Плутоний. Радиоактивность плутония
Обновлено: 27.04.2024
Сегодня многим известно имя Марии Кюри, которая впервые открыла радиоактивность. Мадам Кюри в XIX веке сделала свои открытия совместно с коллегами, тем не менее ее имя навсегда осталось в истории как символ женского начала в науке, ведь она является первой женщиной — Нобелевским лауреатом. Мария Склодовская-Кюри стала основоположником женской традиции в изучении радиоактивности: начиная с XIX-XX века и по сей день эта область исследований остается очень востребованной среди женщин. Изучением радиоактивности в XX веке занималась целая плеяда ученых, среди них Ирен Жолио-Кюри, Лиза Мейтнер, а также представительницы русской научной школы: Зинаида Ершова, Лидия Тимофеева и многие другие.
Недавно нам удалось побеседовать со специалистом, которая изучает радиоактивность в стенах МГУ им.М.В. Ломоносова, — Анной Романчук.
Анна Романчук — старший научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, кандидат химических наук, лауреат программы L’Oreal-UNESCO «Для женщин в науке», ученый-радиохимик, специалист в области химического поведения актинидов, методов обращения с радиоактивными отходами и реабилитации загрязненных территорий. Работа Анны связана с плутонием и его поведением в окружающей среде. Помимо радиохимии, в её работе активно используются навыки аналитической химии, множество современных методов исследования материалов, геохимии и компьютерного моделирования.
В беседе с "Научной Россией" Анна Романчук рассказала о женщинах, изучающих радиоактивность, об интересных свойствах плутония и о том, как химики способны помочь окружающей среде.
Анна Юрьевна, вы работаете с одним из самых токсичных и сложных химических элементов — плутонием. Чем вас привлекло это направление?
Можно сказать, что с плутонием я столкнулась случайно. На первом курсе МГУ меня направили на кафедру радиохимии, и моя научная руководительница предложила тему, связанную с плутонием. Эта тема меня увлекла, потому что плутоний действительно очень интересный и загадочный химический элемент. С точки зрения химических свойств он особенно интересен. Множество загадок, с которыми я столкнулась тогда, на первом курсе, до сих пор остаются нераскрытыми, и это меня удерживает вместе с плутонием. Примечательно, что у него много степеней окисления, и он легко переходит между ними, и все процессы, в которые вступает плутоний, так или иначе осложнены окислительно-восстановительными реакциями. То, с чего я начала, а именно: изучала взаимодействие плутония с различными минералами (оксиды железа, оксиды титана, глинистые минералы и так далее), до сих пор до конца не изучено. Так по-прежнему и непонятно, почему при сорбции, например, на оксидах железа, плутоний восстанавливается.
Плутоний привлекает не только своими особенными химическими свойствами, но и тем, что занимаясь его изучением, можно найти выход на практическое применение, например, в вопросах экологии, связанных с безопасным захоронением радиоактивных отходов и обращением с ними, а также реабилитацией загрязненных радионуклидами территорий.
Экологические вопросы с детства меня волновали. Сейчас мы изучаем взаимодействие плутония с компонентами окружающей среды. Мы хотим понять механизмы реакций на молекулярном уровне, что в будущем поможет сформировать новые научно-обоснованные подходы к вопросу захоронения радиоактивных отходов и реабилитации загрязненных территорий.
Правда ли, что в природе нет плутония и его получают искусственно?
Да, сейчас это так. Когда-то очень давно, когда наша планета только зародилась, плутоний существовал в природе, но поскольку это всё — изотопы с периодом полураспада, меньшим возраста Земли, то в момент появления человека плутония уже не осталось. Поэтому в 1940-х годах люди можно сказать заново открыли плутоний и начали его нарабатывать в больших количествах. Весь тот плутоний, который есть сегодня, был создан человеком.
А где применяют плутоний?
Плутоний получают в ядерных реакторах, а основное его применение — это ядерно-топливный цикл. Сейчас в некоторых странах, и в России в том числе, процедура выглядит следующим образом: есть урановое топливо, которое загружают в реактор АЭС, в результате там нарабатывается плутоний, и этот плутоний можно повторно использовать для производства электрической энергии, а не захоранивать сразу. Для этого уже нужны специальные реакторы на быстрых нейтронах. Всё это позволяет продлить жизнь атомной энергетики, поскольку если делать станции только на обогащённом уране, то он когда-то может закончиться. А если же мы будем использовать и плутоний в ядерно-топливном цикле, то такая ядерная энергетика будет функционировать значительно дольше. Также нельзя не упомянуть, что плутоний используется и в качестве оружия — как основной компонент атомной бомбы. Кроме того, его применяют и в топливных элементах для космических кораблей.
Какие средства защиты вы используете при работе в лаборатории?
