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