ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

том 70, №2, 2000 г., с. 117-128
На одном из заседаний Президиум РАН обсудил довольно сложную и многогранную проблему утилизации излишков оружейного плутония. О ее современном состоянии информировал собравшихся академик Ф.Г. Решетников, в свое время разработавший технологию промышленного процесса получения металлического плутония. Он же рассказал о путях решения этой проблемы, предложенных мировым научным сообществом, проанализировал, что сделано в данной области в России и за рубежом. Ниже публикуется научное сообщение Ф.Г. Решетникова и в несколько сокращенном виде материалы его обсуждения.
 

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ
ИЗБЫТОЧНОГО ОРУЖЕЙНОГО ПЛУТОНИЯ
В РОССИИ

Ф. Г. Решетников
Решетников Федор Григорьевич - академик,
советник дирекции ВНИИ неорганических материалов им. ак. А.А. Бочвара Минатома России.

Как известно, первоначально плутоний нарабатывали только для военных целей (рис. 1). Этим многие годы занимался Всесоюзный (ныне Всероссийский) научно-исследовательский институт неорганических материалов. В середине 1947 г. перед нами была поставлена задача разработать технологию получения металлического плутония. 14 апреля 1949 г. на комбинате "Маяк" ваш покорный слуга получил первый промышленный слиток плутония, который весил всего 8.7 г. А спустя четыре с половиной месяца состоялось первое успешное испытание ядерного заряда в Советском Союзе. Это было прекрасное достижение советской науки и техники.
 

238U(n, g)  Ю 239U(b, 23 мин)   Ю  239Np(b, 2.3 сут)  Ю  239Pu(a, 2.4 х 104 лет)

Рис. 1. Ядерно-физические реакции получения плутония из урана-238

Между тем плутоний наряду с ураном-235 - великолепное ядерное топливо, которое может быть использовано в ядерных реакторах практически любого назначения. К изучению плутония как ядерного топлива мы приступили во второй половине 50-х годов. На первом этапе поступали единичные заказы, в частности, в 1956 г. были сделаны твэлы из плутониевого топлива для импульсного реактора в Дубне, который работает до сих пор. Систематические исследования по единой программе начались в 1970 г.

Здесь надо остановиться на принципиально важном вопросе - концепции развития атомной энергетики. С момента становления атомной энергетики в Советском Союзе была принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла (рис. 2). Для ее реализации в 1971 г. был пущен завод по переработке отработавшего топлива производительностью до 400 т топлива в год (завод РТ-1 на комбинате "Маяк"). При переработке топлива в отдельные фракции извлекают уран, плутоний, нептуний и другие радиоактивные элементы. Извлекаемый уран после корректировки в нем содержания урана-235 снова направляется на изготовление тепловыделяющих элементов. Топливный цикл по урану у нас замкнут около 15 лет тому назад, что позволило существенно уменьшить расходы природного урана.

Рис. 2. Схема замкнутого ядерного топливного цикла

Что же касается извлекаемого плутония, то он накапливается. Сейчас его запасы превышают 30 т, и ежегодно они увеличиваются на 2-3 т. Многие годы это никого не беспокоило, так как планировалось широкое использование его в качестве ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах. В конце 70-х годов было принято постановление правительства о строительстве четырех крупных реакторов БН-800, помимо уже имевшихся реакторов БН-350 и БН-600. В БГТ-800 предусматривается использовать плутоний в смеси с обедненным ураном.

Реактор на быстрых нейтронах - это замечательное техническое сооружение. Если в реакторах на тепловых нейтронах, работающих на слабообогащенном уране, используется только около 1% энергетического потенциала природного урана, то в реакторах на быстрых нейтронах - 80-90%. В них в результате ядерно-физических реакций из обедненного урана-238 нарабатывается значительное количество плутония, который снова поступает на изготовление тепловыделяющих элементов (см. рис. 2). При этом в зависимости от конструктивных особенностей реактора и используемого топлива коэффициент воспроизводства плутония может быть существенно выше 1 и достигать значений 1.3-1.5, то есть количество нарабатываемого плутония может быть на 30-50% больше загружаемого. Еще лет 12-15 тому назад одним из основных требований к активной зоне реактора на быстрых нейтронах и топливу было обеспечение максимального коэффициента воспроизводства плутония и минимального времени удвоения - времени, в течение которого можно было бы получить из 1 т первоначально загружаемого плутония 2 т.

Время и события разного масштаба внесли принципиальные изменения в отношение к атомной энергетике и в концепцию ее развития. После аварии на Чернобыльской АЭС резко замедлились темпы развития атомной энергетики, а после распада Советского Союза было приостановлено строительство реакторов БН-800. В этот же период в результате ядерного разоружения высвободилось огромное количество оружейного плутония. На 41-й Генеральной сессии МАГАТЭ в октябре 1997 г. Россия объявила об изъятии из ядерных военных программ до 500 т высокообогащенного урана и до 50 т плутония. Это привело к тому, что проблема утилизации избыточного оружейного плутония сразу обострилась. В силу своей специфики она из научно-технической переросла в политическую проблему, в решении которой заинтересованы не только Россия и США, но и многие другие страны. Ныне ею занимаются как ученые, так и политики самого высокого уровня.

Длительные переговоры России и США по проблеме избыточного оружейного плутония привели, в частности, к тому, что наша страна взяла на себя определенные обязательства по его утилизации. Были обозначены и конкретные пути решения этой проблемы, то есть началась нормальная подготовительная работа. Но после продажи Россией США 500 т высокообогащенного урана США, видимо, окрыленные этой успешной сделкой, нечто подобное хотели сделать и с избыточным оружейным плутонием. Высказывались предложения закупить у нас плутоний под филантропическим предлогом - избавить от больших расходов по его переработке и хранению. Такие рекомендации содержатся, в частности, в докладе Института национальной обороны США, подготовленном Брайеном Г. Чоу с коллегами. В конечном итоге США преследовали одну цель -склонить Россию "уничтожить" избыточный оружейный плутоний, то есть перевести его в такую форму, которая не позволила бы использовать его ни для изготовления боеголовок, ни для производства ядерного топлива.

