Композиція ізотопів плутонію, що накопичується в реакторі в результаті реакцій, що відбуваються в урановому паливі, залежить від ступеня вигоряння палива. З 5 основних утворилися ізотопів 2 з непарними масовими номерами - 239 Pu і 241 Pu є ращепляются, тобто здатними до ращепленію під дією теплових нейтронів. і в ринцип можуть бути використані в якості реакторного палива. Тому. якщо мова йде про можливості використання плутонію в якості реакторного палива. значення має кіль накопичено-ного 239Pu і 241Pu. Для ядерного ж зброї необхідний практично чистий 239Pu тому випромінювачі нейтронів 240Pu і 238Pu можуть спонтанно викликати "пред-початкова займання", а це призведе до істотно меншою силі вибуху атомної бомби. Тому різниця в "якості" плутонію зазвичай визначається його ізотопний склад.
Таблиця 2 - Види плутонію.
Плутоній, який використовується у вигляді реакторного палива:
Реакторний (енергетичний) плутоній:
Таким чином, при роботі атомного уранового реактора в його паливних стрижнях накопичуються різні ізотопи плутонію.
Плутоній, вироблений в паливних елементах звичайних промислових атомних реакторів, які зазнали експозиції 33000 МВт * добу / т уранового палива, має приблизно наступний ізотопний склад:
Таблиця 3 - Ізотопний склад реакторного плутонію (ступінь вигоряння 30-40 МВт * добу / кг).
Лише два з п'яти ізотопів плутонію, 239 Pu і 241 Pu, є расщепляющимися (діляться), тобто здатними до розщеплення в результаті захоплення теплових (повільних) нейтронів, і в принципі придатні для використання в якості реакторного палива. Тому, якщо мова йде про можливості використання плутонію в якості реакторного палива, важливо знати тільки кількість 239 Pu і 241 Pu, що позначається Puf від слів Pu (плутоній) і fissile (ділиться). Повний же кількість всіх ізотопів плутонію позначається Put від слова total (повний, загальний, підсумковий).
Для ядерного ж зброї бажано мати практично чистий 239 Pu, оскільки ізотопи 240 Pu і 238 Pu мимовільно випускають нейтрони, які можуть викликати т. Н. «Предковічних займання», а це призведе до істотно меншою силі вибуху атомної бомби. Тому прийнято класифікувати плутоній за "якістю" відповідно до його ізотопний склад.
Оскільки і реакторний плутоній, і плутоній більш високих сортів є сумішшю ізотопів, він в принципі придатний для використання в якості реакторного палива. Зазвичай плутоній використовується в цій якості у вигляді суміші діоксиду плутонію PuO2 з діоксидом урану UO2. Ця суміш оксидів (PuO2 + UO2), звана МОКС-паливом, зазвичай використовується в двох типах реакторів - в реакторах на швидких нейтронах (БН) і в легководних реакторах (ЛВР).
Реактор на БН може виробляти плутоній в результаті захоплення нейтронів ядрами 238 U, що знаходиться в активній зоні реактора і в навколишньому її Бланкет, в той час як плутоній (МОКС-паливо з 20-30% плутонію) "горить" в активній зоні. Такий реактор називають размножителями або брідер, оскільки він виробляє більше плутонію, ніж споживає. Сенс брідер в тому, що він підвищує ефективність використання ресурсів урану в цілих 60 разів, і він дозволяє перетворити раніше залишався без застосування 238 U в плутоній і одночасно виробляти корисну потужність. Через ці привабливих перспектив реактор на БН став з самого початку розвитку атомної промисловості її "блакитною мрією", майже «вічним двигуном».
Але, на жаль - реальність виявилася більше схожа на кошмар, ніж на прекрасний сон. Щоб розмноження було можливим, реакція поділу в реакторі на БН підтримується швидкими (високоенергетичними) нейтронами, на відміну від ЛВР, які працюють на теплових нейтронах. Оскільки немає можливості використовувати уповільнюючий охолоджувач, доводиться охолоджувати активну зону реактора на БН розплавом лужного металу, який має високу хімічну активність і реагує з вибухом з повітрям і водою.
Відзначимо далі, що розмноження плутонію відбувається не так швидко, як хотілося б: час подвоєння, тобто час, протягом якого один брідер створює достатньо плутонію для завантаження іншого такого ж реактора (40 років), значно перевищує час життя першого реактора (не більше 30 років). Це вказує на іншу ключову проблему брідер: в кінцевому підсумку для його експлуатації повинна бути створена система, що включає безліч етапів, в тому числі виділення плутонію, завантаження палива в реактори, переробка відпрацьованого палива і Бланкета.
Ці та інші технічні труднощі бридерів стали причиною неекономічності їх використання, і обидва ці недоліки - технічні складності і високі вартісні показники - призвели до того, що США і все західноєвропейські країни згорнули свої брідерної програми.
Застосування МОКС як ядерне паливо: проблеми безпеки
Із закінченням періоду «холодної війни» загроза початку світової війни із застосуванням ядерної зброї зменшилася майже до нуля. Її місце зайняла небезпека поширення ядерної зброї та застосування його що раніше не володіли їм державами або групами, що може статися в разі, якщо в їх руки потрапить високозбагачений уран або плутоній.
В даний час основна загроза безпеці в зв'язку з ядерною зброєю виникає через поширення його на країни, раніше їм не володіли. Поки лише сім держав мають ядерну зброю. Це Китай, Франція, Росія, США, Великобританія, Індія і Пакистан.
Великобританія володіє достатніми 400 ядерних боєголовок; Франція приблизно 500; Китай, ймовірно, близько 400; Індія близько 40; Пакистан приблизно 7. Можна також припускати, що Іран, Ізраїль і Північна Корея прагнуть до створення ядерної зброї.
Проте, малоймовірно, що будь-якій країні вдасться увійти в клуб ядерний держав протягом найближчих 10-15 років. Протягом цього періоду відбудеться широке поширення атомних технологій, орієнтованих на мирне застосування (але які можна використовувати для розвитку військових програм). Одночасно відбуватиметься поширення технології створення балістичних ракет. Небезпечне поєднання! Коли це станеться (а можна побоюватися, що це трапиться приблизно через 10-15 років), поширення ядерної зброї може піти швидкими темпами.
Зараз значна увага приділяється діяльності ядерних держав щодо модернізації їх ядерних озброєнь ( «вертикальна гонка озброєнь»). Однак не слід недооцінювати небезпеку, які таїть у собі потрапляння ядерної зброї в розпорядження держав, раніше його не мали ( «горизонтальна гонка озброєнь»), оскільки це створює загрозу застосування ядерної зброї в майбутніх військових конфліктах.
Набуття будь-якої державою статусу ядерної буде дестабілізувати обстановку в відповідному регіоні. Більш того, одна лише можливість такого набуття завдає шкоди безпеці, змушуючи країни-сусіди напружувати сили, щоб не відстати від лідера. Наприклад, якщо Японія почне працювати над створенням ядерної зброї, Північна і Південна Кореї будуть схильні зробити те ж, а Китай, ймовірно, займеться нарощуванням ядерних арсеналів.
Здається малоймовірним, що уряду будуть приймати політичні рішення про створення ядерної зброї в найближчий час, зате ризик потрапляння ядерної зброї до рук терористів все зростає. Ця небезпека вже стала більш актуальною, ніж загроза світової ядерної війни, по крайней мере, в найближчій і середньостроковій перспективі.
Терористи незмінно прагнуть до нанесення якомога більшої шкоди. Від звичних спроб вибуху літаків вони переходять до більш серйозних дій, таким як атака з використанням нервово-паралітичного газу в Токіо. Цей приклад показує, що лідери терористичних угруповань не зупиняються перед застосуванням сучасної зброї масового знищення - в даному випадку хімічного. Ядерна зброя може стати наступним у цьому ланцюзі.
Використання МОКС як паливо для ядерних реакторів з наступним виділенням плутонію з відпрацьованих паливних елементів різко збільшує небезпеку потрапляння матеріалів, що діляться, придатних для виготовлення ядерної зброї, в руки агресивно налаштованих держав і терористів. У простій атомну бомбу вся енергія вибуху виникає за рахунок реакції поділу ядер.
Нижче описано пристрій плутонієвої атомної бомби імплозіонного типу. Ті, кому вдасться її виготовити, можуть бути впевнені в тому, що вона спрацює - їм не потрібно проводити випробувань, так що виготовлення і подальше розміщення вибухового пристрою можна буде здійснити в таємниці.