Сейчас любые работы, связанные с радиоактивностью, очень тщательно контролируются. Если во времена Марии Кюри за этим никто не следил, то сегодня есть контролирующие организации. Наша лаборатория соответствует всем параметрам безопасности, хотя, конечно, любая химическая лаборатория несет в себе потенциальную угрозу и необходимо соблюдение правил техники безопасности. Наша техника безопасности — аккуратная работа в перчатках, халатах, специальных очках. Если нужно, то используем и свинцовую защиту. Говоря о соприкосновении с плутонием: на самом деле он не имеет высоких дозовых нагрузок, даже если попадет на кожу без порезов, то его можно быстро смыть, главное — не допустить попадание плутония внутрь организма.
Из книги "Плутоний в девичьих руках": "Химическую технологию выделения плутония из облученных урановых блоков и очистку плутония до спектральночистого состояния, в основном, на своих плечах вынесли женщины, молодые девушки. При этом надо сказать, что на химиках лежала самая неблагодарная, самая вредная и "грязная" промежуточная работа".
К слову о мадам Кюри, которую прозвали "радиоактивной женщиной", а много ли таких "радиоактивных женщин" в современной науке? Насколько сейчас это направление интересно для молодых ученых?
Радиохимия — это очень интересная область. Марию Кюри можно смело назвать нашей проматерью, ее открытия задали тон всей последующей науке. Потом была ее дочь, Ирен Жолио-Кюри, которая получила Нобелевскую премию. Была также Лиза Мейтнер, которая тоже должна была получить Нобелевскую премию. Была очень сильная советская школа женщин, исследовавших радиоактивность. Есть даже книга, посвященная подвигу женщин-ученых, работавших с плутонием в советские годы, книга называется "Плутоний в девичьих руках". В советские времена в Озерске (Челябинская область) шла работа над первой атомной бомбой, мужчин не хватало, и на этом первом предприятии под названием "Маяк" трудились молодые девушки, они внесли гигантский вклад в разработку технологий выделения плутония. Интерес к исследованию радиоактивности не утихает и по сей день, многие женщины посвящают свою жизнь именно этой области науки. Даже сейчас, если вы зайдете к нам в лабораторию радиохимии, то увидите, как много у нас девушек.
Анна Юрьевна, с какими трудностями в работе, на ваш взгляд, чаще всего приходится сталкиваться женщинам-ученым?
Я никогда не сталкивалась с проблемами, связанными с тем, что я женщина. Но возможно, мне просто повезло. У нас здесь хороший коллектив и начальник, который не делает никакого различия между тем, мужчина ты или женщина. Есть иногда нехватка физической силы, потому что в лаборатории бывают ситуации, когда нужно что-то тяжелое поднять, перенести, сдвинуть и т.д. Но мужчины всегда нам помогают.
Сейчас в Москве активно обсуждают Юго-Восточную хорду, которую планируется построить на месте так называемого радиоактивного могильника — на склоне Москва-реки, рядом с ЖД-платформой Москворечье-Сабурово, где, как утверждают экоактивисты, сохранились опасные залежи ядерных отходов (тория и урана) Московского завода полиметаллов. Экологи очень обеспокоены этой ситуацией, а что вы думаете об этом?
Мой начальник Степан Николаевич Калмыков уже давал журналистам большое интервью по этой теме, в принципе мне особо нечего добавить. Я не обладаю какими-то особенными сведениями по этой теме. Не думаю, что нужно раздувать большую панику в этой ситуации: если есть какая-то проблема, какое-то загрязнение, то это вполне решаемо. В России сейчас есть много методов и специализированных организаций, которые занимаются такими вопросами. Сейчас много технологий по очистке подобных объектов. Например, можно установить защитный барьер, предотвращающий распространение ядерных нуклидов, если грунт нельзя трогать. А если можно — то этот грунт могут вывезти и переместить в соответствующее хранилище, которые на территории нашей страны имеются. Или, может быть, получится провести реагентную обработку, когда грунт обрабатывают реагентами и смывают радионуклиды. Методов много. Если есть загрязненный объект, то его нужно реабилитировать, довести до состояния безопасного, а потом уже производить там строительство. По реабилитации загрязненных ядерными отходами территорий Россия занимает лидирующие позиции в мире, все технологии у нас имеются, не думаю, что это представляет большую проблему для специалистов.
Много ли в России потенциально опасных для человека объектов, связанных с радиоактивностью?
Наша страна активно вела разработку ядерного оружия, начиная с советских времен. Конечно в России есть такие объекты, но они все соответствующим образом помечены. На реально опасный объект не может быть бесконтрольного доступа третьих лиц. Я была на некоторых таких площадках, и там все очень строго охраняется. Сейчас законодательство в этой области достаточно жесткое, и в России оно не мягче, чем в остальных странах.
Примечание: В этом году химикам впервые удалось получить стабильное соединение пятивалентного плутония. Сотрудники кафедры радиохимии химического факультета МГУ совместно с европейскими коллегами обнаружили никогда не встречавшееся ранее соединение пятивалентного плутония. Эта фаза оказалась стабильной, и теперь ученые смогут учитывать ее при проведении теоретических расчетов и экспериментов. Статья об этом опубликована в журнале Angewandte Chemie.
