Трансмутация плутония и малых актинидов

Как известно, помимо Pu, в ядерных реакторах нарабатываются и трансплутониевые элементы. При этом больше всего возникает минорных актинидов: Np, Am и Cm. Некоторые изотопы этих элементов весьма опасны из-за осуществляемых в них процессов самопроизвольного деления, обеспечивающих возможность цепного процесса, что позволяет изготавливать небольшие по объёму ядерные заряды. Например, одно время при создании новых видов оружия пристальное внимание уделяли изотопу 245Ст из-за его уникальных делящихся свойств, позволяющих изготавливать на его основе не атомные бомбы, а снаряды, мины и даже пули. Поэтому необходимо принимать строгие меры по предотвращению накопления и распространения минорных актинидов.

Превращение изотопов плутония и долгоживущих актинидов в ко- роткоживущие радионуклиды или даже в стабильные изотопы посредством облучения в реакторе или на ускорителе можно рассматривать как перспективную идею, позволяющую решить проблему их обезвреживания. Для её осуществления необходимо разработать способ извлечения из ВАО фракции актинидов и иметь в наличии высокопоточный реактор или ускоритель. Еще перспективнее - вообще отказаться от каких-либо процессов выделения, в том числе - процесса химического отделения плутония. Известны быстрые реакторы, которые выжигают топливо, включая 238U, на 50 -Ию% без его переработки. Существует процедура, когда отделяется лёгкая часть топлива, а тяжёлая - без разбивки на компоненты - вновь возвращается в активную зону реактора. В непрерывном режиме на вход подаётся 2з8и, а на выходе возникает выгоревшее более чем на половину топливо. В замкнутом цикле нет выброса в окружающую среду долгоживущих элементов трансурановой группы и нет выделения плутония в чистом виде.

Изменение во времени токсичности некоторых компонентов РАО без трансмутации и после трансмутации отдельных групп радионуклидов до различных степеней

Рис. 3. Изменение во времени токсичности некоторых компонентов РАО без трансмутации и после трансмутации отдельных групп радионуклидов до различных степеней. (МА-минорные актиниды, LLFP - долгоживущие продукты деления).

Для существующей и перспективной крупномасштабной ядерной энергетики известны операции трансмутационного топливного цикла, позволяющие максимально приблизиться к радиационно-миграционной эквивалентности между долгоживущими и высокоактивными отходами и использованным природным ураном. Соизв- лечение с ураном и расщепление радия и тория, достаточно высокие коэффициенты отделения U, Ри, минорных актинидов (Am, Cm, Np, Cf, Pa) для сжигания, Тс и J для трансмутации, Sr, Cs для полезного использования и длительная (300 лет), контролируемая выдержка долгоживутцих ВАО перед окончательным захоронением являются основными операциями трансмутационного ЯТЦ. Возможно передача актинидов в быстрые энергетические реакторы-трансмутаторы для сжигания в качестве топлива.

Хотя метод трансмутации принципиально осуществим, современный уровень техники недостаточен для его успешной реализации. В существующих ядерных реакторах метод трансмутации не удаётся осуществить полностью, так как наряду с процессами деления протекают и процессы образования тяжёлых элементов с большими периодами полураспада. По- видимому, такой способ обезвреживания а-излущателей из отходов мог бы стать целесообразным при облучении в реакторе с плотностью потока нейтронов ю,6-мо17 нейтр./(см2/с) или в термоядерных реакторах. Однако такие реакторы пока не существуют.

Облучение плутония нейтронами может привести к образованию его долгоживущего изотопа. Действительно, при трансмутации 239Ри происходят последовательные реакции:

В результате этих реакций возникает изотоп плутония более долгоживущий, чем исходный.

Приведённые примеры показывают, что ядерные реакции трансмутации потребуют более тщательного контроля, с тем, чтобы полное превращение долгоживущих радионуклидов в короткоживущие шло без образования новых долгоживущих радионуклидов.

Заметим также, что захват нейтрона 239Ри и 2^°Ри не решил бы проблемы устранения дол гожи вутцих радионуклидов, даже если бы весь плуг- тоний был преобразован в короткоживущий ^Ри. Это объясняется тем, что с ^‘Pu связана целая цепочка полураспадов. Он распадается на 24‘Аш (Т!/2= 430 л). 2-11Агп в свою очередь распадается на 237Np с Ti/2> 2 млн. лет. Следовательно, чтобы добиться значительного снижения долгоживущих актинидов, таких как плутоний, обычно требуется реакция деления ядра.

В результате трансмутации посредством реакций деления образуются преимущественно короткоживущие продукты деления, которые распадаются на устойчивые элементы, но некоторые из этих короткоживущих продуктов деления могут также распасться на долгоживущие. Например, при делении 2з9рц образуются короткоживущие 135Те (71/2=19 с) и 102Мо (7i/2=h м). Цепочка p-распадов Ю2Мо состоит из короткоживущих радионуклидов до тех пор, пока не образуется стабильный ,02Ru. Теллур-135 распадается до долгоживущего l:*5Cs (7i/2. =2,3-ю6 л).

В будущем для трансмутации актинидов, возможно, будут использованы комбинированные реакторы, в которых быстрые нейтроны, генерируемые термоядерной реакцией, делят тяжёлые элементы (с выработкой энергии) или поглощаются долгоживущими изотопами с образованием короткоживущих. Полагают, что 2^-3 термоядерных реактора способны преобразовывать количество актинидов, вырабатываемое всеми ядерными реакторами на лёгкой воде. Кроме этого, каждый термоядерный реактор будет вырабатывать ~1 гигаватт энергии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >