Реферат: Новые виды ядерного топлива: мокс-топливо – энергетическое будущее человечества

Новые виды ядерного топлива: мокс-топливо – энергетическое будущее человечества

Лунько Георгий, 10 «А» класс МОУ «СОШ №84»

Научный консультант: А.Г.Компаниец, начальник смены ОАО «СХК», участник ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС

Руководитель: Л.Н.Рыбина, учитель физики МОУ «СОШ №84» ЗАТО Северск

Постановка проблемы

Мы живём рядом с крупнейшим в мире ядерным комплексом- Сибирским Химическим Комбинатом. В течение полувека наш комбинат занимался выработкой оружейного плутония-начинки для ядерной бомбы. Количество наработанного плутония столь велико, что цифра содержится в глубочайшем секрете.

Однако, в настоящее время, когда боеголовки демонтированы, плутоний просто хранится в специальных ёмкостях, и кроме вопроса безопасности, которая обеспечена по высшему классу, в полный рост поднимается вторая проблема- экономическая.

Чтобы обеспечивать безопасность, о которой сказано выше, необходимо расходовать не просто большие, а огромные средства. Если учесть период полураспада плутония, то в течение тысяч лет, мы должны совершенно бесполезно с точки зрения экономической выгоды производить огромные вложения..

Однако, существует и другой способ, о котором у нас в стране имеются очень смутные представления. Именно этот способ, перевода боевого плутония в энергетическое МОКС-топливо, я хочу подробно осветить.
^ 1.Введение в общие, экологические и медицинские аспекты МОКС-топлива. Что такое МОКС? 1.1 Плутоний – рукотворный элемент
Плутоний, элемент с атомным номером 94, был впервые получен в феврале 1941 года группой Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в опытах по облучению урана ядрами дейтерия. Плутоний является трансурановым элементом - его атомный номер больше, чем у урана, самого тяжелого из обнаруженных в природе элементов с атомным номером 92. Имя "Уран" носит одна из планет Солнечной системы, поэтому синтезированные искусственно элементы с атомными номерами 93 и 94 получили имена нептуний и плутоний - по названиям планет, расположенных за планетой Уран. Вскоре после этого открытия было обнаружено, что изотоп плутония может распадаться, и поэтому дальнейшие исследования этого элемента проводились исключительно в рамках секретного Манхэттенского проекта, целью которого было массовое производство плутония для использования в атомных бомбах. Горькая ирония заключается в совпадении имени этого элемента, который через четыре года после его открытия превратил город Нагасаки в ад, и имени владыки подземного царства Плутона.

Известны 15 изотопов плутония с массовыми числами от 232 до 246, но наиболее важен из них 239Pu с периодом полураспада 24 000 лет, способный к делению. Именно он был использован в бомбе, сброшенной на Нагасаки, и он также может сжигаться в реакторах для производства энергии.

239Pu возникает в ходе работы обычного энергетического реактора на урановом топливе в результате захвата нейтрона ядром 238U. Формула этой реакции, происходящей в два этапа, следующая:

238U + n = 239U ->(-распад с периодом 23,5 мин) 239Np  (-распад с периодом 2,35 дней) 239Pu

Эта реакция идет параллельно с основным рабочим процессом - делением ядер 235U, при котором выделяется тепловая энергия. Содержание 235U в природном уране составляет всего 0,7%, поэтому для того чтобы его можно было использовать в качестве топлива в легководных реакторах (основном типе энергетических реакторов), естественный уран обогащают, доводя содержание 235U до примерно 3%. Остальные 97% приходятся на 238U. За один год работы типичного ЛВР мощностью 1000 МВт образуется около 200 кг плутония, из которых около 150 кг составляет 239Pu.

