в пять раз. Основными компонентами этого арсенала являются обогащенный уран, содержащий примерно 90% урана-235, и плутоний. С ураном проблема решается путем превращения высокообогащенного продукта в низкообогащенный (не более 5% урана-235) и использования в энергетических реакторах. С использованием плутония в мирных целях положение иное.
К концу прошлого века в мире было накоплено в общей сложности 1270 т плутония, из которых 257 т приходилось на оружейный плутоний. Ежегодное пополнение запасов реакторного плутония составляет около 50 т. Известны три пути решения указанной выше проблемы: иммобилизация плутония вместе с высокоактивными отходами и хранение иммобилизованного плутония в изолированном месте до полного распада радиоактивных изотопов, использование плутония в качестве топлива реакторов на быстрых нейтронах, изготовление смеси диоксидов урана и плутония для использования в работающих ныне энергетических реакторах на замедленных (тепловых) нейтронах.
Иммобилизация, заключение в химически, термически и радиационно устойчивые оболочки, например, из некоторых искусственных минералов – это перекладывание большинства проблем на плечи многих будущих поколений. Период полураспада плутония-239 составляет 24 тыс. лет, плутония-240 – 6,5 тыс. лет. Чтобы эти вещества распались, требуется время, сопоставимое с длительностью геологических периодов. Иммобилизованный плутоний надо хранить в постоянно контролируемых условиях. Тем не менее разработки в этом направлении ведутся, и можно полагать, что какая-то часть плутония будет иммобилизована.
Реакторов на быстрых нейтронах в мире относительно немного. Следовательно, рассчитывать на них как на основных потребителей плутония вряд ли можно. Главное направление мирного применения плутония – использование в действующих ныне реакторах.
Топливом в таких энергетических реакторах служит обогащенный диоксид урана, спеченные таблетки которого используют для изготовления твэлов. В нашей стране действуют два предприятия, выпускающие твэлы и обеспечивающие потребности всех АЭС России и Украины, станций в Армении, Литве, Болгарии и Финляндии. Работа с плутонием и изготовление смешанного уран-плутониевого топлива (МОКС-топлива) на этих предприятиях невозможны.
В чем отличие МОКС-топлива от обычного уранового? В твэлах для реакторов ВВЭР-1000 сегодня используется диоксид урана с содержанием урана-235 3,5–4,4%. Содержание диоксида плутония в МОКС-топливе, в зависимости от его происхождения (оружейный или энергетический), может колебаться в пределах 4,5–6,0% (остальное – диоксид урана-238). МОКС-топливо производится и широко используется во Франции, Германии, Японии и Англии.
В России и США уже действуют программы, ставящие целью создание новых заводов для производства МОКС-топлива, причем в России программа финансируется странами «восьмерки». Завод, основанный на французской и немецкой технологиях, будет строиться на площадке 35 га в 7,5 км от г. Северск, близ Томска. В 2005 г. будет подготовлен котлован под фундамент.
Потребителями МОКС-топлива в России могут быть АЭС, оснащенные «быстрыми» реакторами типа БН-600 (Белоярская АЭС) или «тепловыми» реакторами ВВЭР-1000 (Балаковская и некоторые другие АЭС). В перспективе такое топливо будут потреблять Калининская и Нововоронежская АЭС.
К 2014 г. Россия и США должны превратить в топливо по 34 т оружейного плутония.
Производство оружейного плутония в нашей стране продолжается, действуют три промышленных реактора. Эти реакторы пущены более 30 лет назад, но «заглушить» их пока нельзя, поскольку они двухцелевые и снабжают города, в которых расположены, электроэнергией. Строительство ТЭЦ, которые заменят реакторы, потребует нескольких лет.
Плутоний-238 отличается от других радиоактивных изотопов очень высокой тепловой мощностью – 567 Вт/кг. Это альфа-излучатель с периодом полураспада 89,6 года. Его тепловыделение почти не меняется в течение 10 лет. Каждый грамм плутония-238 за 10 лет выделяет столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 5,3 кг лучшего антрацита.
Такие свойства делают плутоний-238 лучшим материалом для РИТЭГов – радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Первый РИТЭГ с диоксидом плутония был создан в 1961 г. в США и установлен на автоматической метеорологической станции на труднодоступном канадском острове Аксель. С 1964 г. генераторы применяются на метеорологических спутниках. Сначала они имели небольшую мощность (до 60 Вт), которая затем возросла до 500 Вт. Отечественные спутники серии «Космос» снабжены РИТЭГами.
