Младшие актиниды позволят защитить ВВЭР-1000 от распространенческих угроз

Возможно ли создать такие реакторные системы, которые были бы технологическим путём полностью защищены от угрозы распространения? В атомном экспертном сообществе многие полагают, что ответ на такой вопрос станет отрицательным. Однако у технических методов по-прежнему сохраняется немало сторонников.

Образующийся в реакторном ОЯТ плутоний может стать непригодным для использования в военных целях, если в его составе будет повышено содержание изотопа ²³⁸Pu. Этот изотоп, как известно, подвержен α-распаду с периодом 87,74 года, а также имеет высокие показатели спонтанного деления, что существенно осложняет задачу по созданию ядерного оружия.

Выход нейтронов при спонтанном делении ²³⁸Pu составляет 2,6 млн н/кг/с. Теплота, выделяемая при α-распаде этого изотопа, равняется 560 Вт/кг.

Одним из способов увеличения концентрации изотопа ²³⁸Pu в ОЯТ является введение в свежее топливо младших актинидов, в особенности, нептуния и америция. На отдельных изотопах названных элементов под действием нейтронного потока происходят ядерные реакции, приводящие к накоплению ²³⁸Pu.

²³⁷Np (n,γ) ²³⁸Np (β^-) ²³⁸Pu

²⁴¹Am (n,γ) ²⁴²Am (β^-) ²⁴²Cm (α) ²³⁸Pu

Для реакции (n,γ) на ²⁴¹Am указан один из возможных каналов с наибольшей вероятностью. Другим каналом, который не приводит к получению ²³⁸Pu, является образование метастабильного изотопа ^242mAm.

Для повышения устойчивости к распространению легководных реакторов на тепловых нейтронах, Грей С. Чанг из национальной лаборатории Айдахо предлагает вернуться к давней идее об использовании младших актинидов в свежем топливе в качестве выгорающего поглотителя. В этом случае, помимо повышения доли ²³⁸Pu в плутониевом векторе, актинидная добавка способна улучшить эффективность топливоиспользования в легководных реакторах.

В работе американского учёного, представленной в 2007 году на ядерной конференции в Стамбуле, приводятся результаты нейтронно-физических расчётов реактора ВВЭР-1000 с урановым оксидным топливом для различных типов выгорающих поглотителей - гадолиния, нептуния и америция. Вычисления производились с помощью компьютерного кода MCWO - комбинации из программ MCNP и ORIGEN - верифицированного в национальной лаборатории Айдахо для расчётов реакторов нового поколения.

По мнению Чанга, америций в ВВЭР-1000 станет наилучшим выбором материала для выгорающих поглотителей. Введение этого элемента в состав свежего топлива позволяет обеспечить наименьшее изменение реактивности в ходе кампании среди рассмотренных вариантов, причём на первом отрезке кампании - до глубин выгорания порядка 20 ГВт×сут/т - реактивность будет оставаться практически постоянной.

Доля ²⁴⁰Pu в реакторном плутонии понизится на несколько процентов при наличии в свежем топливе нептуния или америция. Однако Чанг не видит в этом большой проблемы. Дело в том, что одновременно резко возрастёт доля ²³⁸Pu - до 10-15% при различных композициях выгорающих поглотителей.

Это сделает накопленный плутоний малопригодным для военного применения - ведь, по известной оценке Кесслера, плутоний, в котором содержится 6% и более ²³⁸Pu может считаться столь же защищённым от угрозы распространения, как и уран с обогащением ниже 20%.

Однако процесс получения в ядерном реакторе ²³⁸Pu из ²⁴¹Am реализуется с некоторой задержкой. Ответственность за это несёт изотоп ²⁴²Cm, период полураспада которого составляет 162,8 суток. На практике это означает, что при малых выгораниях - до 2-4 ГВт×сут/т - образовавшиеся в топливе небольшие массы плутония будут представлять по своему качеству лакомый кусок для военных.

Закрыть образовавшуюся лазейку Чанг предлагает путём добавки к америцию некоторого количества нептуния, на котором получение ²³⁸Pu происходит буквально за считанные дни, так как период полураспада изотопа ²³⁸Np равняется всего лишь 2,117 суткам.

Конечно, у топлива, представляющего собой смесь урана и младших актинидов, имеются важные недостатки, для устранения которых потребуются новые инженерные и организационные решения. Так, в подобном топливе будет наблюдаться повышенное образование гелия вследствие α-распадов, а его зарубежные поставки могут быть осложнены тем обстоятельством, что нептуний входит в число особо контролируемых ядерных материалов.

Но Чанг полагает, тем не менее, что использование нептуния и америция в качестве выгорающего поглотителя для уранового топлива ВВЭР-1000 позволит обеспечить достижение больших глубин выгорания и сделает получаемое ОЯТ существенно устойчивее к угрозам распространения.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 23.03.2008

Темы: ОЯТ, США, Младшие актиниды, Нераспространение, Наука