Часть ядер 239Pu превращается в другие изотопы плутония (240Pu, 241Pu, 242Pu) в результате реакций с захватом нейтронов. Небольшие количества изотопа 238U образуются непосредственно из урана. Как и 235U, 239Pu способен делится в результате захвата нейтрона по формуле

239Pu + n = продукты деления.
^ 1.2Оружейный и реакторный плутоний
Таким образом, при работе атомного уранового реактора в его топливных стержнях накапливаются различные изотопы плутония. Их количества зависят от степени выгорания уранового топлива. Лишь два из этих пяти изотопов плутония, 239Pu и 241Pu, являются расщепляющимися (делящимися), т.е. способными к расщеплению в результате захвата тепловых (медленных) нейтронов, и в принципе пригодны для использования в качестве реакторного топлива. Поэтому, если речь идет о возможности использования плутония в качестве реакторного топлива, важно знать только количество 239Pu и 241Pu, обозначаемое Puf от слов Pu (плутоний) и fissile (делящийся). Полное же количество всех изотопов плутония обозначается Put от слова total (полный, общий, итоговый).

Для ядерного же оружия желательно иметь практически чистый 239Pu, поскольку изотопы 240Pu и 238Pu самопроизвольно испускают нейтроны, которые могут вызвать т. н. «предначальное воспламенение», а это приведет к существенно меньшей силе взрыва атомной бомбы. Поэтому принято классифицировать плутоний по "качеству" в соответствии с его изотопным составом.

Хотя предначальное воспламенение уменьшает мощность взрыва ядерного взрывного устройства, изготовленного из реакторного плутония, можно утверждать, что мощность взрыва сравнительно простого взрывного устройства из реакторного плутония, подобного бомбе, взорванной в Нагасаки, будет равно примерно одной или нескольким килотоннам, даже если предначальное воспламенение произойдет в наименее благоприятный момент. В Японии и некоторых европейских странах сторонники плутония продолжают утверждать, что из-за предначального воспламенения реакторный плутоний практически не может быть использован в ядерном оружии, и что поэтому плутониевые программы в этих странах, основанные на выделении и использовании реакторного плутония, следует рассматривать исключительно как «мирные». Однако это мнение противоречит фактам, признанным международной научной общественностью. В докладе американской Национальной Академии наук, выпущенном в 1994 году и посвященном утилизации ядерных оружейных материалов, утверждается, что «плутоний практически любого изотопного состава может быть использован в ядерном оружии».
^ Двойной (военно-гражданский) характер использования плутония
Поскольку плутоний любого состава может быть применен в ядерном оружии, любая программа использования плутония в мирных целях создает условия для его использования в военных целях. Реакторный плутоний может быть использован как непосредственно в примитивном ядерном взрывном устройстве, так и в качестве топлива для реактора на быстрых нейтронах, в бланкете которого можно будет производить военный плутоний сверхвысокого качества.

Применимость плутония для военных целей определяется не только возможностью его использования в ядерном оружии, но двойным военно-гражданским характером всей технологической схемы использования плутония. Полномасштабная гражданская плутониевая программа должна включать производство плутония в реакторе, выделение его на перерабатывающем предприятии и изготовление топливных стержней. При наличии соответствующего политического решения эти мощности могут быть переориентированы на военные цели. Даже если государство не стремится к созданию ядерного оружия и его плутониевая программа находится под строгим международным контролем, сам факт наличия запасов плутония и мощностей по его переработке может породить подозрения в других (соседних) странах и заставить их развивать свои плутониевые программы, которые вполне могут иметь военный характер. В случае с Японией именно так и может получиться в будущем.

Таким образом, двойственный характер плутониевых программ порождает ряд проблем международного характера и проблем безопасности, которые должны быть приняты во внимание при анализе любой программы утилизации плутония.
^ Токсичность плутония
Плутоний известен как один из самых токсичных элементов. Большинство изотопов плутония являются -излучателями. Испускаемые им высокоэнергетические -частицы (энергия более 5 мегаэлектронвольт) имеют высокую ионизирующую способность и очень опасны для живых организмов. -излучающий плутоний особенно опасен при попадании внутрь человеческого организма, в то время как -излучение от внешнего источника обычно не представляет опасности ввиду короткого пробега -частиц.

Другой причиной высокой опасности плутония является его способность в течение длительного времени удерживаться в организме, куда он может попасть при вдыхании или через желудочно-кишечный тракт. При вдыхании плутониевой пыли часть плутония достигает легких (в зависимости от размера пылевых частиц), где некоторая его часть всасывается в кровь и переносится ею в различные органы. Плутоний оседает в основном в печени и костной ткани, и в меньшей степени - в репродуктивных органах. Небольшая часть плутония, попавшего внутрь организма через желудочно-кишечный тракт, также попадет через кровь в эти же органы. Попавший в них плутоний будет оставаться там в течение многих лет, подвергая соответствующие органы -облучению. Постоянное -облучение в малых дозах может вызвать рак и генетические повреждения.