Плутоний
Плутоний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).
В таблице справа приведены основные свойства α-Pu — основной аллотропной модификации плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.
История плутония
Изотоп плутония 238 Pu был впервые искусственно получен 23 февраля 1941 года группой американских ученых во главе с Гленном Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.
Нахождение плутония в природе
В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний ( 239 Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4—15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Происхождение названия плутоний
В 1930 году астрономический мир был взбудоражен замечательной новостью: открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл, астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля.
Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США). Планету назвали Плутоном. По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием 94-й элемент, искусственно полученный в конце 1940 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.
Физические свойства плутония
Существует 15 изотопов плутония — В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:
238 Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234 U,
Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.
239 Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235 U,
Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.
240 Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236 U, 241 Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241 Am, 242 Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238 U
Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.
Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются. Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая. Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).
Применение плутония
Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»).
Биологическая роль плутония
Плутоний высокотоксичен; ПДК для 239 Pu в открытых водоемах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3*10 −5 Бк/л. Большинство изотопов плутония обладают высокой величиной плотности ионизации и малой длиной пробега частиц, поэтому его токсичность обусловлена не столько его химическими свойствами (вероятно, в этом отношении плутоний токсичен не более, чем другие тяжелые металлы), сколько ионизирующим действием на окружающие ткани организма. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В организме плутоний производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезенке, почках, вызывает рак. Максимально допустимое содержание плутония в организме не должно превышать десятых долей микрограмма.
Художественные произведения связанные с темой плутоний
— Из плутония состоял заряд атомной бомбы, взорванной террористами в Денвере, США, в произведении Тома Клэнси «Все страхи мира»
— Кэндзабуро Оэ «Записки пинчранера»
— В 2006 году компанией «Beacon Pictures» был выпущен фильм «Плутоний-239» ( «Pu-239» )
Плутоний. Радиоактивность плутония
ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ:
Заявляют, что плутоний является "самым токсичным веществом на земле" и настолько опасен, что "даже пятнышко от него может убить". Мы подтверждаем, что плутоний токсичен, и поэтому работы с ним могут проводить только высококвалифицированные специалисты. Токсические свойства плутония проявляются как следствие альфа-радиоактивности. Плутоний по степени радиационной опасности относится к группе А (радионуклиды с минимально значимой активностью 10 3 Бк), к которой принадлежат такие радионуклиды, как 229 Th, 232 U, 231 Ra, U природный, Th природный. Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред.
Нельзя провести прямое сравнение плутония с токсичными веществами, так как эффект вдыхания плутония увеличил бы вероятность возникновения рака в течение нескольких лет, в то время как большинство других токсинов приводят к немедленной смерти. Самые наглядные сопоставления токсинов, например, грамм против грамма, доказывают, что рицин, некоторые яды змей и цианистый калий значительно более токсичны, чем плутоний. Стоит учесть и то, что все чистящие и моющие вещества, которые есть на любой кухне, тоже токсичны, если мы станем поглощать их внутрь. Токсичны и некоторые из продуктов, которые производятся из зерновых культур.
Дополнительная информация:
Плутоний-239 имеет период полураспада 24 100 лет. То есть он радиоактивен в течение очень долгого времени. Он испускает радиоактивность в виде альфа-частиц, которые обладают слабой проникающей способностью и не могут, например, проникать через кожу человека. Радиация, испускаемая долгоживущими изотопами, менее опасна, чем радиация от коротко живущих изотопов. Радиоизотоп с большим периодом полураспада типа урана-238 (период полураспада - 4,5 миллиарда лет) испускает радиацию с низкой скоростью в геологическом масштабе времени. Радиоизотоп с малым периодом полураспада, типа радона-222 (период полураспада - 3,82 дня), испускает радиацию гораздо быстрее, но в течение более короткого времени.
Оружейный плутоний. В недавно рассекреченных документах (WASH-1037, "Введение в ядерное оружие", июнь 1972) указывается, что обозначение плутония как "оружейной чистоты" - исключительно экономический вопрос. С одной стороны, стоимость плутония падает с ростом доли Pu-240. С другой - Pu-240 увеличивает критическую массу.
Если мы рассмотрим риск здоровью человека при облучении плутонием, то надо отметить, что даже прием его внутрь не представляет большой опасности, потому что плутоний, проходя через желудочно-кишечный тракт, плохо поглощается и выводится из организма прежде, чем может нанести вред. Плутоний несложно хранить и достаточно просто изолировать от окружающей среды из-за слабой проникающей способности испускаемой им радиации. Однако, очевидный риск здоровью существует при вдыхании плутония. Хотя, очень трудно создать воздушную дисперсию тяжелого металла, подобного плутонию, некоторые химические соединения, включающие нерастворимую окись плутония размером частиц меньше 10 микрон, представляют потенциальную опасность.
