Хэнфордский реактор

Хэнфордский реактор — это обобщённое название нескольких промышленных ядерных реакторов, построенных в рамках Хэнфордского комплекса (штат Вашингтон, США) в период с 1943 по 1964 год. Основным назначением этих реакторов было наработка оружейного плутония-239 для ядерного оружия США, в том числе для бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки в 1945 году. Хэнфордский комплекс стал первым в мире промышленным ядерным объектом такого масштаба и остаётся крупнейшим в мире хранилищем радиоактивных отходов.

История

Создание в рамках Манхэттенского проекта

В 1942 году, в разгар Второй мировой войны, США начали Манхэттенский проект — секретную программу по созданию атомной бомбы. Для наработки плутония требовался крупный промышленный реактор, охлаждаемый водой, способный работать непрерывно. В декабре 1942 года физик Энрико Ферми запустил первый в мире искусственный ядерный реактор (Чикагская поленница-1), но он был экспериментальным и не мог производить плутоний в промышленных масштабах.

В начале 1943 года под руководством генерала Лесли Гровса была выбрана площадка в пустынной местности на берегу реки Колумбия в штате Вашингтон. Место было выбрано из-за удалённости от крупных городов, наличия дешёвой гидроэлектроэнергии (плотина Гранд-Кули) и большого количества воды для охлаждения реакторов. Строительство комплекса, получившего название Хэнфордский инженерный завод (Hanford Engineer Works), началось в марте 1943 года. К концу 1944 года были возведены три первых реактора: B, D и F.

Первый промышленный реактор (B-реактор)

Реактор B (B-Reactor) стал первым в мире промышленным ядерным реактором. Он был запущен 26 сентября 1944 года и достиг критичности 27 сентября. Конструкция реактора B была разработана в Металлургической лаборатории Чикагского университета под руководством физика Юджина Вигнера. Реактор представлял собой графитовый замедлитель с урановыми топливными стержнями, охлаждаемый водой из реки Колумбия. Мощность реактора составляла около 250 МВт (тепловых). Он работал в течение 25 лет, до 1968 года, и был остановлен после выработки ресурса.

Реактор B сыграл ключевую роль в производстве плутония для бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 года. По оценкам, из плутония, наработанного на реакторе B, было изготовлено около 40 % ядерного заряда этой бомбы.

Развитие комплекса в 1940–1960-е годы

После войны Хэнфордский комплекс был расширен. В 1947–1949 годах были построены реакторы H, DR и C. В 1950-е годы, в рамках гонки вооружений, были введены в строй ещё три реактора: KW, KE и N (последний — реактор с водяным охлаждением под давлением, работавший до 1987 года). Всего на Хэнфордском комплексе было построено 9 промышленных реакторов, из которых 8 были графитовыми, охлаждаемыми водой, и один (N-реактор) — реактором с водяным охлаждением под давлением.

К 1960-м годам Хэнфордский комплекс производил до 70 % всего оружейного плутония США. В 1964 году был запущен последний реактор — N-реактор, который также использовался для выработки электроэнергии (мощность 860 МВт). После окончания Холодной войны производство плутония было свёрнуто, и в 1987 году N-реактор был остановлен.

Конструкция и принцип работы

Хэнфордские реакторы относились к типу графитовых реакторов с водяным охлаждением. Основные элементы конструкции:

• Активная зона: состояла из графитовых блоков, в которых были просверлены каналы для топливных стержней и охлаждающей воды. Графит служил замедлителем нейтронов.
• Топливные стержни: представляли собой цилиндрические урановые бруски, заключённые в алюминиевую оболочку. Уран обогащался до 0,7–1,0 % по изотопу U-235, остальное — U-238.
• Охлаждение: вода из реки Колумбия подавалась насосами через активную зону, отводя тепло. Вода после охлаждения сбрасывалась обратно в реку, что приводило к значительному радиоактивному загрязнению.
• Управление: регулирование реактивности осуществлялось с помощью стержней из бора или кадмия, вводимых в активную зону.

Процесс наработки плутония: при захвате нейтрона ядром U-238 образуется U-239, который в результате двух последовательных бета-распадов превращается в Pu-239. После определённой выдержки топливные стержни извлекались и отправлялись на химическую переработку для выделения плутония.