Типичный реакторный плутоний в 8-10 раз токсичнее, чем 239Pu - один грамм оксида реакторного плутония соответствует годовому пределу поступления через органы дыхания для 40 миллионов человек.

Отметим далее, что значения ПДУ для простых граждан (годовой предел дозы 1 мЗв) в 50 раз меньше, чем для занятых в атомной промышленности (годовой предел дозы 50 мЗв). Следовательно, предельно допустимое количество плутония, поступающее через органы дыхания, для обычного гражданина равно одной миллиардной грамма (0,000000001 г). Таким образом, даже суб-микрограммы плутония представляют угрозу здоровью рабочих на предприятиях атомной промышленности, а для населения плутоний опасен уже на уровне нанограммов. Облучение от внешнего плутониевого источника также может представлять опасность для занятых в атомной промышленности, поскольку плутоний содержит значительные количества изотопов, испускающих -лучи и нейтроны.
МОКС-топливо
Поскольку и реакторный плутоний, и плутоний более высоких сортов является смесью делящихся изотопов, он в принципе пригоден для использования в качестве реакторного топлива. Обычно плутоний используется в этом качестве в виде смеси диоксида плутония PuO2 с диоксидом урана UO2. Эта смесь оксидов (PuO2+UO2), называемая МОКС-топливом, обычно используется в двух типах реакторов - в реакторах на быстрых нейтронах (БН) и в легководных реакторах (ЛВР).

Реактор на БН может вырабатывать плутоний в результате захвата нейтронов ядрами 238U, находящегося в активной зоне реактора и в окружающем ее бланкете, в то время как плутоний (МОКС-топливо с 20-30% плутония) "горит" в активной зоне. Такой реактор называют размножителем или бридером, поскольку он вырабатывает больше плутония, чем потребляет. Смысл бридера в том, что он повышает эффективность использования ресурсов урана в целых 60 раз, и он позволяет преобразовать ранее остававшийся без применения 238U в плутоний и одновременно вырабатывать полезную мощность. Из-за этих заманчивых перспектив реактор на БН стал с самого начала развития атомной промышленности ее "голубой мечтой", почти «вечным двигателем».

Но, увы - реальность оказалась больше похожа на кошмар, чем на прекрасный сон. Чтобы размножение было возможным, реакция деления в реакторе на БН поддерживается быстрыми (высокоэнергетическими) нейтронами, в отличие от ЛВР, которые работают на тепловых нейтронах. Поскольку нет возможности использовать замедляющий охладитель, приходится охлаждать активную зону реактора на БН расплавом щелочного металла, который имеет высокую химическую активность и реагирует со взрывом с воздухом и водой. Другой важный недостаток реакторов на БН состоит в том, что вероятность аварии с разгоном реактора гораздо выше, чем для ЛВР.

Отметим далее, что размножение плутония происходит не так быстро, как хотелось бы: время удвоения, то есть время, за которое один бридер создает достаточно плутония для загрузки другого такого же реактора (40 лет), значительно превышает время жизни первого реактора (не более 30 лет). Это указывает на другую ключевую проблему бридера: в конечном итоге для его эксплуатации должна быть создана система, включающая множество этапов, в том числе выделение плутония, загрузка топлива в реакторы, переработка отработавшего топлива и бланкета.

Эти и другие технические трудности бридеров стали причиной неэкономичности их использования, и оба эти недостатка - технические сложности и высокие стоимостные показатели - привели к тому, что США и все западноевропейские страны свернули свои бридерные программы. Япония, которая в одно время считалась настроенной наиболее серьезно на использование бридеров, теперь готова последовать примеру этих стран или по крайней мере подвергнуть свою бридерную программу существенному пересмотру (этому также способствовала авария на прототипном бридере в Монжу в декабре 1995 года).

