Плутоний: перспективы и риски

Элемент № 94 Периодической системы Д. И. Менделеева, названный плутонием (Pu) в честь планеты и мифологического повелителя загробного мира, — в глазах общества, вероятно, самая «черная овца» в дружной семье химических элементов. Эта точка зрения имеет под собой веское основание: плутоний практически не встречается в природе, он «появился на свет» для создания ядерного оружия.

Плутоний имеет крайне интересные химические (пять степеней окисления) и уникальные металлические (семь аллотропных форм с плотностью от 15,9 г/см³ для δ-­Pu и до 19,8 г/см³ для α-­Pu) свой­ства. Необходимо отметить также высокую радиотоксичность этого элемента — ​его изотопы ²³⁸Pu, ²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu являются мощными альфа-­излучателями. А в результате бета-распада относительно короткоживущего изотопа ²⁴¹Pu образуется ²⁴¹Am — ​еще один высокоактивный альфа-­излучатель. За счет реакции α — ​n на легких ядрах кислорода оксид плутония характеризуется также повышенным уровнем нейтронного ­излучения.

Однако плутоний, попавший в форме устойчивого оксида PuO₂ после ядерных испытаний в среду обитания человека, вполне инертен, в воде не растворим, хорошо сорбируется на компонентах грунтов и растениями практически не усваивается — так что, вопреки расхожему мнению, радиологической угрозы не представляет. Это подтверждает, например, анализ структуры средней дозы облучения от естественного и техногенного фона в местах расположения предприятий атомной энергетики и промышленности: в среднюю индивидуальную дозу человека 3,19 мЗв/год основной вклад вносят радон (50 %) и другие внешние природные источники, включая космическое излучение (40 %), а за счет внутреннего облучения еще 5 % добавляет природный ⁴⁰K. Вместе с тем на предприятиях, где изготавливается ядерное топливо или перерабатывается отработавшее (ОЯТ) и плутоний отделяется от урана и продуктов деления, принимаются все необходимые меры для защиты персонала как от внешнего гамма- и нейтронного облучения, так и от попадания аэрозолей плутония в легкие.

Перечисленные особенности плутония, а также большое накопленное количество этого элемента, включая плутоний оружейного качества, делают актуальным анализ возможных путей сокращения этих запасов.

Плутоний и его запасы
Плутоний образуется в ядерном топливе реакторов в результате захвата нейтрона изотопом ²³⁸U, ведущим к образованию ²³⁹U, который в результате бета-распада сначала превращается в ²³⁹Np, а затем — ​в ²³⁹Pu. Изотопы плутония ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu и ²⁴³Pu образуются, в свою очередь, в результате последовательных нейтронных захватов. Большая часть ²³⁸Pu образуется в результате (n, 2n) реакций. С практической точки зрения образование изотопов заканчивается на ²⁴²Pu, потому что период полураспада ²⁴³Pu составляет всего пять часов.

Изотопы ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu делятся нейтронами любых энергий, что определяет возможность возникновения самопроизвольной цепной реакции (СЦР) деления и делает их ядерно опасными. Однако у ²⁴¹Pu период полураспада составляет всего 14,4 года, поэтому с «оружейной» точки зрения этот изотоп считается бесперспективным.

Оружейный плутоний, или плутоний оружейного качества, определяется как плутоний, имеющий отношение ²⁴⁰Pu к ²³⁹Pu менее 0,1. При производстве такого плутония выгорание ядерного топлива обычно не превышает 1 ГВт·сут/тU, а наработка плутония — ​менее 1 кг на тонну облученного урана. Принято считать, что в одной тонне ОЯТ реакторов типа PWR/ВВЭР при выгорании более 50 ГВт·сут/тU накапливается на порядок больше ~10−12 кг плутония энергетического качества.
Изотопный состав энергетического плутония зависит как от типа реактора, так и от уровня выгорания ОЯТ (Таблица 1).

Плутоний оружейного качества называют низкофоновым, поскольку он содержит минимальные количества относительно короткоживущих изотопов ²³⁸Pu и ²⁴¹Pu. Соответственно, энергетический плутоний, выделенный из ОЯТ АЭС, является высокофоновым по гамма- и нейтронному потоку.