Во время первого полета на Луну (1969) американские астронавты доставили туда два радиоизотопных источника для обогрева и питания оставленной ими аппаратуры. Источником энергии в системах регенерации воды на американских космических кораблях серии «Аполлон» служил плутоний-238.
В 1970 г. во Франции была проведена первая в мире операция по имплантации изотопного стимулятора сердечной деятельности. Такие стимуляторы потребляют немного энергии и требуют не более 200 мг плутония-238. Сегодня они созданы и применяются во многих странах мира. Ежегодная потребность в стимуляторах составляет около 10 тыс. штук.
Чистый плутоний-238 производят в ядерных реакторах, облучая нейтронами нептуний-237, а такой нептуний выделяют из отработавшего ядерного топлива.
По недавно заключенному соглашению Россия будет поставлять плутоний-238 в США для использования в РИТЭГах космических аппаратов.
О плутонии сейчас много говорят и пишут, значительная часть высказываемых мнений сильно политизирована и основана на недостоверных сведениях.
Неверно, что плутония нет в природе. В Африке (местечко Окло, Габон) был обнаружен давно погасший природный ядерный реактор, и имеющиеся там урановые руды обогащены плутонием. После этого найдены десятки мест, где также десятки тысяч лет назад были подобные реакторы. Плутоний постоянно образуется при облучении урана космическими лучами.
Неверно, что плутоний – самое ядовитое вещество в мире. Он радиоактивен, при попадании в организм накапливается в печени и в костях, вызывает радиационные повреждения и онкологические заболевания. Но в списке опасных веществ он далеко не рекордсмен и уступает многим и очень многим ядам.
Неверно, что из реакторного плутония можно сделать эффективную атомную бомбу.
Неверно, что бомбу могут изготовить террористы. Для создания ядерного оружия и последующего развития ядерной энергетики потребовалось организовать целую отрасль промышленности, состоящую из сотен предприятий. Никакая тайная лаборатория не может заменить собой эту отрасль. Даже располагая самыми детальными чертежами бомбы, самым подробным описанием технологий, реализовать их в скрытой от посторонних глаз лаборатории без широкой государственной поддержки невозможно.
Неверно (об этом уже говорилось), что отработавшее ядерное топливо АЭС относится к ядерным отходам.
С вои заметки я хочу закончить на другой ноте. Они дают возможность назвать имена трех ученых, с которыми меня сводила судьба и которые имеют прямое отношение к теме.
С 1960 г. нашей кафедрой № 43 Менделеевского университета, тогда института, заведовал Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной премии СССР профессор Б.В.Громов (1909–1984), который осваивал технологию извлечения плутония на установке У-5, был первым главным инженером завода «Б» на Комбинате «Маяк», отвечал за производство первых промышленных партий химического концентрата оружейного плутония, много сделал для реализации и совершенствования технологии. Громов – автор нескольких книг. Прекрасный учебник Б.В.Громова, В.И.Савельевой и В.Б.Шевченко «Химическая технология облученного ядерного топлива» (М.: Энергоатомиздат, 1983) использован при подготовке этой статьи.
Лекции по химии и технологии редких металлов нам, студентам кафедры, читал Герой Социалистического Труда академик Н.П.Сажин (1897–1969). Именно он в 1944 г. получил первый в нашей стране слиток металлического урана, а в 1945 г. создал промышленную технологию урана. В двухтомном «Большом энциклопедическом словаре» 1991 г. об этом не говорится, хотя указано, что в 1946 г. и 1952 г. Н.П.Сажин был удостоен государственных премий, а в 1961 г. – Ленинской премии.
Курс технологии облученного урана вел лауреат Государственной премии СССР профессор В.Б.Шевченко (1906–1981), который выделил первые миллиграммы плутония из блоков, облученных в реакторе Ф-1, а впоследствии активно участвовал в разработке новой технологии плутония. Шевченко был организатором и первым директором НИИ-9, о котором говорилось выше. Книга В.Б.Шевченко и Б.Н.Сударикова «Технология урана» (М.: Госатомиздат, 1961) была настольным пособием нескольких поколений специалистов.
Сотни учеников и соратников Б.В.Громова, Н.П.Сажина и В.Б.Шевченко продолжают их дело.

Э.Г.РАКОВ