Другой способ использования МОКС-топлива - сжигание его в энергетических легководных реакторах (ЛВР). Обычно МОКС с содержанием плутония от 5 до 8% используется в реакторах с водой под давлением (РВД) и в реакторах на кипящей воде (РКВ) - двух основных типах реакторов. Существующие в настоящее время ЛВР разрабатывались для сжигания в них низкообогащенного оксида урана, и переход на МОКС-топливо создает ряд проблем. Однако представители атомной промышленности верят, что замена в активной зоне таких реакторов одной трети уранового топлива на МОКС не создает дополнительных проблем с точки зрения безопасности, и это осуществляется в некоторых немецких, французских, бельгийских и швейцарских ЛВР. В Японии тоже существуют далеко идущие планы использования МОКС в ЛВР. Кроме того, предполагается изготавливать МОКС из оружейного плутония, а затем сжигать его в ЛВР, что рассматривается некоторыми экспертами (особенно в США) как эффективный способ уничтожения плутония, извлекаемого из ядерных боеголовок в процессе разоружения России и США.
^ Использование МОКС-топлива в легководных реакторах Топливный цикл с участием МОКС и связанные с ним проблемы
В топливном цикле ЛВР можно выделить два основных потока: входной поток, начинающийся с добычи урана и заканчивающийся загрузкой низкообогащенного урана в активную зону реактора, и выходной поток, начинающийся выгрузкой ОЯТ и заканчивающийся захоронением радиоактивных отходов.

Оба потока - и входной, и выходной - являются потоками радиоактивных материалов и, следовательно, представляют опасность с точки зрения сохранности этих материалов и защиты окружающей среды. Если урановое топливо не перерабатывается, оно после извлечения из реактора сначала складируется на некоторое время, а затем захороняется в геологических могильниках.

Этот процесс является одним из наиболее сложных и вызывающих наибольшие разногласия этапов атомной технологии, поскольку он включает в себя перевозку, хранение и захоронение высокоактивных материалов.

Топливный цикл с участием МОКС (т. н. "замкнутый топливный цикл") гораздо более сложен. Отработавшее топливо перевозится с реактора на перерабатывающее предприятие, где из него выделяют плутоний, который затем поступает на предприятие по изготовлению МОКС-топлива. Изготовленные там топливные стержни с МОКС перевозятся к реактору и загружаются в него. После отработки эти стержни снова могут быть подвергнуты переработке. МОКС-топливо содержит много плутония и других трансурановых элементов по сравнению с обычным отработавшим топливом ЛВР, поэтому даже если отработавшее МОКС-топливо не перерабатывается (наиболее вероятный случай), его перевозка, хранение и последующее захоронение создают основания для беспокойства в связи с проблемами сохранности, защиты окружающей среды, и экономическими соображениями. Если же отработавшее МОКС-топливо перерабатывается (т. н. множественное рециклирование плутония), оно снова пройдет по этому кругу, причем с каждым следующим циклом оно будет представлять собой все более сложные смеси различных радионуклидов.
Сохранность
Проблемы сохранности включают в себя вопросы физической защиты материалов, пригодных для изготовления оружия, и предотвращения их утечки с предприятий атомной промышленности. Сюда же относятся политические аспекты использования МОКС (проблема нераспространения).
Безопасность
Проблемы безопасности включают в себя защиту окружающей среды, а также жизни и здоровья людей. Проблемы безопасности возникают как в связи с работой предприятий атомной промышленности, так и при транспортировке делящихся материалов. Обеспечение безопасности включает в себя два основных момента: недопущение аварий и защита работающих на предприятиях атомной промышленности.
^ Значение МОКС-топлива в меняющемся мире Конец "холодной войны" и проблема избыточного плутония
С окончанием холодной войны вероятность ядерной войны мирового масштаба значительно уменьшилась. Но при этом мир столкнулся с новой угрозой - распространения ядерных материалов и ущерба окружающей среде от увеличивающихся объемов расщепляющихся материалов, которые высвобождаются в процессе демонтажа ядерного оружия России и США.

Утилизация расщепляющихся материалов из десятков тысяч демонтируемых боеголовок стала проблемой первостепенной важности для всего человечества. Один из этих материалов (плутоний) создает гораздо более серьезные проблемы, чем другой (высокообогащенный уран). Высокообогащенный уран можно легко превратить в низкообогащенный (малопригодный для изготовления оружия) путем смешивания его с природным ураном, после чего его можно использовать как обычное реакторное топливо. Однако нет возможности поступить аналогичным образом с плутонием, поскольку «любая смесь изотопов плутония может быть использована для изготовления атомной бомбы».

Департамент энергетики США недавно заявил о своем решении избрать так называемый «двойной путь» утилизации оружейного плутония, в рамках которого две трети американского оружейного плутония могут быть переведены в МОКС-топливо для коммерческих реакторов на тепловых нейтронах. Это решение, однако, не означает, что открыта дорога для коммерциализации оружейного плутония. Переоценка ценностей, последовавшая за прекращением холодной войны, повлияла и на наши представления о ценности запасов плутония. Теперь такие запасы все чаще рассматриваются не как ценность, а как проблема. В отчете НАН 1994 года сказано:

«Итак, с точки зрения экономики излишки оружейного плутония являются скорее обузой, чем ценностью. При любом выборе способа его утилизации этот процесс принесет нам скорее убытки, чем прибыль».

Занявшись проблемой избыточного оружейного плутония, мы не должны забывать о том, что эта же проблема существует и для запасов реакторного плутония. На очередном ежегодном съезде Форума Атомной Промышленности Японии заместитель генерального директора МАГАТЭ Уильям Диркс заявил:

«Даже если игнорировать делящиеся материалы из снимаемых с вооружения боеголовок, избыток делящегося плутония, выделенного в рамках мирных атомных программ, создает серьезную политическую проблему и угрозу безопасности во всем мире. Поступление плутония за счет выделения из ОЯТ и, возможно, за счет демонтажа ядерных вооружений будет в обозримом будущем многократно превосходить способность промышленности задействовать его в рамках мирных коммерческих программ».

Проблема избыточного плутония становится все более серьезной в Японии и в тех западноевропейских странах (Франции и Великобритании), где, несмотря на многочисленные аргументы против и оппозицию переработке, продолжается переработка ОЯТ. Огромное количество выделенного плутония уже накоплено в европейских центрах по переработке ОЯТ - на мысе Ля Аг во Франции и в Селлафилде в Великобритании: в конце 1996 года во Франции (преимущественно на мысе Ля Аг) находилось 43,6 тонны плутония, а в Селлафилде к 31 марта 1995 года было накоплено 44,0 тонны плутония. Значительная часть запасов плутония во Франции предназначена для Японии и Германии, которые пользуются услугами Франции для переработки ОЯТ своих реакторов.

У Японии также существуют большие запасы избыточного плутония. Согласно складским данным на конец 1995 года, предоставленных правительством Японии, общий запас плутония составлял 16 тонн, из которых 14,7 тонны хранились на предприятиях по переработке отработавшего топлива и по производству МОКС-топлива. Поскольку не предполагалось использовать этот плутоний в ближайшее время, его можно рассматривать как избыточный. Из этих 14,7 тонн плутония 1,42 тонны хранятся в Великобритании, и 9,96 тонны - во Франции. Если переработка ОЯТ в Европе и Японии (в Токаи, а затем в Роккашо) будет развиваться в соответствии с намеченными планами, а научно-исследовательские и конструкторские работы по РБН и УТР помимо реакторов в Йо-йо и Фуген будут неопределенно откладываться, а также существенно отодвинутся сроки использования МОКС-топлива в ЛВР, то, как показывает расчет, избыток плутония превысит 30 метрических тонн к 2000 году и 70 тонн к 2010 году, даже если МОКС-топливо будет частично использоваться.