Исходя из того, что общий объем ОЯТ АЭС в мире сегодня оценивается в 300 тыс. тТМ (тТМ — ​тонны тяжелых металлов, т. е. урана и плутония), из них ~250 тыс. тТМ в странах ОЭСР, суммарное количество наработанного мировой атомной энергетикой высокофонового плутония можно оценить в 3 тыс. тонн. В России на хранении находится порядка 10 % от приведенного количества накопленного ОЯТ (~25 тыс. тТМ), что соответствует ~200 тоннам плутония из-за относительно низкого его содержания в ОЯТ реакторов РБМК.

Казалось бы, радиохимическая переработка ОЯТ должна обеспечить снижение темпов его накопления и сгладить остроту проблемы его длительного хранения и/или захоронения. Однако эта опция может работать только при замыкании ядерного топливного цикла (ЯТЦ) с полным повторным использованием выделенных ядерных материалов — ​регенерированного урана и энергетического плутония. Это, в свою очередь, возможно только при наличии реакторов АЭС на тепловых нейтронах, имеющих лицензию на загрузку топлива, содержащего плутоний, а также необходимого количества быстрых реакторов, способных многократно использовать энергетический плутоний. Такая конфигурация ядерной энергетической системы получила название двухкомпонентной.

Франция и некоторые другие европейские страны (Бельгия, Германия, Швейцария) при переработке своего ОЯТ на заводах UP‑2/UP‑3 (до 1700 тТМ в год) и полной загрузке заводов по производству уран-плутониевого топлива в Десселе и Маркуле достигли определенных успехов в снижении объемов ОЯТ, изначально представлявшего собой чисто урановое топливо. Использование МОКС-топлива, произведенного на основе смеси оксидов урана и выделенного энергетического плутония, позволило сократить темп накопления ОЯТ примерно в восемь раз. Однако фактически эти объемы все же растут ввиду нецелесообразности переработки ОЯТ-МОКС из-за деградации изотопного состава содержащегося в нем плутония и невозможности последующего его использования в реакторах на тепловых нейтронах.

При попытке пойти по стопам Франции и запустить свой комплекс замыкания ЯТЦ в Селлафилде Великобритания потерпела неудачу: построенный в 1997 году завод SMP (Sellafield MOX Plant) проектной мощностью 120 тТМ/год за период его эксплуатации (2001−2011 годы) произвел всего 13,8 тонны МОКС-топлива; он был закрыт после аварии на «Фукусиме-1» и потери японских заказов. В результате англичане попали в «плутониевую ловушку»: к 2014 году у них образовался крупнейший в мире — ​более 100 тонн — ​склад выделенного энергетического плутония, для утилизации которого правительство страны до сих пор не нашло приемлемого решения. Таким образом, накопленное в Великобритании количество энергетического плутония вполне сопоставимо с национальными запасами оружейного плутония, наработанного в ходе гонки вооружений как в США, так и в СССР (в соответствии с российским законодательством, весь советский оружейный плутоний является федеральной собственностью России).

Можно также отметить, что, по сообщению ­Комиссии по атомной энергии Японии (JAEC), запасы энергетического плутония внутри Японии и за рубежом к концу 2020 года составили 46,1 тонны.

Извлеченный плутоний и его использование
Точные количества оружейного плутония, имеющиеся в государствах, обладающих ядерным оружием, естественно, держатся в секрете. Существует, однако, общепринятая их оценка. Согласно ей, в мире в начале XXI века в военных арсеналах находились ~ 250 тонн оружейного плутония и сопоставимое количество выделенного энергетического плутония — ​~ 275 тонн. Следует отметить, что страны «ядерного клуба» имеют право не ставить под гарантии МАГАТЭ имеющийся у них плутоний, как выделенный, так и находящийся в составе ОЯТ.

К сожалению, в последние годы МАГАТЭ стало публиковать данные по ядерным материалам, находящимся под гарантиями Агентства, используя так называемое значимое количество (з. к.), соответствующее 8 кг плутония с содержанием изотопа ²³⁸Pu менее 20 %, которых достаточно для изготовления ядерного взрывного устройства. В этих единицах количество плутония, находящегося под гарантиями МАГАТЭ в мире, в ОЯТ составило в 2020 году 172 354 з. к., а в извлеченном виде — ​12 237 з. к. Для сравнения, по данным МАГАТЭ на 2003 год, под его гарантиями в мире в ОЯТ находилось 770,3 тонны плутония, в извлеченном состоянии — ​85,5 тонны.

