"Утилизация оружейного плутония"

В. Шидловский, Е. Кудрявцев, Л. Петрова (Министерство РФ по атомной энергии)

Проблема использования в атомной энергетике плутония, высвобождаемого в результате сокращения ядерных вооружений, долгое время привлекает внимание политиков, ученых, инженеров как в России, так и за рубежом.

Количество оружейного плутония, накопленного Россией и США, достаточно велико - больше, чем у всех остальных ядерных держав вместе взятых. В заявлении президента Российской Федерации, обращенном к участникам 41-й сессии Генеральной конференции МАГАТЭ, состоявшейся в октябре 1997 года, объявлено "о поэтапном изъятии из ядерных военных программ до 500 тонн высокообогащенного урана и до 50 тонн плутония, высвобождаемых в ходе разоружения". В дальнейшем цифры по плутонию были откорректированы: подготовленный проект нового межправительственного российско-американского соглашения предусматривает обязательство каждой из сторон утилизировать 34 тонны оружейного плутония.

Правительство США выбрало два способа ликвидации избыточного плутония:
- часть плутония будет использована в качестве топлива в реакторах американских АЭС (имеются технологические разработки и отвечающие необходимым требованиям безопасности реакторы). Плутоний, переведенный в форму отработавшего МОХ-топлива, будет находиться под контролем до окончательного удаления в геологическое хранилище;
- из того плутония, который загрязнен примесями и не будет использован в топливе АЭС, предложено по специальной технологии изготовить керамические "шайбы", которые будут упакованы в стальной контейнер, залиты расплавом радиоактивного стекла и направлены на хранение и последующее захоронение (требуется доработка технологии - создание подземного могильника).

Разработанная Минатомом в 1998 году концепция по обращению с плутонием, высвобождаемым в ходе ядерного разоружения, базируется на использовании его энергетического потенциала в атомно-энергетическом комплексе страны, в том числе путем развития производств и технологий замкнутого ядерного топливного цикла. Необходимо отметить, что в нынешней ситуации замещение части уранового топлива реакторов ВВЭР-1000 уран-плутониевым требует огромных дополнительных финансовых затрат.

Энергетическое использование высвобождаемого оружейного плутония предполагает решение нескольких задач:
- создание производства ядерного топлива на основе оружейного плутония. Наиболее освоенным в настоящее время является смешанное оксидное уран-плутониевое топливо (МОХ-топливо). Его производство включает этап конверсии металлического оружейного плутония (деталей и узлов ядерных боеприпасов) в двуокись плутония необходимого качества и изготовление твэлов и ТВС из порошков диоксидов плутония и обедненного урана;
- модернизацию российских АЭС для использования в них МОХ-топлива;
- последующее контролируемое хранение облученного в реакторах МОХ-топлива, содержащего значительное остаточное количество плутония, утратившего после облучения оружейное качество.

В ходе встречи на высшем уровне, состоявшейся в Кельне в 1999 году, "восьмерка" предложила поддержать проекты по скорейшему осуществлению крупномасштабных программ утилизации оружейных материалов. Признана необходимость международного подхода к финансированию с привлечением как государственных, так и частных средств.

Сегодня Минатом с участием других министерств и ведомств ведет международное научно-техническое сотрудничество по двум межправительственным соглашениям:
- соглашение от 2 июня 1998 года между правительствами Российской Федерации, Германии и Французской Республики о сотрудничестве в области использования в мирных целях плутония, высвобождаемого в результате демонтажа сокращаемого российского ядерного оружия, к которому позднее выразили желание присоединиться Италия и Бельгия;
- соглашение от 24 июля 1998 года между правительствами Российской Федерации и США о научно-техническом сотрудничестве в области обращения с плутонием, изъятым из ядерных военных программ.