Использование МОКС в ЛВР нужно для сокращения запасов плутония, а переработка отработавшего топлива нужна, чтобы обеспечить ЛВР достаточным количеством МОКС. Вроде все логично, но вот каков итог: запасы плутония не только не уменьшаются, а возрастают, поскольку переработка дает больше плутония, чем потребляется в ЛВР.
^ Основные принципы проекта МОМ
В середине семидесятых годов США планировали широкомасштабное использование МОКС в ЛВР, и Комиссия по ядерному регулированию детально исследовала возможное влияние этого на окружающую среду. При Картере эти планы были отвергнуты по соображениям нераспространения ядерного оружия, и с тех пор этот вопрос практически не исследовался. Теперь, 20 лет спустя, активно обсуждается перспектива использования МОКС для утилизации излишков оружейного плутония, но мало внимания уделяется вопросу о том, как это может повлиять на программы мирного использования плутония в мировом масштабе. Программа INFCE (International Niclear Fuel Cycle Evaluation), начатая в октябре 1978 года по предложению президента США Джимми Картера и закончившаяся в феврале 1980 года, была в основном направлена на сравнение различных вариантов топливного цикла, но, в общем, не касалась проблемы влияния использования МОКС на окружающую среду. С тех пор высказывались мнения в пользу применения МОКС в ЛВР в Европе, но они касались лишь отдельных технических аспектов производства и применения МОКС и поэтому мало способствовали осознанию населением социальных последствий МОКС-варианта.

Было много хорошо аргументированных выступлений (в основном независимых ученых) против утилизации плутония. Некоторые из них, подобно нашему проекту, содержат оценку воздействия на окружающую среду, но ни одно из этих выступлений не учитывало всех сложностей проблемы и не было специально посвящено использованию МОКС-топлива в ЛВР. Кроме того, с окончанием холодной войны часть использованной в них аргументации устарела. Нет необходимости говорить о том, что для здорового общества совершенно необходим независимый анализ крупных научно-технических и промышленных программ. Это особенно справедливо в случае программы использования МОКС-топлива, которая имеет далеко идущие социальные, политические, экологические и медицинские последствия. Независимый от интересов промышленности и министерств анализ совершенно необходим для того, чтобы общественность могла сформировать правильное мнение по этой проблеме. Демократическое правительство должно способствовать созданию независимых групп для проведения альтернативных исследований и помогать им в их работе, но зачастую этого не происходит. В некоторых странах парламенты помогают донести до сведения общества результаты независимых исследований. Местные власти, например правительства штатов, также оказывают большую поддержку независимой экспертизе проектов центрального правительства. Но в Японии, в отличие от других стран, власти разных уровней практически никак не помогают проведению независимых исследований.

Мы глубоко убеждены, что независимый всесторонний анализ атомной программы, причем в форме, доступной для простых граждан, жизненно важен не только для правильного решения конкретных вопросов, но и для поддержания демократической обстановки в обществе. Атомная промышленность была создана и развивалась под покровительством государственных служб в условиях высокой степени централизации управления, в результате чего население привыкло считать атомные технологии чем-то недоступным для понимания и не подлежащим обсуждению. С другой стороны, центральные правительства склонны действовать в направлении усиления централизации, и отдавать предпочтение централизованным промышленным системам, таким как атомные электростанции и связанные с ними производства. Эти правительства и их технократически настроенные министерства воспользовались предполагаемой «недоступностью» проблем атомной промышленности для понимания общественности для того, чтобы разрабатывать и реализовывать свои планы бесконтрольно. В Японии вплоть до аварии в Монжу дело обстояло именно таким образом. Авария в Монжу остро поставила вопросы открытости и демократичности в принятии решений и привела к референдуму в Maki Town в городе Ниигата, на котором население сказало «нет» строительству нового реактора. Мы предполагаем, что ситуация с атомными программами в других странах мира примерно такая же.
^ Роль политики в отношении плутония в меняющемся мире
В конце двадцатого века, века науки и технологии (и, прежде всего, ядерной технологии), человечество столкнулось с рядом невиданных и непредвиденных трудностей глобального масштаба. Наиболее насущными проблемами являются следующие:

1) ухудшение качества окружающей среды за счет загрязнения вредными отходами, в том числе радиоактивными и озоноразрушающими материалами;

2) изменение климата в результате поступления парниковых газов в атмосферу;

3) глобальный экологический кризис в форме опустынивания и утраты биоразнообразия;

4) угроза ядерной войны и новых аварий, подобных Чернобыльской, в условиях продолжающейся военной и коммерческой ядерной деятельности.