Таким образом, в мире накопилось весьма солидное количество извлеченного плутония, большей частью энергетического, который продолжает храниться на складах с обеспечением необходимых мер ядерной безопасности и физической защиты.

В этой связи уместно вспомнить о «Концепции Российской Федерации по обращению с плутонием, высвобождаемым в ходе ядерного разоружения», подготовленной в 1998 году. Ее авторы исходили из возможностей использования энергетического потенциала плутония в атомно-­энергетическом комплексе страны, в том числе путем развития производств и технологий замкнутого топливного цикла. Концепция определяла принципы обращения с высвобождаемым оружейным плутонием, содержала первоочередные задачи, технические пути и способы, а также экономические условия осуществления крупномасштабной программы его использования в атомной энергетике России.

Международное сотрудничество рассматривалось как один из факторов успешной реализации этой концепции. В этой связи 2 июня 1998 года между правительствами России, Германии и Франции было заключено Соглашение о сотрудничестве в области использования в мирных целях плутония, высвобождаемого в результате демонтажа сокращаемого российского ядерного оружия. Позднее, в сентябре 2000 года, было подписано Соглашение между Россией и США об утилизации плутония, заявленного как плутоний, не являющийся более необходимым для целей обороны, обращении с ним и сотрудничестве в этой области (далее — ​"Соглашение 2000″). Оно предусматривало обязательство каждой из сторон утилизировать 34 метрические тонны оружейного плутония в качестве топлива существующих ядерных реакторов, реакторов, которые могут появиться в будущем, а также посредством иммобилизации с высокорадиоактивными отходами или любыми другими взаимосогласованными способами.

«Соглашение 2000» обеспечивало паритет как в общем количестве утилизируемого плутония оружейного качества (по 34 метрических тонны с каждой стороны), так и в количестве утилизируемого плутония в виде чистого металла (по 25 метрических тонн с каждой стороны). Предусматривалась также возможность ввода под действие этого соглашения дополнительного количества оружейного плутония, которое стороны заявят в будущем как не являющееся более необходимым для целей обороны.

Экономические оценки, проведенные российскими организациями с участием зарубежных экспертов, показали, что для осуществления полного объема работ по программе утилизации оружейного плутония с постановкой на длительное хранение полученного ОЯТ-МОКС в рамках этого соглашения в России потребовалось бы порядка $ 2 млрд. Утилизация плутония оружейного качества в реакторах ВВЭР не была приоритетным направлением развития отечественной атомной энергетики, поэтому ускоренная утилизация избыточного оружейного плутония в России могла осуществляться только на основе международного сотрудничества на беззатратной для России основе.

В этой связи были предусмотрены положения, позволяющие российской стороне не начинать строительство и модификацию установок для утилизации плутония, если не будет создан необходимый международный фонд для реализации проекта по утилизации в России плутония оружейного качества с темпом 2 метрические тонны в год. К 2007 году стало ясно, что необходимая сумма не будет собрана из международных источников. Вместе с тем, в Федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007−2010 годы и на перспективу до 2015 года» было предусмотрено финансирование из средств федерального бюджета строительства реактора БН‑800 с уран-плутониевым топливным циклом. В апреле 2010 года был подписан протокол к «Соглашению 2000», согласно которому утилизация российского избыточного плутония оружейного качества должна была осуществляться в основном в качестве топлива для строившегося реактора БН‑800.

Дальнейшее развитие событий и ухудшение отношений между Россией и США привели к тому, что 3 октября 2016 года президент России В. В. Путин подписал Указ о приостановлении «Соглашения 2000» по причине неспособности американской стороны обеспечить выполнение своих обязательств. К этому времени США фактически прекратили строительство своего МОКС-завода на площадке Саванна-­Ривер по французской технологии, затратив на него при 50 % строительной готовности более $ 4,5 млрд (для завершения требовалось, по разным оценкам, еще от $ 5 млрд до $ 12 млрд) и перейдя к проработке варианта захоронения этого плутония вместе с радиоактивными отходами в геологической формации установки WIPP (Waste Isolation Pilot Plant), находящейся в штате Нью-­Мексико, США. В последнее время появились сообщения о действиях министерства энергетики США, направленных на переформатирование недостроенного МОКС-завода в оборонный комплекс, нацеленный на переработку старых плутониевых ядерных зарядов и производство новых центральных частей («питов») для модернизации своего ядерного арсенала.