В нашу страну зачастили делегации из США. Одну из них, довольно представительную, возглавлял иностранный член РАН физик-ядерщик В. Пановски. На первых же встречах с американцами мы изложили свою четкую и твердую позицию, суть которой заключалась в следующем: плутоний - это замечательное ядерное топливо, которое обеспечит на многие десятилетия работу всех действующих и строящихся реакторов в России. Наша позиция стала ключевой на всех переговорах с американцами.

Для выработки согласованных предложений по проблеме утилизации избыточного оружейного плутония был образован Координационный комитет, в который вошли ученые и представители атомных ведомств России и США, в частности, директор нашего института член-корреспондент РАН М.И. Солонин и вице-президент Института атомной энергии им. И.В. Курчатова академик Н.Н. Пономарев-Степной.

В соответствии с решением Совещания по проблеме ядерной безопасности, проходившего в Москве в апреле 1996 г., была организована двусторонняя Комиссия независимых ученых-экспертов России и США, которая должна была предложить руководителям этих двух стран основополагающие рекомендации по утилизации избыточного оружейного плутония. В нее вошли пять действительных членов РАН, в том числе автор этих строк. С российской стороны комиссию возглавил академик Е.П. Велихов. В 1997 г. она завершила свою работу, выпустив Заключительный отчет по утилизации излишков оружейного плутония.

Наиболее важный итог этой работы состоит в том, что мы отстояли свою позицию в отношении к избыточному оружейному плутонию. Возможно, под нашим воздействием американцы согласились с тем, что оружейный плутоний целесообразно использовать для производства ядерного топлива. Министерство энергетики США приняло официальное решение об использовании избыточного оружейного плутония в качестве ядерного топлива и иммобилизации части плутония, главным образом отходов, в стекло или минералоподобные породы. Что касается плутония, содержащегося в различных отходах, то в этом вопросе v нас нет расхождений с американцами.

Следует заметить, что для России проблема утилизации оружейного плутония не является столь уж животрепещущей и первоочередной. Наша страна на много десятилетий обеспечена урановым топливом, которое делает атомную энергетику прибыльной и конкурентоспособной. Кроме того, в атомной энергетике имеется ряд других действительно в высшей степени актуальных задач. Однако мы не можем откладывать в долгий ящик решение этой проблемы, поскольку она чрезвычайно политизирована в международном масштабе. В настоящее время проблемой утилизации оружейного плутония занимаются также страны, его не имеющие, например Япония, или страны, вообще не имеющие никакого плутония, - Швейцария, Канада и др. Вопросы же экологии, связанные с использованием плутония, обсуждаются практически на всех международных конференциях по атомной энергетике.

Мы составили Программу утилизации избыточного оружейного плутония, охватывающую практически все разделы этой комплексной проблемы, в том числе: разборку боезарядов; разрушение активной части зарядов; защиту от коррозии извлеченного плутония для длительного егр хранения; сооружение хранилищ; создание технологии перевода оружейного плутония в ядерное топливо для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах (включая очистку его от ряда примесей); переработку отходов, содержащих плутоний (остекловывание, включение в минералоподобные композиции и т.д.), и разработку способов их захоронения на достаточно длительный период. Многие вопросы предполагается решать с финансовым участием других стран - США, Франции, Германии, Канады, что, по существу, предполагает международный контроль за проводимыми нами работами.

Наличие большого количества избыточного плутония и принятые Россией обязательства по его утилизации вынуждают нас пересмотреть направленность ряда важных работ. В частности, принципиально меняются требования к топливу для реакторов на быстрых нейтронах. Если раньше мы стремились обеспечить максимальный коэффициент воспроизводства плутония, то теперь поставлена прямо противоположная задача - свести этот коэффициент к минимуму. И такое топливо нами разрабатывается.

Но поскольку перспектива строительства реакторов на быстрых нейтронах остается пока неопределенной, большое внимание уделяется использованию плутониевого топлива в действующих легководных реакторах ВВЭР-1000. Судя по расчетам российских физиков и зарубежному опыту, в этих реакторах до 30% уранового топлива может быть заменено на плутониевое. Сейчас идут активные переговоры с Францией и Германией о сооружении с их помощью в нашей стране опытно-промышленной установки для производства такого топлива. Принято конкретное решение об изготовлении первых трех экспериментальных тепловыделяющих сборок для реакторов ВВЭР-1000 и установке их на Балаковской АЭС. Сейчас изучается вопрос, как и где их лучше изготовить.

Однако надо четко понимать, что ни разработка новых видов плутониевого топлива для реакторов на быстрых нейтронах, ни использование плутония в реакторах на тепловых нейтронах не решат проблемы утилизации избыточного, в первую очередь оружейного, плутония в ближайшие десятилетия - слишком велики его запасы при достаточно ограниченных возможностях широкого вовлечения в атомную энергетику.

На мировое сообщество большое психологическое давление оказывает сам факт, что Россия продолжает сохранять в большом количестве плутоний в такой форме, которая позволяет в любое время превратить его в ядерное оружие. В связи с этим чрезвычайно обострилась проблема долговременного хранения плутония. При ее реализации необходимо выполнить, по крайней мере, три требования, обеспечив:

Немало беспокоит США и другие страны вопрос: в какой форме оставить плутоний на длительное хранение? Имеется в виду хранение на протяжении 50 лет и более, поскольку все понимают, что раньше чем через 50 лет от избыточного оружейного плутония не избавиться.

Чтобы максимально усложнить изготовление из плутония зарядов, если его похитят террористы, конечно, лучше перевести его в трудноперерабатываемую форму. Но это, в свою очередь, чрезвычайно усложнит получение из него и ядерного топлива, что неприемлемо, ибо мы исповедуем принцип: хранить, чтобы использовать.

В конце концов мы решили хранить плутоний в металлическом виде при строгом международном контроле, в том числе и со стороны МАГАТЭ. Для этого на комбинате "Маяк" при финансовой поддержке США начато строительство хранилища для избыточного оружейного плутония. Это сложное и уникальное сооружение не имеет аналогов в мире. Хранилище должно выдержать 7-балльное землетрясение, падение самолета и прямое попадание обычного артиллерийского снаряда. Оно будет снабжено автоматизированным контролем за сохранностью плутония и автоматизированной охраной. 27 августа 1997 г. генеральный директор МАГАТЭ X. Блике посетил комбинат "Маяк", где ознакомился с ходом строительства.