Экологические последствия и проблемы

Хэнфордский комплекс является одним из самых загрязнённых радиоактивных объектов в мире. Основные проблемы:

• Сбросы в реку Колумбия: в период работы реакторов в реку было сброшено около 440 000 кубометров радиоактивной воды, содержащей изотопы йода-131, цезия-137, стронция-90 и других элементов. Это привело к загрязнению речной экосистемы на сотни километров ниже по течению.
• Хранилища жидких отходов: на территории комплекса находится 177 подземных резервуаров для хранения высокоактивных жидких отходов (общий объём — около 200 000 кубометров). Многие из них имеют утечки, что привело к загрязнению грунтовых вод.
• Загрязнение почвы и воздуха: в результате аварий и штатных выбросов радиоактивные вещества попали в почву и атмосферу. В 1949 году произошёл инцидент с выбросом йода-131 (так называемый «Green Run»), который привёл к облучению населения прилегающих районов.
• Затраты на очистку: по оценкам Министерства энергетики США, стоимость очистки Хэнфордского комплекса составляет более 100 миллиардов долларов, а завершение работ ожидается не ранее 2060-х годов.

Современное состояние

В настоящее время Хэнфордский комплекс находится в стадии вывода из эксплуатации и очистки. Все реакторы остановлены, топливо выгружено. Реактор B в 2008 году был признан Национальным историческим памятником США и открыт для экскурсий. Остальные реакторы находятся в законсервированном состоянии или демонтируются.

Основные текущие проекты:

• Строительство завода по витрификации (остекловыванию) жидких радиоактивных отходов (Waste Treatment Plant, WTP). Завод должен начать работу в 2020-х годах, но сроки неоднократно сдвигались.
• Очистка грунтовых вод от радиоактивного загрязнения с помощью систем pump-and-treat.
• Демонтаж зданий и сооружений, загрязнённых радионуклидами.

Критика и общественное восприятие

Хэнфордский комплекс является объектом критики со стороны экологов и местных сообществ. Основные претензии:

• Сокрытие информации о радиоактивных выбросах в 1940–1950-х годах. Документы, рассекреченные в 1980-х годах, показали, что власти знали о загрязнении, но не информировали население.
• Недостаточные темпы очистки. По оценкам, на полную очистку территории потребуется ещё несколько десятилетий.
• Влияние на здоровье населения. Исследования показали повышенную заболеваемость раком щитовидной железы и лейкемией среди жителей, проживавших вблизи комплекса, хотя точная причинно-следственная связь остаётся предметом дискуссий.

Интересные факты

• Реактор B был первым в мире реактором, который использовался для промышленного производства плутония. Он работал непрерывно в течение 25 лет.
• На Хэнфордском комплексе в 1945 году был произведён плутоний для бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. По разным оценкам, в бомбе было использовано около 6,2 кг плутония, из которых примерно 1,2 кг было наработано на реакторе B.
• В 1949 году на Хэнфордском комплексе был проведён эксперимент «Green Run» — преднамеренный выброс радиоактивного йода-131 для изучения его распространения. Этот эксперимент привёл к облучению населения в радиусе до 300 км.
• Хэнфордский комплекс является крупнейшим в мире хранилищем радиоактивных отходов. Общий объём радиоактивных материалов на территории превышает 200 000 кубометров.
• В 2010 году на территории комплекса был обнаружен радиоактивный «плутониевый остров» — участок почвы с концентрацией плутония, превышающей фоновые значения в 1000 раз.

Источники

• Hanford Site History. U.S. Department of Energy, Richland Operations Office.
• The Hanford Story. U.S. Department of Energy, 2008.
• Gerber, M. S. (1992). On the Home Front: The Cold War Legacy of the Hanford Nuclear Site. University of Nebraska Press.
• B-Reactor National Historic Landmark. National Park Service.
• Radioactive Waste Management at Hanford. U.S. Government Accountability Office, 2020.
• Атомный проект СССР: Документы и материалы. Том 1. Часть 2. М.: Наука, 1998.