В отличие от США, Россия последовательно шла к использованию плутония в качестве топлива для реактора БН‑800 Белоярской АЭС. В июне 2015 года ФГУП «Горно-химический комбинат» получил лицензию Ростехнадзора на промышленное производство первых МОКС-ТВС для реактора БН‑800. Часть МОКС-ТВС комбинат производит из твэлов, получаемых с установки «Пакет» ФГУП «ПО „Маяк“».

Несмотря на все трудности, связанные с освоением новой технологии в стесненных условиях подземного размещения МОКС-производства, в 2020 году ФГУП «Горно-химический комбинат» получил новую лицензию на фабрикацию МОКС-топлива в проектных объемах. Оценочно для производства и поставки МОКС-топлива на Белоярскую АЭС использовано уже около четырех тонн плутония. В сентябре 2022 года реактор БН‑800 на четвертом блоке Белоярской АЭС полностью перешел на МОКС-топливо.

Перспективы обращения с плутонием
Существуют две стратегии обращения с плутонием, как находящимся в составе ОЯТ, так и извлеченным из него. Первая — ​это либо захоронение плутония в составе ОЯТ, либо иммобилизация уже извлеченного плутония с РАО и последующее его захоронение, аналогичное захоронению ОЯТ. Сторонники такого подхода полагают, что плутоний, захороненный в составе ОЯТ или иммобилизованный, представляет меньшую опасность с точки зрения возможности его использования для создания ядерного оружия. Однако очевидно, что при таком подходе энергетический потенциал плутония будет потерян навсегда, а надежность обеспечения его неизвлекаемости из хранилищ сомнительна. Объект геологического захоронения, содержащий многие тонны плутония, потребует обеспечения физической ядерной безопасности в течение неопределенного периода времени.

Вторая стратегия — ​действовать в соответствии с концептуальными положениями «Стратегии развития атомной энергетики России в первой половине XXI века», одобренной правительством России в 2000 году. Эта стратегия постоянно обновляется Росатомом. Сегодня она предполагает развитие атомной энергетики на перспективу до 2100 года через совершенствование технологии ВВЭР с постепенным переходом к двухкомпонентной ядерной энергетике. При реализации стратегии предусматривается выход на равновесное состояние уран-плутониевого цикла: произведенный плутоний будет полностью потребляться. При этом будут востребованы запасы обедненного урана: для собственных нужд России их хватит на несколько столетий.

Однако существуют препятствия, в частности, экономического характера, связанные как с инвестиционной, так и с эксплуатационной составляющими. Сегодня производство сравнительно небольших объемов МОКС-топлива, не говоря о других типах уран-плутониевого топлива, обходится дороже топлива на основе обогащенного урана. Таким образом, использование плутония для нужд атомной энергетики проблематично, пока цены на урановое топливо остаются относительно низкими.

До тех пор, пока Россия не сформировала экономически устойчивый кластер на базе серии РБН с объектами замыкания ЯТЦ, продолжать переработку ОЯТ ВВЭР и даже просто наращивать запасы выделенного энергетического плутония представляется малоцелесообразным. Вместе с тем уже сегодня можно было бы рассмотреть опцию утилизации плутония в реакторах БН‑800 и планируемом БН‑1200 с отложенной переработкой образующегося уран-плутониевого ОЯТ, тем самым существенно снижая финансовую нагрузку на эксплуатацию быстрых реакторов.

По оценкам авторов, опция отложенной на 15−20 лет переработки ОЯТ БН вполне может быть обеспечена существующими в России резервами мощностей хранения ОЯТ АЭС на объектах Росатома, а также позволит значительно снизить риски, связанные с длительным хранением десятков тонн выделенного энергетического плутония. С учетом среднего содержания плутония в МОКС-топливе РБН на уровне 20 %, такой подход позволил бы значительно сжать объемы хранящегося ОЯТ действующих АЭС, сохраняя при этом возможность последующей переработки ОЯТ РБН для извлечения требуемых объемов плутония и обеспечивая баланс выделяемого количества плутония и его потребления.