Полагаю, что даже краткий и неполный перечень вопросов, которые необходимо решить, чтобы реализовать Программу утилизации избыточного оружейного плутония, позволяет представить, сколь сложна и многопланова эта проблема. Она не застала российских ученых врасплох, так как по многим вопросам у нас имеются хорошие заделы.

Мы, например, освоили различные способы получения оксидного плутониевого топлива, в первую очередь для реакторов на быстрых нейтронах; переработали около 2 т такого топлива и провели достаточно представительные испытания его в промышленных реакторах.

Ведутся исследования по созданию плутониевого топлива с минимальным содержанием урана, чтобы резко уменьшить коэффициент воспроизводства плутония.

Накоплен большой промышленный опыт переработки высокоактивных, в том числе плутониевых, отходов методом остекловывания. Для этих целей предназначен аппарат с так называемым холодным тиглем.

В то же время есть вопросы, к решению которых мы только приступаем. Как известно, для изготовления зарядов используется не чистый плутоний, а его сплав с галлием, чтобы зафиксировать дельта-фазу. Галлий очень активно взаимодействует со многими металлами. При переработке плутония в ядерное топливо галлий в каком-то количестве может перейти в топливо. Мы не знаем, как это повлияет на технологию производства топлива и на его качество, особенно на взаимодействие топлива со стальными и циркониевыми оболочками тепловыделяющих элементов. От допустимого содержания галлия в топливе зависит и выбор технологии очистки плутония от него. Это сложный и дорогой процесс. Много других вопросов ожидают своего решения.

Уровень исследований, проводимых российскими учеными, довольно высоко оценивается зарубежными специалистами. Это подтверждается многочисленными коммерческими контрактами, заключенными институтами Минатома России с США, Францией, Англией, Канадой, Японией. Многие работы получили поддержку Международного научно-технического центра. Однако совершенно иная картина предстает перед нами, как только мы переходим к практической реализации исследовательских разработок.

В мае 1999 г. я вместе с сотрудниками ВНИИ неорганических материалов участвовал в работе Международного симпозиума "Топливный цикл уран-плутониевого топлива" в Вене. На симпозиуме была представлена полная и впечатляющая информация об уровне и состоянии работ по вовлечению плутония в ядерный топливный цикл.

Большинство стран с развитой атомной энергетикой (Франция, Япония, Англия, Германия, Бельгия и др.) накопили к настоящему времени 10-летний, а некоторые из стран и 15-летний опыт разработки, производства и эксплуатации уран-плутониевого топлива в водо-водяных реакторах (типа PWR и BWR). Кроме того, Франция и Япония имеют хороший опыт использования такого топлива в реакторах на быстрых нейтронах. В настоящее время 33 реактора во Франции, Германии, Бельгии и Швейцарии работают на уран-плутониевом топливе с загрузкой до 30% от общего количества топлива. Получена лицензия на загрузку уран-плутониевого топлива еще в 10 реакторов и подана заявка на его загрузку в 12 реакторов. Высокая технология производства этого топлива и надежность его эксплуатации побуждают западные страны расширять вовлечение плутония в ядерный топливный цикл. Необходимые промышленные мощности для производства такого топлива созданы.

На этом фоне нелогичной выглядит ситуация, сложившаяся в России и особенно в США. Эти страны располагают наибольшим количеством плутония и активно обсуждают в международном масштабе проблему утилизации избыточного оружейного плутония. Однако принятые ими важные политические решения о поэтапном изъятии из военных программ примерно по 50 т плутония, который в основном должен быть использован в атомной энергетике, не подкреплены промышленными возможностями. Это положение, хотя и без акцентов, было зафиксировано на симпозиуме. Каких-либо конкретных планов или прогнозов по этому вопросу не было озвучено.

На симпозиуме в Вене в известной степени был подведен итог дискуссии о том, как наиболее рационально обращаться с избыточным оружейным плутонием. Выступления участников симпозиума свидетельствовали о правильности и обоснованности позиции, которую с самого начала заняла Россия в этом вопросе. В них, как заявил заместитель генерального директора МАГАТЭ В.М. Мурогов, не чувствовалось политической подоплеки, что тоже является важным достижением многолетней дискуссии о путях утилизации избыточного оружейного плутония.

В заключение подчеркну, что мы практически готовы к реализации Программы утилизации избыточного оружейного плутония. Каких-то труднорешаемых в научном плане проблем мы не видим. Развитие работ сдерживается отсутствием финансирования, что отмечено и в упоминавшемся мной заключительном отчете Комиссии независимых ученых-экспертов России и США. Реакции правительств этих стран пока нет.

Мы находимся, по-видимому, в режиме длительного ожидания. Тем не менее исследования проводятся, главным образом за счет средств, получаемых по контрактам с другими странами. В Минатоме России готовится ряд директивных решений, выполнение которых, как мы надеемся, позволит поставить все работы по Программе утилизации избыточного оружейного плутония на уровень, более или менее отвечающий значимости этой проблемы.

После выступления Ф.Г. Решетников ответил на вопросы.

Академик A.Л. Яншин: Как вы оцениваете реальность освоения в течение ближайшего десятилетия энергии ядерного синтеза, гораздо более безопасного для здоровья людей, чем энергия ядерного распада? Задаю вопрос потому, что в американских научных журналах, в частности в "Science", утверждается, что осталось немного времени до решения этой проблемы.

Ф.Г. Решетников: Я  и, полагаю, все присутствующие были бы в высшей степени рады, если бы названный вами 10-летний срок создания термоядерного реактора оказался реальным. Насколько я знаю (а наш институт участвует в международном проекте ИТЭР), с этим реактором связано еще много нерешенных вопросов. Дело в том, что до сих пор плазменный шнур удерживается только миллисекунды, не выбран конструкционный материал для внутренней и внешней стенок реактора. Материал должен быть таким, чтобы в нем была минимальная наведенная радиоактивность. Думаю, что в ближайшие 20-30 лет не следует ожидать прорыва в области термоядерного синтеза.