С целью исправления положения были приняты сотни соглашений, деклараций, планов действий и обычных договоров об охране окружающей среды, посвященных проблемам кислотных дождей, загрязнения океана, исчезновения видов, торговли опасными отходами и сбережения природы Антарктики. Многие из них были приняты под эгидой ООН. И, тем не менее, несмотря на все эти усилия, состояние природных экосистем резко ухудшилось в течение нескольких десятков лет, прошедших с момента основания ООН, и темп негативных изменений не уменьшается. Конечно, оценка международных усилий по охране окружающей среды выходит за рамки настоящего проекта, но мы считаем, что очень важно анализировать допущенные в прошлом ошибки и вырабатывать принципы, которые позволили бы избегать таких ошибок в будущем.

В основу исследования проблемы МОКС-топлива положены следующие глобальные этические принципы:

Избавление человечества от страха ядерной войны или катастрофы в результате использования атомных технологий;

Справедливость по отношению к будущим поколениям;

Приоритет интересов глобальной окружающей среды и прав человека перед национальными индустриальными интересами;

Сохранение природных ресурсов и экологических систем;

Решения по перечисленным проблемам должны приниматься только с участием международной общественности.
^ Применение МОКС в качестве ядерного топлива: проблемы безопасности
С окончанием периода «холодной войны» угроза начала мировой войны с применением ядерного оружия уменьшилась почти до нуля. Ее место заняла опасность распространения ядерного оружия и применения его ранее не обладавшими им государствами или группами, что может произойти в случае, если в их руки попадет высокообогащенный уран или плутоний.

В настоящее время основная угроза безопасности в связи с ядерным оружием возникает из-за распространения его на страны, ранее им не обладавшие. Пока лишь восемь государств обладают ядерным оружием. Это Китай, Франция, Россия, США, Великобритания, Израиль, Индия и Пакистан.

На данный момент США располагают 9500 ядерных боеголовок, Россия - примерно 10500. Если разрабатываемые в настоящее время соглашения о сокращении вооружений вступят в силу, Россия и США уменьшат свои ядерные арсеналы до примерно 5000 с каждой стороны к 2003 году. Но даже после столь значительного сокращения эти две страны будут обладать весьма внушительными запасами ядерного оружия.

Великобритания располагает 400 ядерных боеголовок; Франция примерно 500; Китай, вероятно, около 400; Израиль около 200; Индия около 40; Пакистан примерно 7. Можно также предполагать, что Иран, Ирак и Северная Корея стремятся к созданию ядерного оружия.

Тем не менее, маловероятно, что какой-либо стране удастся войти в клуб ядерный держав в течение ближайших 10-15 лет. В течение этого периода произойдет широкое распространение атомных технологий, ориентированных на мирное применение (но которые можно использовать для развития военных программ). Одновременно будет происходить распространение технологии создания баллистических ракет. Опасное сочетание! Когда это произойдет (а можно опасаться, что это случится примерно через 10-15 лет), распространение ядерного оружия может пойти быстрыми темпами.

Сейчас значительное внимание уделяется деятельности ядерных держав по модернизации их ядерных вооружений («вертикальная гонка вооружений»). Однако не следует недооценивать опасности, которые таит в себе попадание ядерного оружия в распоряжение государств, ранее его не имевших («горизонтальная гонка вооружений»), поскольку это создает угрозу применения ядерного оружия в будущих локальных конфликтах.

Обретение какой-либо державой статуса ядерной будет дестабилизировать обстановку в соответствующем регионе. Более того, одна лишь возможность такого обретения наносит ущерб безопасности, заставляя страны-соседи напрягать силы, чтобы не отстать от лидера. Например, если Япония начнет работать над созданием ядерного оружия, Северная и Южная Кореи будут склонны сделать то же, а Китай, вероятно, займется наращиванием ядерных арсеналов.

Кажется маловероятным, что правительства будут принимать политические решения о создании ядерного оружия в ближайшее время, зато риск попадания ядерного оружия в руки террористов все возрастает. Эта опасность уже стала более актуальной, чем угроза мировой ядерной войны, по крайней мере, в ближайшей и среднесрочной перспективе.

Террористы неизменно стремятся к нанесению возможно большего ущерба. От ставших привычными попыток взрыва самолетов они переходят к более серьезным действиям, таким как атака с использованием нервно-паралитического газа в Токио. Этот пример показывает, что лидеры террористических группировок не останавливаются перед применением современного оружия массового уничтожения - в данном случае химического. Ядерное оружие может стать следующим в этой цепи.