Большая часть этого вещества при вдыхании тут же перемещается слизистым потоком из бронхиальной системы в желудочно-кишечный тракт, подобно любому веществу, состоящему из мелких частиц. Однако, некоторая часть плутония будет все же захвачена организмом и сразу же попадет сначала в кровяную систему или в систему лимфы, а позже - в другие части тела, особенно в печень и кости. Именно здесь альфа-излучение поглощенного плутония может, в конечном счете, вызвать рак. Однако, опасность, исходящая от плутония, подобна опасности от любых других радионуклидов, испускающих альфа-излучение при попадании их внутрь организма при вдыхании. Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, т.о. концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония. Плутоний потенциально менее опасен, чем короткоживущие изотопы, которые, следовательно, являются более радиоактивными. Например, дочерние продукты распада газа радона, который (хотя и в низких концентрациях) широко распространен в окружающей среде.
Плутоний: опаснейший из всех
Плутоний, побочный продукт технологии ядерного распада, является одним из наиболее смертоносных веществ, когда-либо созданных человеком, поскольку он - одно из самых токсичных веществ на Земле, а также потому, что он может быть использован для производства ядерного оружия - поэтому плутониевые реакторы являются чрезвычайно опасным способом получения энергии. (Реакторы для производства энергии на основе плутония сначала разрабатывались в США, Великобритании, Франции, России и Германии, а сейчас разрабатываются в Японии). Этот элемент зловеще заявил о себе в Аламогордо, штат Нью-Мексико, когда 16 июля 1945 г. впервые была испытана плутониевая бомба. 6 августа 1945 года правительство США взорвало атомную урановую бомбу над Хиросимой, при этом мгновенно погибло свыше ста тысяч человек. Через три дня, 9 августа 1945 года, вторая, плутониевая, бомба разрушила город Нагасаки, в одно мгновение убив около семидесяти тысяч человек. Многие тысячи людей умерли с тех пор от последствий радиоактивного заражения.
В сущности, все атомные реакторы (и на основе урана, и на основе плутония) вырабатывают отходы, содержащие плутоний, а также другие радиоактивные вещества, которые могут быть использованы для производства атомной бомбы. Таким образом, любая страна, обладающая атомной энергетикой, потенциально является ядерной державой.
Как сделать бомбу - больше не секрет. Самое трудное в том, чтобы сделать ядерное оружие, - это добыть плутоний. Четыре пятых запасов плутония в мире произведено на коммерческих атомных реакторах. Такое широкое распространение плутония благодаря атомной энергетике увеличило количество потенциально ядерных держав до 44. Пять "продекларированных" ядерных держав - Россия, США, Великобритания, Франция и Китай - составляют лишь одну девятую часть реально существующего "ядерного клуба".
Япония, например, становится обладателем одного из крупнейших в мире запасов "мирного" плутония, отправляя свое отработанное топливо через полсвета во Францию и Великобританию для переработки в плутоний. Таким образом, Япония обладает реальной возможностью стать ведущей ядерной державой в весьма короткий срок. К тому же Япония строит грандиозный Центр по переработке ядерного топлива в Роккашо Вилидж в Северном Хонсю. Этот универсальный ядерный "заповедник" уже включает (с осени 1996 г.) заводы по обогащению урана и хранилище для высокои низкорадиоактивных отходов. Кроме того, Япония планирует здесь завершение строительства завода по производству плутония к концу этого столетия. Жители окружающих деревень борются за прекращение строительства этого предприятия более двенадцати лет, но почти безуспешно.
Другие страны, которые пытались разрабатывать коммерческие энергетические реакторы на основе быстрых нейтронов (Fast Breeder Reactors - FBR), включая США, Великобританию и Германию, отказались от них. Только Франция еще пытается ремонтировать неработающий после аварии FBR "Суперфеникс". Тем не менее, обнадеживает, что в октябре 1996 года французские экономические аналитики начали публично критиковать проект за непомерные финансовые расходы, называя FBR "великим банкротством 60 млрд. франков" (12 млрд. долларов США) и рекомендуя серьезно рассмотреть полное закрытие "Суперфеникса" до того, как будут израсходованы новые миллиарды.
Японский прототип FBR Мондзю был запущен в эксплуатацию в 1994 г. Однако землетрясение в Кобэ в январе 1995 г., видимо, послужило причиной повреждений нескольких трубопроводов в находившемся на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения реакторе Мондзю. Реактор не работал с апреля 1995 года. Многие в Японии теперь усомнились в безопасности их новой плутониевой энергетической программы.
Кроме того, переработка использованного реакторного топлива создает высокорадиоактивные отходы. Даже по оценкам самой атомной индустрии, количество отходов, требующих долговременной изоляции от окружающей среды, возросло примерно на порядок (в 10 раз) в результате подобной переработки.
И, наконец, все атомные реакторы и места хранения радиоактивных материалов могут быть столь же опасными, как и взрывы ядерного оружия. Если они подвергнутся актам терроризма, саботажа или бомбардировке, они могут стать источниками заражения радиоактивными веществами, в том числе опаснейшим из них, плутонием, в катастрофических масштабах.
