Производство плутония

Производство плутония — это совокупность технологических процессов по получению химического элемента плутония (Pu) в промышленных масштабах. В основном производят изотоп плутоний-239, который является делящимся материалом и используется в ядерном оружии и как топливо для ядерных реакторов. В природе плутоний встречается в следовых количествах, поэтому всё промышленно значимое количество этого элемента получают искусственно, облучая уран нейтронами в ядерных реакторах.

История

Первое искусственное получение плутония было осуществлено в 1940 году группой учёных под руководством Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли. Они бомбардировали уран-238 дейтронами, разогнанными на циклотроне, и получили нептуний-238, который затем распадался в плутоний-238. Однако практическое значение имел изотоп плутоний-239, который был впервые получен и идентифицирован в 1941 году.

Первый в мире ядерный реактор для промышленного производства плутония, Чикагская поленница-1 (Chicago Pile-1), был запущен 2 декабря 1942 года под руководством Энрико Ферми. Он был создан в рамках Манхэттенского проекта (США). Уже в 1943 году началось строительство более мощных промышленных реакторов в Хэнфордском комплексе (штат Вашингтон). Первый плутоний для ядерной бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки, был наработан в этих реакторах.

В СССР работы по получению плутония начались в 1943 году. Первый промышленный реактор для наработки плутония «А-1» был запущен 22 декабря 1946 года на комбинате «Маяк» в Челябинской области. Уже в августе 1949 года из плутония, полученного на этом реакторе, была произведена первая советская атомная бомба РДС-1.

Физико-химические основы

Плутоний не встречается в природе в виде руд. Его получение основано на ядерных реакциях захвата нейтронов ядрами урана-238.

Базовая ядерная реакция

Основной способ получения плутония-239: ядро урана-238 (самый распространённый изотоп в природном уране) поглощает нейтрон, превращаясь в короткоживущий уран-239. Затем, в результате двух последовательных бета-распадов, получается плутоний-239:

1. U-238 + n → U-239 (период полураспада 23,5 минуты)
2. U-239 → Np-239 + e⁻ (период полураспада 2,36 суток)
3. Np-239 → Pu-239 + e⁻ (период полураспада 2,36 суток)

Требования к сырью

Для эффективного производства плутония необходим уран-238. Природный уран состоит на 99,284% из урана-238 и на 0,711% из урана-235. В большинстве промышленных реакторов используется природный или слабообогащённый уран. Плутоний нарабатывается в урановых блоках (тепловыделяющих элементах, ТВЭЛах) во время их работы в реакторе.

Технологическая схема производства

Производство плутония включает два основных этапа: наработку в реакторе и последующее радиохимическое выделение (переработку облучённого топлива).

Наработка в реакторе

Плутоний образуется в ядерном реакторе, где осуществляется цепная реакция деления. Источником нейтронов является деление урана-235 или плутония-239. Часть нейтронов поглощается ураном-238, запуская цепочку образования плутония.

Существуют специальные реакторы-размножители (бридеры), нацеленные на максимальное производство плутония. В отличие от обычных энергетических реакторов, где выгорание урана-235 обеспечивает выработку тепла, в бридерах ставится задача наработать больше делящегося материала (плутония), чем было сожжено. Для этого используются быстрые нейтроны и специальные зоны воспроизводства вокруг активной зоны. Коэффициент воспроизводства в таких реакторах может превышать 1,0.

Типы реакторов, используемых для наработки плутония:

• Промышленные реакторы (бридеры): Специализированные реакторы, оптимизированные для производства плутония. Примеры: советские реакторы А-1, АВ-1, АВ-2 на комбинате «Маяк», реакторы в Хэнфорде (США). Они использовали природный уран, графитовый замедлитель и водяное охлаждение.
• Энергетические реакторы: Плутоний нарабатывается как побочный продукт в любом реакторе на тепловых нейтронах. В реакторах ВВЭР, РБМК, PWR, BWR также образуется реакторный плутоний, который, однако, имеет другой изотопный состав (больше примесей Pu-240, Pu-241), что делает его менее пригодным для оружейных целей без дополнительного обогащения.
• Реакторы на быстрых нейтронах (БН): Позволяют наиболее эффективно вовлекать уран-238 в топливный цикл и нарабатывать плутоний. Примеры: БН-600, БН-800 (Россия).

Выделение плутония (радиохимическая переработка)

После того как топливо отработало в реакторе, оно становится высокорадиоактивным. ТВЭЛы извлекаются и помещаются на хранение для снижения активности короткоживущих изотопов. Затем извлекают плутоний, уран и другие ценные компоненты. Основной метод, используемый во всём мире, — экстракционный процесс PUREX (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction).

Этапы процесса PUREX:

1. Дробление и растворение: Облучённое топливо механически разрушают и растворяют в горячей азотной кислоте (HNO₃).
2. Экстракция: Раствор обрабатывают органическим растворителем (обычно трибутилфосфат, ТБФ, разбавленный керосином или додеканом). ТБФ селективно извлекает уран и плутоний в органическую фазу, оставляя большинство продуктов деления и актинидов в водной фазе (радиоактивные отходы).
3. Промывка: Органическую фазу промывают для удаления следов продуктов деления.
4. Реэкстракция и разделение: С помощью восстановителей (например, четырёхвалентного урана или гидроксиламина) плутоний переводят в трёхвалентное состояние (Pu³⁺), которое плохо экстрагируется ТБФ. Таким образом плутоний переходит обратно в водную фазу, а уран остаётся в органической.
5. Очистка и концентрирование: Полученные растворы урана и плутония дополнительно очищают с помощью ионообменных смол или повторной экстракции. Затем их концентрируют упариванием.
6. Перевод в оксиды: Плутоний и уран осаждают из растворов в виде солей (например, оксалатов), которые затем прокаливают в печах при высокой температуре, получая порошки оксидов плутония (PuO₂) и урана (UO₂).

Изотопный состав и применение

Изотопный состав получаемого плутония зависит от времени облучения топлива в реакторе.

• Оружейный плутоний: Должен содержать минимальное количество изотопа Pu-240 (обычно менее 7%), который имеет высокую скорость спонтанного деления и может вызвать преждевременный подрыв ядерного заряда. Для его производства топливо выдерживают в реакторе минимальное время.
• Реакторный плутоний: Содержит значительную долю Pu-240 и Pu-241. Используется как топливо для реакторов, например, в виде смешанного уран-плутониевого топлива (MOX-топлива).

Производство плутония в России

Россия является одной из стран, обладающих полным циклом производства плутония. Основные производственные мощности сосредоточены на:

• Производственное объединение «Маяк» (Озёрск, Челябинская область): На комбинате с 1946 года работали первые промышленные реакторы. В настоящее время «Маяк» занимается радиохимической переработкой отработанного ядерного топлива и производством плутония, в том числе для ядерного оружия (до передачи в Минобороны РФ).
• Горно-химический комбинат (Железногорск, Красноярский край): На комбинате расположен реакторный завод, который ранее включал два реактора для наработки оружейного плутония (АД, АДЭ-1, АДЭ-2). Последний из них был остановлен в 2010 году. Сейчас ГХК строит завод по переработке ОЯТ и занимается хранением ядерных материалов.
• Сибирский химический комбинат (Северск, Томская область): Исторически также производил оружейный плутоний. В настоящее время его мощность используется для производства урановой и плутониевой продукции.

В 1990-е годы Россия взяла обязательство не производить оружейный плутоний. Однако она продолжает наработку реакторного плутония на АЭС. В рамках международных соглашений (например, Соглашение об утилизации избыточного оружейного плутония) Россия перерабатывает излишки оружейного плутония в MOX-топливо для реакторов (например, для реактора БН-800 на Белоярской АЭС).

Экологические и политические аспекты

Производство плутония сопряжено с образованием большого количества высокорадиоактивных отходов (ВАО), которые требуют длительного захоронения. Радиохимические заводы являются объектами повышенной опасности. Из-за возможности использования плутония в ядерном оружии его производство и обращение с ним строго контролируются международными соглашениями (Договор о нераспространении ядерного оружия, ДНЯО, и соглашения с МАГАТЭ). Россия, США, Великобритания, Франция и Китай являются официальными государствами, обладающими ядерным оружием, и производят плутоний в промышленных масштабах.

Источники

1. Сегура Дж. Ядерная химия и радиохимия. — М.: Атомиздат, 1964.
2. Меньшиков Л.И., Попов В.А. Радиохимическая переработка отработанного ядерного топлива. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
3. Глазов В.С. Производство плутония и его применение. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
4. Feiveson, H., et al. (Eds.). (2011). Plutonium and Highly Enriched Uranium 2011: World Inventories, Capabilities, and Policies. Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI) and Oxford University Press.
5. Материалы Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». Официальный сайт.