Использование МОКС в качестве топлива для ядерных реакторов с последующим выделением плутония из отработанных топливных элементов резко увеличивает опасность попадания делящихся материалов, пригодных для изготовления ядерного оружия, в руки агрессивно настроенных государств и террористов. В простейшей атомной бомбе вся энергия взрыва возникает за счет реакции деления ядер.

Ниже описано устройство плутониевой атомной бомбы имплозионного типа. Те, кому удастся ее изготовить, могут быть уверены в том, что она сработает - им не потребуется проводить испытаний, так что изготовление и последующее размещение взрывного устройства можно будет осуществить в тайне.


Чем привлекательно МОКС-топливо для потенциальных изготовителей ядерного оружия
^ Применение реакторного плутония в ядерном оружии
В зависимости от технологии изготовления плутоний может иметь различный изотопный состав. Плутоний, производимый как побочный продукт на атомной электростанции, работа которой оптимизирована для наиболее экономически эффективного производства электроэнергии, называется реакторным плутонием. Плутоний может также производиться в специальных реакторах с целью его последующего военного применения. Этот плутоний называется оружейным плутонием. Он отличается от реакторного плутония пониженным содержанием изотопа 240. Чем меньше содержание этого изотопа, тем лучше подходит плутоний для создания ядерного оружия.

Ядро 239Pu распадается после захвата им нейтрона. Напротив, ядро 240Pu распадается самопроизвольно - для этого не требуется дополнительный нейтрон. Если в смеси изотопов плутония присутствует 240Pu, он создает постоянный поток нейтронов, выделяющихся при его распаде. В оружейном плутонии этот поток составляет 66 нейтронов на грамм вещества в секунду, в реакторном - 360. Чем выше этот поток, тем выше вероятность того, что бомба взорвется преждевременно (до полного сближения ее элементов, в сумме составляющих критическую массу); в этом случае мощность взрыва может сильно отличаться от расчетной. Для компенсации этого эффекта конструкторы бомбы могут организовать ускоренную имплозию (сближение блоков делящегося материала, составляющих вместе критическую массу). Чем быстрее происходит имплозия, тем более точно можно предсказать мощность взрыва (и тем эта возможность больше).
^ Устройство атомной бомбы
Чтобы изготовить обычную атомную бомбу, в которой вся энергия взрыва получается за счет реакций деления ядер и в которой сверхкритическая масса достигается с помощью имплозии, необходимы следующие компоненты:

вспомогательные заряды из обычных взрывчатых веществ очень высокого качества;

надежные детонаторы для этих зарядов;

электронные цепи управления для того, чтобы детонаторы сработали в строго определенные моменты времени в заданной последовательности;

рефлектор и отражатель нейтронов;

сфера из делящегося материала (плутония или высокообогащенного урана)

источник нейтронов для инициирования цепной ядерной реакции.

При взрыве вспомогательных зарядов они равномерно сжимают плутониевую сферу. При этом уменьшается объем и возрастает плотность.

Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. До взрыва вспомогательных зарядов делящийся материал имел массу ниже критической; после сжатия его масса оказывается выше критической, и начинается цепная ядерная реакция деления - происходит взрыв.

Плутониевая сфера в центре бомбы окружается оболочкой из бериллия или урана, которая отражает обратно часть нейтронов, покидающих плутониевую сферу. Эта оболочка значительно уменьшает критическую массу.

Так, например, критическая масса оружейного плутония в -фазе равна 11 кг; радиус плутониевого шара такого веса равен 5 см, размер крупного апельсина. Если окружить плутониевый шар отражателем нейтронов из природного урана толщиной 10 см, критическая масса плутониевого шара падает до 4,4 кг, а диаметр - до 3,6 см (немного крупнее мандарина).

Оболочка материала-отражателя окружена, в свою очередь, оболочкой из тяжелого материала - природного или обедненного урана - играющей роль рефлектора. При взрыве вспомогательных зарядов ударная волна сжимает рефлектор. Инерция рефлектора некоторое время удерживает от разлета плутониевое ядро в начальной фазе взрыва, благодаря чему успевает произойти больше реакций деления и мощность взрыва оказывается больше.

Очень скоро после начала цепной реакции плутониевая сфера начинает очень быстро расширяться (скорость расши