Также читайте в номере № 11 (15) ноябрь 2001 года:
Фирма НКПФ "Ресурс" работает на рынке с 1992 года. О том, как развивался рынок и как вместе с ним развивалась фирма, наш корреспондент беседует с заместителем директора НПКФ "Ресурс" Вячеславом Смирновым. - Вячеслав Викторович, ваше предприяти�.
Hа состоявшемся в Златоусте общем внеочередном собрании акционеров Златоустовского завода металлоконструкций акционеры досрочно прекратили полномочия совета директоров предприятия и избрали его новый состав. Новым председателем сове�.
Несмотря на рост выработки электроэнергии, финансовое положение российских атомных электростанций остается неустойчивым. К такому выводу пришла Счетная палата РФ, рассмотрев на коллегии результаты проверки состояния и развития атомной �.
В территориальных водах Великобритании строятся ветроэлектростанции Crown Estate (владение короны), землевладелец морского дна в пределах территориальных вод Соединённого Королевства, предоставляет заинтересованным частным компаниям разреш.
Как сообщает ИАА "РегионИнформ-Пермь" со ссылкой на "КомпаньONline", на состоявшемся в Москве очередном заседании совета директоров АО "Пермские моторы" генеральный директор Виктор Кобелев был отстранен от занимаемой должности. Вместо него ге�.
Плутоний. Радиоактивность плутония
Давайте попытаемся разобраться, что из сведений о плутонии соответствует действительности.
ПОЛУЧЕНИЕ Pu И ЕГО НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
В 1940 г. американскими учеными Г.Сиборгом, Дж.Кеннеди и А.Валем был открыт 238 Pu. Весной 1941 г. Сиборг с сотрудниками обнаружили и впервые выделили четверть микрограмма 239 Pu после распада 239 Np, образовавшегося при облучении 238 U нейтронами. Вслед за ураном и нептунием новый элемент получил свое имя в честь открытой в 1930 г. планеты Плутон. (В греческой мифологии Плутон, он же Аид, - бог царства мертвых.)
На ядерные исследования и создание атомной промышленности в США, как позднее и в СССР, были брошены огромные силы и средства. В короткий срок были изучены ядерные и физико-химические свойства плутония, организованы его реакторное производство и химико-металлургическая переработка. В июле 1945 г. взорвали первую американскую плутониевую бомбу [2].
Работы по созданию ядерного оружия в СССР развернулись ударными темпами сразу после войны. Первые эксперименты с "импульсными" количествами плутония и нептуния были начаты в Ленинграде и Москве в 1944 - 1945 гг., в 1947 г. технология получения плутония была отработана на опытной установке в Москве, а зимой 1948/49 года на заводе Б комбината № 817 (теперь ПО "Маяк") получили первый промышленный плутоний [3].
Плутония в природе практически не было, пока США, а потом СССР и другие ядерные державы не создали атомную бомбу и не начали проводить испытания на земле, в атмосфере и на море. За счет несовершенных технологий переработки плутоний попал в окружающую среду в местах расположения ядерных производств США, СССР, Великобритании и других стран. По оценкам Комитета по окружающей среде ООН, около 3.9 т суммы изотопов 239 Pu и 240 Pu выпало на земную поверхность.
При тщательном изучении в руде богатых урановых месторождений плутоний все-таки обнаруживается, хотя и в ничтожно малой концентрации. Можно вспомнить и такой природный источник плутония, как ядерный реактор в Окло (Африка), действовавший в естественных условиях многие миллионы лет назад на богатейшем урановом месторождении и нарабатывавший плутоний, в те далекие годы никому ненужный и позднее благополучно распавшийся.
Наконец, плутоний образуется из урана при действии всепроникающих космических лучей. Уран на нашей планете был всегда, причем раньше его было гораздо больше - значительная часть за прошедшие миллиарды лет распалась. В малых количествах уран рассеян везде: в гранитах, фосфоритах, апатитах, морской воде, почве и т.д., так что говорить об абсолютной чужеродности плутония для биосферы не вполне корректно.
Важно подчеркнуть, что в настоящее время ученые могут достаточно быстро и точно определить присутствие радиоактивных элементов в воде, почве, растениях. Сделать это гораздо проще, чем измерить в природных объектах высокие концентрации токсичных органических веществ или тяжелых металлов (ртути, таллия, свинца или кадмия). В такой ситуации, конечно, легче "искать под фонарем" и обвинять радиоактивность вообще, и атомщиков в частности, в возникновении экологических проблем. Исследовать же действительные причинно-следственные связи воздействия промышленности на состояние природы - хлопотное, а зачастую и весьма неблагодарное занятие.
Токсичность плутония связана прежде всего с его радиологическими свойствами - при попадании Pu в организм происходит облучение альфа-частицами тех тканей, где он "застрял". Это потенциально чревато возникновением онкологических заболеваний. Химическая токсичность плутония несопоставима с радиологической. Если радиологическую токсичность 238 U принять за единицу, этот же показатель для плутония и некоторых других элементов образует ряд:
235 U 1.6 - 239 Pu 5.0 - 241 Am 3.2 - 90 Sr 4.8 - 226 Ra 3.0
Критерием выбрана предельно допустимая массовая концентрация элемента в воде, установленная действующими "Нормами радиационной безопасности" [4]. Можно видеть, что плутоний отнюдь не самый "самый" среди радионуклидов в отношении радиологической угрозы.
Повышенные меры предосторожности при работе с плутонием и постоянный контроль персонала плутониевых производств связаны со способностью этого элемента задерживаться в организме, прежде всего в печени и скелете, что ведет к их переоблучению. Период биологического выведения половины накопленного плутония из печени составляет 20 лет, а из скелета - 50 лет, что сопоставимо с длительностью человеческой жизни [5]. Токсичность этого элемента сильно зависит от пути его поступления в организм. Плутоний, попавший в желудочно-кишечный тракт, менее ядовит, чем хорошо известные яды цианид или стрихнин. Для получения летальной дозы необходимо проглотить 0.5 г Pu (цианида хватило бы 0.1 г). При вдыхании его химическая токсичность сопоставима с парами ртути или кадмия [6]. Поразительно, но ученые не имеют ни одного факта, однозначно свидетельствующего о смертельном отравлении кого-либо плутонием. К примеру, в 1945 - 1946 гг. ученые США получили достоверные данные о поведении Pu в организме человека из экспериментов по инъекциям плутония 18 обреченным больным, но прямого воздействия Pu не обнаружили [7]. В настоящее время аналогичные исследования ведутся в Великобритании с применением короткоживущего изотопа 247 Pu в опытах с добровольцами8. Если органы дыхания как наиболее уязвимые для попадания аэрозолей плутония надежно защищены, то его токсичное воздействие относительно невелико: из желудочно-кишечного тракта он практически не усваивается (коэффициент перехода от 10 -4 до 10 -5 для разных форм Pu), а через кожные покровы, которые одновременно задерживают альфа--излучение изотопов 238 Pu - 240 Pu, этому элементу очень трудно проникать. В недавно опубликованной работе У.Сатклиффа и др. [9] дан анализ гипотетической ситуации, когда плутоний используется террористами при попытке отравить население крупного города (например, Мюнхена). В случае растворения 300 г Pu в крупном водохранилище, снабжающем город питьевой водой, только 3 мг останется в воде, а основная часть плутония в результате гидролиза попадет в донные отложения или системы фильтрации. Если весь этот плутоний (3 мг) будет потреблен жителями, то можно ожидать дополнительно 0.006 смертей от рака.
Большое количество экспериментальных данных получено за прошедшие годы по поведению Pu в природе. Так, например, выяснено, что во многих случаях он очень плохо (с коэффициентами 10 -5 - 10 -8 ) переходит из почвы в растения. Этот элемент быстро и прочно фиксируется частицами почвы, а затем очень медленно мигрирует с водными потоками. Попавший в моря и океаны плутоний постепенно осаждается и закрепляется в донных слоях.
Плутоний обладает уникальным комплексом ядерных и физико-химических свойств. Так, плотность чистого плутония при нагревании уменьшается от 19.82 до 14.7 г/см 3 и вновь растет до 16.52 г/см 3 . Поэтому для ядерных зарядов металлический плутоний легируют специальными добавками. В растворе плутоний может одновременно находиться в степенях окисления от +3 до +6, что делает его химию исключительно сложной и интересной.
В атомных реакторах за счет комплекса параллельных и последовательных ядерных реакций образуется набор изотопов плутония от 236-го до 244-го. Их химические свойства одинаковы, а ядерные существенно различаются ( табл. 1 ). Изотопы имеют разные периоды полураспада Т 1/2 (время, за которое распадается половина атомов): 238 Pu - 87.7 г., 241 Pu - лишь 14.1 г., а период полураспада самого "знаменитого" 239 Pu составляет 24.1 тыс. лет. Изотопы 239 Pu и 241 Pu хорошо делятся тепловыми нейтронами, поэтому "нечетный" плутоний и образуется, и одновременно "выгорает" в реакторах АЭС типа ВВЭР, PWR, CANDU, РБМК; четные изотопы при этом накапливаются. Различия в ядерных свойствах изотопов приводят к изменению состава плутония, образующегося в разных реакторах и даже в разных зонах одного реактора.
Чем дольше работает ядерное топливо в активной зоне реактора типа ВВЭР, тем больше в нем четных изотопов и тем ниже энергетическая ценность этого плутония для использования в качестве вторичного ядерного топлива. В реакторах на быстрых нейтронах делятся (выгорают) как нечетные, так и четные изотопы. Поэтому состав плутония в топливе "быстрых" реакторов относительно стабилен.