Для реализации этих соглашений правительствами США, Франции и Германии выделены финансовые средства на выполнение совместных исследовательских и проектных работ. Общий объем зарубежного финансирования сегодня не превышает 3-3,5 млн. долларов в год. Тем самым обеспечивается некоторая финансовая и техническая поддержка начальной фазы российской программы по следующим направлениям:

1. Научно-исследовательские и предпроектные работы для создания демонстрационной и промышленной установок конверсии металлического оружейного плутония в оксид, пригодный для изготовления уран-плутониевого топлива для российских АЭС. Решаются задачи по очистке плутония от легирующих и радиогенных примесей, получению оксида плутония керамического качества и заданного изотопного состава, а также по утилизации отходов. В 2000 году будет выполнено "Обоснование инвестиций" на строительство промышленного производства для конверсии 2-3 т/год оружейного плутония на ПО "Маяк". С целью проверки промышленной технологии предусматривается создание там демонстрационной установки с производительностью до 400 кг металлического плутония в год. Дополнительно разрабатывается принципиально новая технология - сухая пирохимическая конверсия плутония.

Российские исполнители: ГНЦ РФ ВНИИНМ, ГНЦ РФ НИИАР, ГСПИ, ПО "Маяк".

Заключены контракты с Лос-Аламосской национальной лабораторией, Комиссариатом по атомной энергии (КАЭ) Франции, компаниями "Cogema" (Франция) и JNC (Япония).

2. Научно-исследовательские и предпроектные работы для создания демонстрационных установок и завода по изготовлению МОХ-топлива для реакторов ВВЭР-1000 и БН-600 с использованием оружейного плутония. Предусматривается создание в ГНЦ РФ НИИАР демонстрационных установок для изготовления опытных МОХ-ТВС реактора ВВЭР-1000 (таблеточное топливо) и МОХ-ТВС гибридной зоны БН-600(виброуплотненное топливо). В 2000 году будет выполнено "Обоснование инвестиций" на строительство промышленного производства МОХ-топлива для реакторов ВВЭР-1000 и БН-600 с выбором места - ПО "Маяк" или в выработках Горно-химического комбината.

Российские исполнители: ГНЦ РФ ВНИИНМ, ГНЦ РФ НИИАР, ГСПИ, ВНИПИЭТ, ПО "Маяк", ГХК.

Заключены контракты с компаниями "Cogema" и "Siemens" (Германия), подготовлены контракты с JNC и Минэнергетики США.

3. Расчетные и проектно-конструкторские работы по обоснованию перевода реактора БН-600 на гибридную активную зону (первый этап) и полную зону с МОХ-топливом (второй этап). На втором этапе реактор будет работать в режиме выжигания плутония. В апреле-мае этого года первые три сборки с топливом из реального оружейного плутония загружены в реактор. Предусматривается постепенное увеличение количества уран-плутониевых сборок в зоне. Разработана программа, обеспечивающая "ранний старт" утилизации плутония.

Российские исполнители: ГНЦ РФ ФЭИ, ОКБМ, ГНЦ РФ НИИАР, Белоярская АЭС, ПО "Маяк".

Заключены контракты с Ок-Риджской национальной лабораторией (США), КАЭ Франции, Обществом GRS (Германия), компанией JNC.

4. Расчетные и проектно-конструкторские работы по обоснованию перевода реактора ВВЭР-1000 на частичную загрузку МОХ-топливом с оружейным плутонием. Выполнены предварительные расчеты для проекта зоны с одной трети загрузки ВВЭР-1000, рассмотрены определяющие аварийные ситуации для зоны с МОХ-топливом и меры обеспечения безопасности реакторной установки, определены условия хранения ОЯТ-МОХ на АЭС. Готовятся к аттестации программы и коды расчета физики и гидравлики зоны, разрабатываются подробные программы работ по модернизации АЭС.

Российские исполнители: РНЦ "Курчатовский институт", ОКБ "Гидропресс", ГНЦ РФ ВНИИНМ, концерн "Росэнергоатом", Балаковская АЭС.

Заключены контракты с Ок-Риджской национальной лабораторией, КАЭ Франции и Обществом GRS.

5. Иммобилизация плутония. Это направление предусматривает выполнение НИОКР по выбору устойчивых матриц, безопасных и эффективных технологических процессов и оборудования для иммобилизации плутонийсодержащих отходов с целью их последующего окончательного захоронения. На объектах Минатома хранятся десятки тысяч кубометров радиоактивных пульп, образовавшихся в результате выполнения оборонных программ. Они содержат суммарно до 1,5 тонны оружейного плутония.

Российские исполнители: ГНЦ ВНИИНМ, НПО "Радиевый институт", ВНИПИПТ, ПО "Маяк", ГХК.

Заключены контракты с Ок-Риджской национальной лабораторией.