Академик Ю.А. Буслаев: Вы сказали, что есть опыт использования до 30% плутония в ядерных установках. Насколько увеличится после вовлечения 30% плутония в ядерный тепловой цикл стоимость электроэнергии, если иметь в виду не только эксплуатационные расходы, но и расходы на демонтаж, консервацию, переработку отходов?

Ф.Г. Решетников: Прежде всего замечу, что из-за ограниченности во времени я не сказал, что в Японии разрабатывается так называемый усовершенствованный реактор под давлением, в котором предполагается использовать только уран-плутониевое топливо. Теперь - о стоимости электроэнергии. Мне представляется, что этот вопрос не имеет строгого научного обоснования в Минатоме России, потому что в ряде случаев министерство затрудняется ответить, по какой же цене продавать плутоний. Он никому не нужен, более того, он создает головную боль. И на Западе стоимость плутония оценивается по-разному. Тем не менее факты свидетельствуют о безусловной экономической выгоде использования плутония в ядерном тепловом цикле.

Например, вместе с канадскими специалистами мы изучаем возможности использования плутония в реакторах "Канду", которые работают на природном уране. Каждые 6-7 месяцев в них меняют загрузку топлива, что приводит к образованию огромного количества отработавшего топлива, с которым не знают, что делать. Плутониевое топливо позволит в 5-6 раз сократить количество отработавшего топлива, что, по расчетам канадских специалистов, экономически выгодно.

Академик В.Е. Фортов: Какая схема ядерных реакторов, в которых предполагается использовать плутониевое топливо, предпочтительнее по безопасности эксплуатации?

Ф.Г. Решетников: По международным оценкам различий в поведении рабочей зоны с плутонием и без плутония практически не наблюдается. В нашей стране разрабатываются реакторы, которые должны обеспечивать безопасность эксплуатации при любых условиях. Думаю, что в ближайшее время поднятый вами вопрос не будет иметь решающего значения. Все-таки международная практика свидетельствует, что ядерные реакторы очень надежны.

Академик В.И. Субботин: По-моему, формулировка "избыточный оружейный плутоний" некорректна...

Ф.Г. Решетников: Наверное, можно признать некорректной и формулировку "быстрый реактор", но мы так говорим, это у нас привилось. В свое оправдание могу сказать: не я автор такого словосочетания, имеющего в виду плутоний, избыточный для создания ядерного оружия.

Член-корреспондент РАН А.Н. Диденко: Сейчас есть очень интересные международные программы, связанные с трансмутацией элементов, в том числе и плутония. Вы ничего не сказали о них.

Ф.Г. Решетников: Дело в том, что мы хотим использовать плутоний как энергонесущую композицию, а трансмутация ведет к "уничтожению" плутония, после чего его нельзя будет применить ни в ядерном топливном цикле, ни для создания оружия. Именно это и предлагают сделать американцы. Считаю нужным отметить, что проблемой трансмутации элементов успешно занимаются многие институты Минатома России.

Академик Ю.С. Осипов: По-видимому, количество накопленного в нашей стране плутония слишком велико. И в обозримом будущем ни в России, ни в странах Европейского союза все оно, конечно, не будет использовано. Почему же тогда хотя бы часть плутония не перевести в трудноперерабатываемые формы, чтобы его было проще хранить?

Ф.Г. Решетников: Жалко добро зарывать в землю. Повторю: оружейный плутоний во всех отношениях ценнее энергетического, который извлекается из отработанного топлива. Энергетический плутоний очень сложен по изотопному составу.

Если в оружейном содержится не менее 93.5% плутония-239, то в энергетическом, который на Западе называют цивильным плутонием, его может быть 55-60%, к тому же еще 20-24% плутония-240, а он обладает большим сечением захвата. Оружейный плутоний очень легко переработать. Для атомных электростанций России (я не для красного словца это говорю) 50 т оружейного плутония хватит на многие десятилетия, потому что, скажем, топливо для быстрого реактора включает от 18 до 25% плутония, остальное -отвальный уран. Так что если по-разумному распорядиться запасами оружейного плутония, урановые рудники можно будет закрыть на многие десятилетия.

Ю.С. Осипов: В связи с этим еще один вопрос. Во сколько примерно обходится хранение оружейного плутония, имеющегося в стране?

Ф.Г. Решетников: От 1200 долл. и более за 1 кг ежегодно. Такую оценку, в частности, дают специалисты Института национальной обороны США. После этих подсчетов они и выступили с филантропическим предложением: "Давайте мы купим у вас оружейный плутоний, тогда вы не будете расходовать деньги на его хранение". Хранить плутоний - это действительно дорогое удовольствие.

Ю.С. Осипов: Получается, что хранение 50 т оружейного плутония обойдется нам примерно в 70-100 млн. долл. ежегодно?

Ф.Г. Решетников: Возможно, хотя этими данными я не располагаю.

Ю.С. Осипов: А сколько стоит при этом, допустим, топливо, которое на базе плутония конструируется? В нашей стране, разумеется.

Ф.Г. Решетников: Я уже говорил, что Минатом России должен решить, во сколько оценивать оружейный плутоний, пока лежащий без дела. Мы рассчитываем, что будет выработана такая экономическая политика, которая не приведет к заметному удорожанию плутониевого топлива, ибо тогда атомные электростанции могут взбунтоваться и откажутся от этого топлива. Атомные станции как последний потребитель в ядерном цикле заинтересованы в получении прибыли. И каждый шаг, когда мы взвинчиваем цены (а это было недавно), встречается очень болезненно.

В обсуждении научного сообщения Ф.Г. Решетникова приняли участие академики Ю.А. Буслаев, Ю.А. Израэль, Н.П. Лаверов, В.Н. Михайлов, Б.Ф. Мясоедов, О.М. Нефедов, Ю.С. Осипов,В.И. Субботин, член-корреспондент РАН Ю.М. Полукаров.

Б.Ф. Мясоедов: Наряду с проблемой утилизации плутония существуют и другие связанные с плутонием проблемы, о которых я и хочу сказать. Речь идет прежде всего о поступлении плутония в биосферу. В результате имевших место в прошлом испытаний ядерного и термоядерного оружия, по разным подсчетам, от 5 до 10 т плутония было выброшено в атмосферу и равномерно распределено по территории всех стран Северного полушария. Содержание плутония не очень большое - от 100 до 200 Бк/м2, но оно существенно возрастает в районе расположения атомных объектов, в том числе в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС.

Казалось бы, столь несущественные концентрации плутония в биосфере не должны вызывать беспокойства. Однако огромный период полураспада плутония (24 тыс. лет), его большая мобильность, способность образовывать соединения с природными лигандами, а следовательно, эмигрировать на большие расстояния и даже попадать в пищевые цепи требуют самого пристального внимания к проблеме поведения плутония в биосфере. Под руководством Н.П. Лаверова ученые Академии наук активно ведут работы по мониторингу распространения плутония. В Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН разработан на основе люминесценции чувствительный метод одновременного определения содержания четырех наиболее опасных радионуклидов - урана, америция, нептуния и плутония.

Вторым источником поступления плутония в биосферу являются радиохимические предприятия. В результате несовершенства технологий по выделению оружейного плутония как у нас (в Челябинске, Красноярске, Томске), так и в Соединенных Штатах (в Хэмфорде) и в других странах было выброшено огромное количество радиоактивных отходов, содержащих в том числе и следы плутония. В частности, в Челябинске в настоящее время накоплено различных радиоактивных отходов с общей активностью 1 млрд. Ки. Таким образом, проблема радиоактивных отходов в ближайшем будущем становится ахиллесовой пятой атомной энергетики.

Здесь уже говорилось, что существует два метода утилизации плутония. Один связан с трансмутацией - специальный путь, который мы сегодня не обсуждали, другой - с помещением радиоактивных отходов в матрицы, имеющие большую устойчивость. В России на комбинате "Маяк" разработана уникальная технология помещения радиоактивных отходов в алюмофосфатные матрицы. В них уже включено около 250 млн. Ки радиоактивных отходов. Конечно, алюмофосфатные матрицы не совершенны, тем не менее этой технологии нет аналогов на Западе.

На мой взгляд, вырисовываются следующие важные направления в решении проблемы утилизации радиоактивных отходов, прежде всего плутония.

Во-первых, создание принципиально новых процессов переработки облученного ядерного топлива, которые бы не были связаны с выбросом в окружающую среду огромного количества радионуклидов.

Во-вторых, фракционирование радиоактивных отходов с целью выделения долгоживущих наиболее опасных изотопов плутония и трансплутониевых элементов, а также поиск оригинальных подходов к созданию матриц для их надежного включения.

В-третьих, разработка чувствительных методов определения радионуклидов, прежде всего форм их существования, которые позволят надежно предсказывать поведение плутония в объектах окружающей среды.

Ю.М. Полукаров: Как только возникла проблема создания ядерного топлива, точнее, оружейного плутония, Институт физической химии включился в разработку фундаментальных аспектов этой проблемы - адсорбции, хроматографии, а самое главное - в изучение химического состояния плутония и его комплексов, что в известной степени способствовало созданию первой технологии выделения плутония - ацетатной. В институте было открыто семивалентное состояние плутония, америция и нептуния. Результаты этих исследований позволили, применив метод хроматографии и окислительно-восстановительные процессы, существенно улучшить способ разделения америция и плутония. Это важно, поскольку, прежде чем использовать оружейный плутоний в реакторах, его необходимо очистить от примесей.

Сейчас актуальна проблема радиоактивных отходов. Собственно говоря, построить надежный реактор можно, а вот куда девать отходы, пока неясно. Естественно, наиболее перспективна иммобилизация радиоактивных изотопов, образующихся в процессе ядерного топливного цикла, с помощью либо каменного литья, либо стеклования. Однако рано или поздно каменное литье или стекло разрушаются под действием альфа-излучения плутония, америция, кюрия. Так что необходимо не только обеспечить иммобилизацию радиоактивных отходов, но и поместить эти стеклообразные или каменные продукты в штольни, оборудованные дополнительной инженерной защитой от радиоактивного излучения. Работы в этом направлении наш институт проводит совместно с Минатомом России, в основном с Всероссийским научно-исследовательским и проектным институтом "Промтехнология" и Всероссийским научно-исследовательским институтом неорганических материалов, а также Институтом геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН.

Но вышел я на трибуну Президиума РАН не для того, чтобы рассказывать о достижениях нашего института.

Перед нами стоит очень важная проблема подготовки кадров радиохимиков.

В настоящее время при выборе студентом будущей специализации не принимается во внимание значение того или иного научного направления для обороноспособности страны, определяющую роль играют финансы. В финансовом отношении обучение радиохимиков не отличается от всех остальных. В результате подготовка кадров радиохимиков происходит в столь ограниченном масштабе, что на радиохимических комбинатах скоро не окажется специалистов.

Как в медицине нельзя стать врачом без медицинского образования, так нельзя заниматься радиохимическим производством, не имея диплома по радиохимии. Между тем существует ошибочное представление о том, что радиохимия - это та же химия, только с радиоактивными элементами. Однако в отличие от обычной химии в радиохимии многие процессы, в том числе коррозионные, идут совершенно иным образом. Их изучение требует специфического подхода, учитывающего, в частности, радиолиз.

Считаю, что студенты кафедры радиохимии МГУ должны иметь определенные финансовые преимущества перед другими кафедрами, чтобы поднять престиж радиохимии. В противном случае на радиохимических комбинатах нам обеспечены свои чернобыли.

Радиохимические исследования в Институте физической химии только на 20% финансируются из госбюджета и примерно на 25%-из Российского фонда фундаментальных исследований. Финансовую поддержку нам оказывают Хэнфорд, Ливерморская национальная лаборатория, Международный научно-технический центр, Комиссариат по атомной энергетике Франции. Из этого расклада финансов можно сделать вывод о том, как относятся у нас к радиохимии. И если отношение государства не изменится, мы в скором времени, вероятно, будем пожинать печальные плоды.

В.И. Субботин: Плутоний - продукт человеческого гения, и уничтожение его будет сверхглупостью, которую наше общество может совершить.