В отработавшем топливе реакторов ВВЭР-1000 или PWR содержится ориентировочно от 0.8 до 1% невыгоревшего 235 U и от 0.95 до 1.2% плутония; примерно 3 - 4% массы топлива составляют продукты деления, остальные 94 - 95% - 238 U. Согласно сделанным оценкам, около 50% энергии, производимой АЭС, образуется за счет деления плутония. Плутоний неизбежно нарабатывается, "горит" в топливе АЭС и вырабатывает электроэнергию даже тогда, когда первоначально в реактор загружается только урановое топливо. Изотопный состав плутония в отработавшем топливе разных реакторов различен ( табл. 2 ). Плутоний из энергетических реакторов обычно называют "гражданским" или "энергетическим"; а наработанный в специальных (промышленных) реакторах, - "оружейным". Как нетрудно заметить, это материалы, существенно различающиеся по изотопному составу. В разных реакторах при разном выгорании топлива образуется плутоний, состав которого значительно варьируется. Кроме того, в мире существуют сотни различных исследовательских реакторов, отработавшее топливо которых может иметь совсем другой состав. Поэтому, если обнаружен, например, контрабандный плутоний, по его изотопному составу можно ориентировочно оценить, из топлива какого реактора он выделен и, что самое важное, имеет ли он отношение к ядерному оружию.
Если состав отличается от приведенного в табл. 2, то, вообще говоря, идентифицировать источник такого плутония непросто. Каждый ядерный материал имеет "свое лицо". Он несет в себе отпечаток того завода, на котором получен, и тех задач, для которых предназначается. Дополнительную информацию о происхождении и истории плутония можно получить, измерив количество 241 Am, накопившегося в ядерном материале при хранении за счет распада 241 Pu: чем больше его превратилось в 241 Am, тем дольше лежал материал после переработки. В качестве "отпечатков пальцев" помимо изотопного состава могут быть использованы те свойства ядерного материала, которые меняются в зависимости от его предыстории: из какого соединения и как его получили, какие радиоактивные и нерадиоактивные примеси остались в нем после операций очистки и т.д.
Так, обнаруженные летом 1994 г. в Германии плутоний и уран по составу соответствовали энергетическим материалам и не имели никакого отношения к ядерному оружию. Существует обоснованное мнение, что вся эта операция (только ли эта?) была сфабрикована германскими спецслужбами [10]. До сих пор не было зафиксировано ни одного случая обнаружения на Западе оружейных ядерных материалов из России.
ПЕРЕРАБОТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
Проблемы использования плутония в первую очередь связаны с заключительной стадией топливного цикла. Среди государств, имеющих АЭС, сейчас нет единства в отношении переработки использованного топлива. Одни страны (например, США, Канада, Швеция) считают переработку нецелесообразной и планируют захоранивать непереработанное топливо в глубокие подземные могильники. Этот вариант называют "открытым топливным циклом", потому что ни уран, ни плутоний больше не используются. Надо сказать, что пока, кроме небольших подземных исследовательских лабораторий, ни одного могильника для отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) не построено. Однако технические проблемы представляются вполне преодолимыми, и вопрос лишь во времени и наличии необходимых средств.
Другие страны (в частности, Франция, Япония, Бельгия, Великобритания, Индия) сделали ставку на переработку топлива и повторное использование урана и плутония, т.е. на замкнутый цикл. На захоронение направляются только отвержденные отходы, причем объем высокоактивных отходов (и соответственно затраты на их дорогостоящее глубокое захоронение) оказывается существенно меньше, чем в случае непереработанного топлива. И, наконец, ряд стран (в том числе Германия, Корея и др.) заняли выжидательную позицию и склоняются к так называемому отложенному топливному циклу. Действительно, топливо после выгрузки из реактора технически можно несколько десятилетий хранить либо в заполненных водой, либо в сухих хранилищах, отложив решение его судьбы "на потом". Это означает не вполне корректное решение переложить существующую проблему на плечи наших детей или даже внуков.
Сейчас в мире действует несколько радиохимических заводов по переработке топлива АЭС. Их потенциальная мощность составляет: во Франции 2250 т/г., в Великобритании - 2700, России (ПО "Маяк") - 400, Японии - 100 (к 2000 г. планируется 900 т/г.), Индии - 200 т/г. Заводы Франции и Великобритании за плату со стороны поставщика перерабатывают топливо АЭС, в основном реакторов PWR и BWR, цена переработки достигает 1 млн. долл. за 1 т ОЯТ. В России на ПО "Маяк" перерабатывается топливо ВВЭР-440, БН-600, атомных ледоколов и подводных лодок, а также исследовательских реакторов. Переработка ядерного топлива включает ряд операций, подробно описанных в литературе [11]. (В принципе аналогичный набор операций использовался и для выделения оружейного плутония на оборонных заводах.) Современные радиохимические заводы - это крупные комплексные производства, где все операции осуществляются дистанционно, персонал защищен от воздействия излучения. Глубоко заблуждаются те, кто считает, что в относительно небольшой радиохимической лаборатории можно переработать сборки современной АЭС, содержащие по полмиллиона кюри радиоактивных осколков, и таким образом тайком выделить несколько килограммов плутония для "подпольной" атомной бомбы.
Промышленная переработка ОЯТ сама по себе не означает возможности создания атомного оружия.Так,по мнению министра РФ по атомной энергии В.Н.Михайлова, выделение плутония - это лишь четверть пути от ядерного материала до реальной бомбы. Те страны, которые выбрали вариант переработки ОЯТ, в то же время активно продвигаются по пути повторного использования плутония в атомной энергетике.
КАК И ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПЛУТОНИЙ
В пользу переработки ОЯТ и использования плутония приводятся обычно два довода. Этот токсичный и долгоживущий радиоактивный элемент безопаснее сжечь в реакторе, чем создавать сложные системы для изоляции биосферы от десятков и сотен тонн плутония в непереработанном топливе.
Плутоний - ценный материал для долгосрочного развития атомной энергетики, и нецелесообразно отказываться от его использования в качестве топлива для существующих, но главное - для будущих атомных электростанций. В атомной энергетике зарубежных стран плутоний уже используют тоннами в качестве вторичного ядерного топлива для АЭС.
Вторичное плутониевое топливо для тепловых реакторов - это обычно смесь окислов урана и плутония, содержащая около 5% энергетического плутония, смешанного (с высокой степенью однородности) с 95% природного или обедненного урана (изотопный состав и содержание 235 U в них различны). Для быстрых реакторов состав уран-плутониевого топлива иной: обычно плутония в таком топливе 20 - 30%, остальное - уран.
Несмотря на быстрый рост мощностей промышленных и полупромышленных установок для изготовления смешанного топлива ( табл.3 ), количество накопленного энергетического плутония постепенно возрастает. По оценкам МАГАТЭ, сейчас в хранилищах находится около 110 т энергетического плутония. Ожидается, что до 2000 г. его запасы увеличатся до 150 - 170 т, а затем начнут снижаться ежегодно на 7 - 20 т. Многое будет зависеть от ситуации на рынке урана, влияния политических и других факторов
Согласно данным таблицы 3, происходит решительное продвижение к крупномасштабному промышленному использованию плутония во Франции, Великобритании, Японии и Бельгии. Кризис, переживаемый атомной промышленностью и наукой в России, привел к резкому замедлению строительства новых АЭС, в том числе запланированных первых блоков Южно-Уральской АЭС с реакторами на быстрых нейтронах БН-800. По планам Минатома именно эта станция должна стать первым крупным потребителем плутония в России.
Вместе с фактической остановкой ее строительства замерла и стройка цеха на ПО "Маяк", спроектированного для изготовления уран-плутониевого топлива для реакторов БН-600 и БН-800. Для сжигания плутония наиболее эффективно использование быстрых реакторов БН ( табл. 4 ). Использование плутония в тепловых реакторах приводит к некоторому замедлению темпов наработки этого элемента в топливном цикле. Создание парка энергетических быстрых реакторов потребует больших затрат и, видимо, начнется только в следующем веке.
КАК ИЗБАВИТЬСЯ ОТ ЛИШНЕГО ПЛУТОНИЯ
Количество плутония, накопленного в арсеналах США и бывшего СССР, достаточно велико; по разным оценкам, на обе державы приходится в сумме примерно 200 т оружейного плутония. При условии соблюдения паритета в ходе первого этапа разоружения и выполнения договоров СНВ-1, -2 высвободится по 50 т плутония в каждой стране.
В 1993 - 1994 гг. ученые Национальной академии наук США по заказу правительства изучали проблему, что делать с этим избыточным оружейным плутонием. Хотя вопрос касался американского плутония, исследование носило достаточно универсальный характер [12]
Рассматривались три основных варианта обращения с плутонием. После промежуточного непродолжительного хранения ядерного материала можно:
Взвесив все "за" и "против", американские эксперты пришли к выводу, что наиболее реальными и приемлемыми являются два способа ликвидации плутония:
Такие способы уничтожения, как отправка плутония в космос, растворение в воде морей и океанов до безопасной концентрации и другие варианты ликвидации, а также неопределенно долгое хранение признаны менее перспективными или неприемлемыми. Важное значение, по мнению американских экспертов, имеет паритетность в ликвидации плутония со стороны США и России. Универсального, быстрого и дешевого способа использования как энергетического, так и оружейного плутония пока нет. Но нет и острой необходимости в принятии поспешных решений, особенно по "закапыванию" столь дорогостоящего материала.
В выступлениях на многочисленных международных конференциях, посвященных этой проблеме, большинство ученых ратует за полезное использование плутония в ядерной энергетике. У России есть хороший опыт в этой области. В действующем реакторе БН-600 прошли испытания десятки сборок с плутониевым топливом, разработан новый реактор - утилизатор плутония БН-800. Но, чтобы двигаться вперед, нужны немалые средства. И конечно, необходимо сберечь имеющиеся опыт и знания. В любом случае, плутониевая проблема - это надолго. Возможно, в будущем в отношении плутония возникнут принципиально другие подходы.
Читайте также: