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 короткоживущие 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.

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. Соизвлечение 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. Повидимому, 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 плу^г— 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 ^{, 02}Ru. 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.