6. Другие работы. С 1999 года в рамках сотрудничества по утилизации оружейного плутония начата работа по подготовке нормативной документации для обеспечения современного уровня безопасности на новых и реконструируемых ядерных объектах. Госатомнадзор России в сотрудничестве с Министерством
энергетики и национальным регулирующим органом США координирует эту деятельность.

Согласованные Минатомом России и Минэнергетики США предварительные сценарии утилизации 34 тонн оружейного плутония предусматривают выполнение в 2000-2007 годах комплекса исследовательских, проектных и конструкторских работ, создание и модернизацию соответствующих ядерных объектов, а начиная с 2008 года - изготовление и сжигание МОХ-топлива на АЭС в промышленном масштабе. Основные этапы этой работы представлены на рисунке.

В преддверии июльского саммита российскими организациями с участием зарубежных партнеров выполнены экономические оценки нескольких сценариев утилизации российского оружейного плутония. В предварительной оценке не были учтены отдельные категории затрат из-за недостаточного на сегодняшний день объема информации (например, затраты на продление срока эксплуатации российских реакторов, непосредственно связанные с программой утилизации плутония) или отсутствия договоренности о том, учитывать, например, затраты на вывод из эксплуатации установок конверсии и изготовление МОХ-топлива или нет.

Даже без учета в расчетах некоторых статей затрат суммарные расходы на российскую программу оцениваются в 1,8-2,0 млрд. долларов США. Это ниже общих затрат по соответствующей программе утилизации американского оружейного плутония, которые, по американским оценкам, составят 3,5-4,0 млрд. долларов.

Основные составляющие затрат на российскую программу:
- комплекс НИОКР, проектных и демонстрационных работ, сооружение промышленных объектов - 700 млн. долларов;
- эксплуатационные затраты на конверсию плутония и дополнительные по сравнению с урановым топливом эксплуатационные затраты на изготовление МОХ-топлива 1000-1100 млн. долларов;
- переработка и иммобилизация плутонийсодержащих отходов и пульп - до 200 млн. долларов.

Минатом считает, что заинтересованные западные страны должны внести максимальный вклад в финансовую поддержку утилизации российского оружейного плутония. Только при условии гарантированного предоставления необходимого объема финансирования Российская Федерация может перейти к промышленной утилизации плутония.

В Минатоме выполнены также предварительные экономические оценки "коммерческого" подхода, при котором рассматривается вариант поставки изготавливаемого в России МОХ-топливо за рубеж.

Принимая в качестве допущения, что 4 тонны оружейного плутония утилизируются в России, а остальные 30 используются при изготовлении МОХ-топлива для зарубежных (в том числе европейских) реакторов типа LWR, общее производство составит -750 тонн "свежего" МОХ-топлива для зарубежных АЭС. Исходя из существующих рыночных условий, цена МОХ-топлива принята равной цене стандартного уранового топлива (~1100 доллУкг ТМ).

Однако создание МОХ-производ-ства даже при льготном кредитовании оказывается убыточным, поскольку реальные затраты на него составят не менее 1500 долл./кг ТМ с учетом льготного кредита на строительство заводов в размере 450 млн. долларов сроком на 15 лет, последующего возврата кредита и процентов по нему.

Без учета расходов, связанных с возвратом кредитов, стоимость изготовления МОХ-топлива составит около 900 долл./кг ТМ. В этом случае проект становится экономически привлекательным. Исключение кредитов на строительство производств по переработке плутония в МОХ-топливо возможно в случае предоставления зарубежной безвозмездной помощи на капитальное строительство.

Наиболее экономически привлекательной является реализация схемы "лизинга МОХ" с возвратом облученного МОХ-топлива в Россию для безопасного хранения. Стоимость услуг по приему оценивается в -1400 долл./кг. Однако проект, связанный с лизингом МОХ-топлива из оружейного плутония, может быть блокирован ограничениями, существующими в российском законодательстве. Кроме того, потребуется безусловная политическая поддержка этого проекта со стороны США и правительств западных стран, на АЭС которых возможна утилизация российского плутония.

Утилизация избыточного оружейного плутония - это задача, которая должна решаться параллельно в России и США. Практическое осуществление этой программы в России зависит от политической и финансовой поддержки странами, заинтересованными в успехе процесса разоружения.