У плутония две области применения. Плутоний-239 - бомбовый материал. В энергетике плутоний используется в реакторах на быстрых нейтронах. С 1980 г. в нашей стране около Екатеринбурга работает уникальный реактор БН-600. Подобного реактора у американцев нет, есть у французов - это "Феникс" и "Супер-Феникс". Первый - аналог нашего реактора БН-350, второй, к сожалению, функционирует с большими перебоями из-за ряда ошибок, допущенных при его создании.

Согласно полуофициальной информации, сегодня имеется 100-200 т избыточного плутония, то есть плутония, который не нужен для бомб. Как его можно использовать?

В реакторе БН-600 загрузка топлива включает 1 т оружейного плутония. Значит, 100-200 т оружейного плутония способны обеспечить работу 100-200 реакторов БН-600, то есть на их основе возможно развитие большой ядерной энергетики. Реакторы на быстрых нейтронах через наработку плутония из урана-238 будут сами обеспечивать себя плутонием. Будущее ядерной энергетики связано с уран-плутониевым топливным циклом или, может быть (не могу этого отрицать), с торий-урановым.

В реакторах на тепловых нейтронах можно сжечь только 1% природного урана, в реакторах на быстрых нейтронах - практически весь уран-238. Если 100-200 т оружейного плутония удастся запустить в большую энергетику, нам не придется добывать природный уран. Он не нужен, потому что есть обедненный уран, который никак по-другому, кроме как в реакторах на быстрых нейтронах, использующих топливо с плутониевым обогащением, нельзя сжечь. Обедненного урана накоплено гигантское количество - около 20% мировых запасов урана находится сейчас у нас в виде обедненного урана.

Плутоний, действительно, трудно хранить: ежегодно 2 долл. США тратится на хранение 1 г. Если же мы введем его в энергетический цикл, то не только не будем тратить деньги на хранение плутония, но заставим его работать на нас.

Призываю не уничтожать плутоний, а сделать все, чтобы он работал на благо общества.

Ю.С. Осипов: Хочу понять, какова цена перехода большой энергетики на реакторы на быстрых нейтронах? Специалисты прикидывали, во что это обойдется государству?

Ф.Г. Решетников: Такие исследования проводились в Физико-энергетическом институте. До недавнего времени стоимость электроэнергии, вырабатываемой реакторами на быстрых нейтронах, была в 2-2.5 раза дороже, чем стоимость электроэнергии, получаемой реакторами на тепловых нейтронах. Дело в том, что быстрые реакторы требуют больших капитальных затрат. Сейчас же, в связи с резким повышением требований безопасности реакторов, в первую очередь тепловых, их капитальная составляющая увеличилась примерно в 2 раза. Так что появились все основания утверждать, что реакторы на быстрых нейтронах экономически могут не уступать тепловым. Экономика должна быть заинтересована во все большем вовлечении в энергетику быстрых реакторов.

Ю.А. Израэль: Академик Б.Ф. Мясоедов в своем выступлении затронул проблему загрязнения плутонием биосферы. Мы должны делать все возможное, чтобы не выбрасывать в окружающую среду плутоний или трансплутониевые элементы. Но в некоторых случаях это уже произошло. Что касается глобальных выпадений плутония, связанных с ядерными взрывами, они не представляют опасности для человека, так как плутоний выбрасывался в безопасных для человека концентрациях. Опасность представляет 30-километровая зона отчуждения в районе Чернобыльской аварии. Здесь концентрация плутония выше допустимых значений. (Минздрав в свое время принял 0.1 Ки/км2 за допустимое значение плотности загрязнения земной поверхности изотопами плутония.)

Должен заметить, что принадлежащий к группе трансплутониевых элементов америций-241 в настоящее время более радиоактивен, чем плутоний-241, в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС. В результате альфа-активность здесь в ближайшие 50-70 лет не уменьшится, как многие надеялись, а увеличится примерно в 2 раза. Эта зона будет оставаться потенциально опасной до тех пор, пока мы не предпримем каких-либо кардинальных действий. Казалось бы, элементарный способ избавиться от опасности - вырыть через несколько десятков или сотен метров глубокие траншеи, в которых захоронить весь поверхностный слой земли. Но это означает, что 30-километровая зона останется практически без почвы, поскольку в Полесье почвенный слой имеет толщину около 5 см. В свое время американцы, когда уронили ядерную бомбу вблизи деревни Паломарес в Испании, собрали там всю землю и увезли к себе в Америку.

На мой взгляд, наличие плутония на поверхности почвы представляет серьезнейшую угрозу для жизни и здоровья людей в 30-километровой зоне отчуждения Чернобыльской АЭС, и хотя из нее все люди эвакуированы, решать эту проблему необходимо.

В.Н. Михайлов: Хочу внести ясность в отношение Минатома России и его Научно-технического совета к плутониевой проблеме, так как мне показалось, что человеку несведующему трудно разобраться, что же на самом деле происходит.

Эта проблема имеет три важных аспекта: научно-технический, политический и экономический. Начну с научно-технического аспекта. Плутоний был получен для того, чтобы существенно уменьшить критическую массу, обеспечивающую протекание самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой количество нейтронов, возникающих в единицу времени, равно количеству вылетающих нейтронов. Напомню, что критическая масса оружейной кондиции плутония-239 всего 10 кг против 50 кг критической массы 90-процентного урана-235. Как видим, разница существенная.

Оружейный плутоний получен с колоссальными затратами труда. Он в 4 раза дороже 90-процентного урана-235. Вот цена, которую заплатили наш народ, наша промышленность, наша наука за оружейный плутоний. Поэтому так важно сегодня найти оптимальный способ его использования.

Убежден, что в ядерном топливном цикле энергетики будущего плутоний найдет оптимальное применение. Это может быть малая энергетика - установки на 100 МВт электрической мощности. Потребность в ней очень большая не только у нас, но и в других странах.

Со странами Европейского союза, США, Канадой и Японией мы проводим широкие исследования уран-плутониевого топлива для всех типов реакторов - канальных, на легкой воде под давлением, на быстрых нейтронах. Безусловно, все эти реакторы перспективны, однако стоимость вырабатываемого ими электричества достаточно высока, причем 1 кВт • ч, полученный на реакторе на быстрых нейтронах, в 2 раза дороже по сравнению с легководным. В перспективе на ближайшие 50 лет мы рассматриваем оптимальное соотношение между реакторами на тепловых нейтронах, включая высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем и с газовой турбиной, и реакторами на быстрых нейтронах как 1:1 или 1.5:1.

Известно, что промышленный плутоний имеет достаточно большой радиационный фон. Например, 1% плутония-240 в 1 кг материала дает 104 нейтронов в секунду. Работа с промышленным плутонием, в том числе изготовление топлива, перевозка и т.д., очень сложна. Тем не менее ученые всех стран заняты разработкой научно-технических проблем ядерного топливного цикла - от получения плутониевого топлива до захоронения, иммобилизации плутония.

Перехожу ко второму аспекту - политическому. Сегодня нас стараются убедить, что ядерное разоружение реально только тогда, когда мы уничтожим избыточный оружейный плутоний. Захоронение в кристаллоподобных матрицах, так называемая иммобилизация плутония, не считается реальным ядерным разоружением, поскольку мы в удобном для хранения виде оставляем плутоний будущим поколениям. Если потребуется, они экономично извлекут его из этой кондиции.

Предлагается выжигать плутоний, и как можно быстрее. Здесь возникает вопрос экономический: нужно ли торопиться? Мы строим современное хранилище стоимостью 300 млн. долл., рассчитанное на хранение приблизительно 50 т оружейной кондиции материала в течение 50 лет. Обслуживание его обойдется недорого. Кстати, Соединенные Штаты купили у нас проектную документацию такого хранилища. Оно способно выдержать падение самолета, землетрясение силой 7 баллов в эпицентре под хранилищем. Это действительно впечатляющее сооружение.

Еще недавно Соединенные Штаты были противниками даже извлечения плутония из отработанного топлива. Дело в том, что у них открытый топливный цикл, они кладут на длительное хранение тепловыделяющие элементы в целом. Сейчас США 10% своего избыточного оружейного плутония хотят все-таки перевести в кристаллоподобные матрицы и другие материалы е тем, чтобы проверить возможность длительного хранения. Остальное количество оружейного плутония они, перенимая российский подход, планируют ввести в энергетику (например, реакторы "Канду" в Канаде).

Фактически я перешел в третьему аспекту плутониевой проблемы - экономическому. Сегодня использовать оружейный плутоний экономически невыгодно ни в каком реакторе. Надо еще найти экономически выгодный способ его применения, а пока хранить, переведя в удобную форму.

Часть плутониевого материала мы переводим в шарики массой 3-4 кг, которые помещаем в контейнеры. Однако наши финансовые возможности таковы, что при демонтаже мы не можем все детали перевести в шарик. К сожалению, только часть деталей (около 30%) мы храним в герметичных шариках, помещенных в железобетонный контейнер.

Ю.С. Осипов: А как хранят тепловыделяющие сборки американцы?

В.Н. Михайлов: Тоже в железобетонных контейнерах. Правда, наши контейнеры более миниатюрные: их характерные линейные размеры около 0.5 м, американских - 4- 5 м.

Часть плутония мы окисляем и переводим в порошкообразное состояние. Такая форма хранения наиболее удобна, потому что плутоний - живой организм, переходящий из одной фазы в другую. А фаз у него шесть. Перевод в порошок, хотя и облегчает хранение, но все же требует очень внимательного контроля за состоянием этого материала, что и предусмотрено двусторонней программой сотрудничества России и Соединенных Штатов под эгидой МАГАТЭ.

В решении плутониевой проблемы Минатом России тесно взаимодействует с Российской академией наук, возглавившей исследование научно-технических аспектов, а также с Национальной академией наук США. Это очень хороший пример сотрудничества в области мирного использования ядерной энергии.

Ю.А. Буслаев: Мне кажется, мы должны поблагодарить Федора Григорьевича Решетникова за то, что он взял на себя довольно большой труд проанализировать проблему избыточного оружейного плутония и разумно изложил ее. На меня хорошее впечатление произвело и выступление Виктора Никитовича Михайлова, продемонстрировавшее, что в поле зрения Минатома России находятся все аспекты проблемы оружейного плутония - научно-технические, политические и экономические.

О.М. Нефедов: Думаю, и научное сообщение, и его обсуждение показали, что проблема плутония очень интересна, сложна и имеет много параметров.

Хочу очень коротко остановиться на судьбе радиохимических лабораторий и радиохимических исследований, проводимых в академии, прежде всего в Институте физической химии. Институте геохимии h аналитической химии и отчасти в Институте химической физики. Эти лаборатории и создавались, и функционировали, в значительной степени ориентируясь на тематику работ Средмаша, а ныне - Минатома России. Естественно, сейчас требуется серьезное, совместное с Минатомом рассмотрение состояния и самих лабораторий, и проводимых в них исследований, необходимо принять решения по их техническому перевооружению и финансовой поддержке.

Если эти лаборатории нужны, а я полагаю, что они нужны, поскольку, хотя и возникают новые проблемы, они все же остаются в рамках радиохимической тематики, предлагаю провести под эгидой Научного совета РАН по радиохимии, который имеет межведомственный статус, рабочее совещание с обсуждением и судеб этих лабораторий, и тематики их исследований. Мне кажется это очень важным, потому что потерять кадровый состав и техническую возможность проведения современных радиохимических исследований Академии наук было бы непростительно.

Н.П. Лаверов: Прежде всего должен вам доложить, что по заданию президента РАН 30 марта 1999 г. от имени Российской академии наук я подписал с Министерством энергетики США (секретарь Б. Ричардсон) специальное соглашение о совместных работах по решению научно-технических проблем, связанных с различными аспектами развития атомной энергетики, включая утилизацию радиоактивных отходов. В этом соглашении предусмотрено 11 научно-технических направлений, одно из них касается воздействия ра диации на живые организмы. Академия наук впервые подписала широкомасштабное соглашение о сотрудничестве непосредственно с Министерством энергетики США, которое, как известно, активно работает со всеми национальными лабораториями, занятыми атомной проблематикой.

Мы сегодня рассматривали только один, но очень важный аспект атомной проблемы - использование оружейного плутония. В настоящее время мировым научным сообществом достигнуто взаимопонимание по этому вопросу: оружейный плутоний должен найти широкое применение в энергетике. В 1994 г. на заседании научного комитета НАТО обсуждалась программа "Плутоний", в которой не предусматривалось его использование в энергетике. Тогда наша делегация вместе с представителями Франции выступила с предложением расширить исследовательские работы по созданию реакторов нового поколения для использования плутония как ценного компонента ядерного топливного цикла. Это положение возобладало во всем мире.

Мы не затрагивали проблемы обращения с актинидами (в том числе и с плутонием), которые присутствуют в отработанном ядерном топливе, в отходах радиоактивных производств. К сожалению, уровень концептуальной разработки этой проблемы более низкий, чем проблемы обращения с оружейным плутонием. Думаю, Россия и США в ближайшие годы выработают единые подходы к ее решению, что очень важно, поскольку с этим связаны согласованные действия по нераспространению критических ядерных технологий и оружия.

Здесь высказывалось предположение, что природный уран скоро не нужно будет добывать. Это не так. Сегодня более 400 блоков работают на урановом топливе, и пройдет несколько десятилетий, прежде чем оружейный плутоний будет серьезно включен в ядерный топливный цикл. По сути дела должна быть создана новая энергетика, на что уйдет не менее 50 лет.

Позволю себе привести некоторые реальные данные. Все ведущие эксперты по природному урану считают, что до 2005 г. мы должны израсходовать примерно 150 тыс. т урана, из них половину из резерва, а половину - 70-75 тыс. т - придется добыть, чтобы действующие энергетические установки не встали.

Богатые месторождения дешевого природного урана есть только в Канаде и Австралии. В прошлом в СССР были разработаны и широко применялись высокотехнологичные способы подземного выщелачивания урана (без выемки руд на поверхность), благодаря чему были достигнуты высокие экономические показатели по добыче природного урана из бедных руд так называемых инфильтрационных месторождений. После распада СССР эти месторождения остались за пределами России. Между тем, согласно расчетам, в 2005 г. мы должны добыть не менее 5 тыс. т урана, что и записано в принятой правительством программе "Уран России".

Для чего нужно России такое количество урана? Дело в том, что мы строим новые ядерные блоки не только в нашей стране, но и за рубежом. Они требуют для своей работы низкообогащенного природного урана. Естественно, одних складских запасов этого сырья не хватит. Кроме того, мы продаем как природный, так и высокообога-щенный уран, и не собираемся уходить с рынка. Поэтому для нас крайне важно не потерять ресурсный потенциал добычи урана. С помощью созданных в России новых технологий мы имеем возможность в 2005-2010 гг. развернуть добычу примерно 5 тыс. т урана в год, причем добываемый нами уран будет вполне конкурентоспособен по отношению к природному урану на мировом рынке.

Не могу не сказать, что сегодня в мире широко развернулись исследования фундаментальных проблем поведения радионуклидов в различных геологических средах - почвах, илах, поверхностных и подземных водах, горных породах. Мы в этих исследованиях занимаем ведущие позиции. Академические институты и институты Минатома продолжают работы, направленные на оценку последствий ядерных аварий. Эти работы ведутся в тесном контакте с учеными Японии.

В ряде академических институтов разрабатываются высокоемкие иммобилизанты для изоляции актинидов. Поместив их в предложенные матрицы, мы сможем, когда потребуется, извлечь и вновь использовать полезные радионуклиды. Полагаю, что "уничтожать" эти дорогостоящие продукты, которые наверняка найдут применение в следующем столетии, нецелесообразно.

В заключение отмечу, что 80% отработанного ядерного топлива сейчас хранится в пристанционных бассейнах. Рано или поздно нам придется решать проблемы подъема его из бассейна, переработки или перевода на сухое хранение. Американцы собираются отработанное ядерное топливо хранить в сухом виде десятки лет. С этой целью они построили прекрасное хранилище Юкка Маунтин, однако оно пока не используется, так как не до конца разработана концепция безопасного длительного сухого хранения отработанного ядерного топлива и последующего с ним обращения. Я рад, что мы начали обсуждать вопросы утилизации отходов ядерного производства, однако пока коснулись лишь одного хорошо проработанного вопроса - обращения с оружейным плутонием. Другие более сложны, менее концептуально решены, хотя и обсуждаются ежегодно на международных конференциях и семинарах.

Ю.С. Осипов: Конечно, проблема, которую мы обсуждали, не только российская, но и мировая. Согласен, что нынешнее заседание - это первый шаг к обсуждению всего набора проблем, связанных с развитием ядерной энергетики и ядерного оружия. Академия не имеет права уклониться от такого обсуждения. К нему ее подталкивают, с одной стороны, многолетнее сотрудничество с Минатомом, с другой - политические интересы России. Полагаю, необходимо в рамках Научного совета РАН по радиохимии либо не-. скольких научных советов продолжить рассмотрение всего комплекса проблем, в том числе и на закрытых заседаниях.

Очень важный вопрос поднял Юрий Михайлович Полукаров. Исторически сложилось так, что радиохимические исследования, которые академия вела в интересах Средмаша, а затем Минатома, поддерживались самими министерствами. При их поддержке открывались специализированные лаборатории, отделы, создавались институты и, что особенно важно, осуществлялась подготовка специалистов-радиохимиков в вузах. Сейчас этого нет, и специалистов готовить становится все труднее. Между тем радиохимики нужны стране, как воздух, ведь с комбинатов народ все-таки побежал. Считаю нужным обратиться от имени Российской академии наук к министру атомной энергии и министру образования с предложением поставить перед правительством вопрос о подготовке кадров радиохимиков.

Хочу поблагодарить Федора Григорьевича Решетникова за исключительно интересный доклад и всех участников его обсуждения. Я с большим удовольствием узнал много нового для себя.

Материалы дискуссии подготовила к печати Т.В. Маврина

Послесловие: Президиум РАН счел целесообразным обратиться к руководству Минатома России и Минобразования России с письмом о необходимости подготовки специалистов в области радиохимии.

VIVOS VOCO
Апрель 2000