Ядерные материалы

Приложение 3

Наибольшее беспокойство с точки зрения увеличения запасов ядерного оружия возникает при непосредственном анализе материалов для ядерного топлива. 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, 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. Все они – «плутоний», но не все являются расщепляющимися. 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 в современном ядерном оружии.

С другой стороны, 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-240), которые накапливаются в топливных элементах в течение длительного времени.

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 на использовании плутония, пригодного для применения в обычных реакторах, была бы ненадежна, трудна в изготовлении и пока на практике не реализована[35]. Однако концепция международной ядерной безопасности предполагает, что оба вида плутония могут использоваться для создания оружия, особенно оружия устрашения. Это является основанием для всеобщего запрета переработки и разделения любого плутония из отработанного ядерного топлива.

Формирование: U-238 + нейтрон = > U-239 = > Np-239 = > Pu-239

(Бета-распады U-239 и Np-239: период полураспада 23,5 мин. 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. Pu-241 и Pu-242 формируются при последующих процессах поглощения нейтронов в ядерном топливе. Pu-239, содержащийся в облученном топливе в ядерном реакторе, выгорает так же быстро, как и накапливается, а Pu-240 накапливается устойчиво.

Очень малое количество Pu-238 формируется при поглощении нейтронов ядрами U-235.

Количество:

Обычный реактор мощностью 1000 МВт производит приблизительно 250 кг плутония (особенно Pu-239) каждый год. Эти остатки содержатся в высокоактивном отработанном ядерном топливе, если оно повторно не обработано.

Количество Pu-240 увеличивается со временем, пока тепловыделяющие элементы остаются в реакторе. 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:

Pu-239 испускает при распаде 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, например, в пластиковых контейнерах.

Использование:

Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде Pu-238 (0,56 Вт/г), позволяет использовать его как источник энергии в термоэлектрических генераторах для кардиостимуляторов, космических спутников, навигационных маяков и т.д. Энергия таких плутониевых источников дала, например, возможность космическому спутнику «Вояджер» посылать на Землю 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.

Таблица 4

Следует отметить, что ядерный реактор, который использует смешанное MOX-топливо, не может более являться производителем плутония, а тот, который и появляется в топливе, еще менее пригоден для производства оружия, чем находящийся в свежем MOX-топливе.

Коммерческий плутоний поэтому намного менее привлекателен 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).