История искусства Экология энергетики Инженерная графика и машиностроительное черчение Математика решение задач и примеров Курс лекций по физике и электротехнике
Топливо для ядерных реакторов Урановый цикл Уран-ториевый цикл Уран-плутонивый цикл оружейный плутоний Торий-плутонивый цикл Добыча урановой руды Обогащение урана Временное хранение ОЯТ Транспортировка радиоактивных веществ Твэлы

Топливный цикл может быть замкнутым, включая, например, повторное использование плутония или урана в реакторах на тепловых нейтронах (тепловой повторный цикл), повторное обогащение урана, выделенного в результате переработки, или использование плутония в быстрых реакторах-размножителях.

Оружейный плутоний

Это название обычно применяется к плутонию с содержанием 240Pu менее 7%. Типичный состав оружейного плутония приведен в Табл. 3. Первые две колонки - средний состав плутония, произведенного в Хэнфорде и Саванне в июне 1968. Третья - базируется на образцах почвы, взятых поблизости от Роки Флетс в 1970-х с учетом 241Am (продукта распада 241Pu).

В США и России производится и сверхчистый плутоний с 3% 240Pu, для обогащения обычного плутония, и, возможно, для специальных зарядов. Некоторые американские военные устройства требуют содержание 240Pu менее 1.5%.

Существенный вопрос: что подразумевает название "оружейного качества". Самая распространенная интерпретация состоит в том, что это плутоний с содержанием изотопа 240Pu менее 7%, действительно требующийся для успешного создания оружия. По крайней мере, превышение этой отметки означает серьезный компромисс с эффективностью. Наличие 240Pu точно определяет характеристики оружия, ибо именно от него зависит нейтронный фон и такие вторичные явления как рост критической массы (незначительный) и тепловой выход. Нейтронный фон влияет на проект ядерного взрывного устройства ограничением общей массы заключенного плутония, необходимостью достижения скоростей имплозии выше определенного порога. Как указывалось выше, некоторые проекты (преимущественно старые), требуют плутония с низкой концентрацией 240Pu по этим причинам.

На самом деле обозначение плутония как «оружейной чистоты» - исключительно экономический вопрос. С одной стороны, стоимость плутония падает с ростом доли 240Pu. С другой - 240Pu увеличивает критическую массу. Около 6-7% 240Pu делает общую стоимость плутония минимальной. Это не означает, что существующие ядерные устройства сохранят работоспособность, если увеличить уровень 240Pu. Они спроектированы для достижения наилучшего эффекта с определенным делящимся материалом и пострадают в работоспособности при изменении изотопного состава. Принимая средний состав оружейного плутония: 93.4% 239Pu, 6.0% 240Pu и 0.6% 241Pu можно просчитать следующие его свойства. Начальная тепловая мощность свежевыработанного оружейного плутония 2.2 Вт/кг, уровень спонтанного деления 27100 делений/с. Этот показатель деления позволяет использовать в оружии 4-5 кг плутония с очень низкой вероятность предетонации при условии хорошей имплозионной системы. По прошествии пары десятилетий, большая часть Pu превратится в Am, существенно увеличив тепловыделение - до 2.8 Вт/кг. Поскольку Pu прекрасно делится, а Am - нет, это приводит к снижению запаса реактивности плутония и должно приниматься в расчет конструкторами.

Нейтронное излучение 5 кг оружейного плутония 300000 нейтронов/с создает уровень излучения 0.003 рад/час на 1 м. Фон снижается отражателем и взрывчатым веществом, окружающим его. Облегченное оружие уменьшает радиацию в 5-10 раз. С другой стороны, высокая проникающая способность нейтронов увеличивает опасность. Длительный постоянный контакт с ядерными взрывными устройствами во время их обычного обслуживания может привести к дозе радиации, приближающейся к предельной годовой для профессионального состава.

Вследствие малой разницы в массах 239Pu и 240Pu, эти изотопы не разделяются промышленно широко распространенными способами обогащения. Единственный способ произвести более чистый Pu - сократить время пребывания в реакторе кассеты с U. Малые количества плутония разделяются на электромагнитном сепараторе для исследовательских целей.

Для развитых государств нет причин для снижения процента 240Pu менее 6, так как эта концентрация не мешает создавать эффективные и надежные триггеры термоядерных зарядов. Очень малое количество 240Pu позволяет достичь некоторой дополнительной гибкости, требующейся специализированным или экзотическим изделиям.

В ВТГР могут быть применены различные топливные циклы - как чисто урановый ( на слабообогащенном уране, который в принципе может быть реализован без химической переработки), так и с использованием тория и плутония, причем для ВТГР особенно выгоден ториевый цикл, KB топлива в котором может достигать единицы.
Ядерные топливные циклы производство топлива для ядерных реакторов