Малые модульные реакторы и нераспространение ядерного оружия – взгляд с позиции гарантий безопасности

/в , , /от

Атомная генерация до сих пор удерживает позиции в обеспечении человечества энергией, которая не нуждается в ископаемом топливе и не производит выбросы парниковых газов в атмосферу по сравнению с угольными электростанциями. В настоящее время мировая энергетическая отрасль готовится к внедрению в скором будущем усовершенствованных ядерных реакторов IV поколения. Большие перспективы предсказывают малым модульным реакторам (ММР) мощностью до 300 МВт. Эта модель предлагает такие преимущества как возможность применения маневровых режимов, меньшие затраты на строительство таких реакторов и более широкий выбор площадок для их расположения благодаря модульной конструкции. Таким образом, ММР могут постепенно заменить крупногабаритные ядерные реакторы большой мощности и электростанции на ископаемом топливе, став вместе с возобновляемыми источниками энергии более безопасной и доступной альтернативой.

Чтобы атомная энергия продолжала служить исключительно мирным целям, новая технология должна оставлять как можно меньше возможностей использовать ее для создания ядерного оружия. Речь идет, прежде всего, о возможности потери контроля над ядерным материалом или использования ядерного топлива на оружейные нужды. А это при сегодняшних обстоятельствах – вопрос не менее важный, чем ядерная и радиационная безопасность.

Сама конструкция ММР содержит ряд новшеств, снижающих вероятность использования в военных целях, в частности:

  • ММР имеют меньшие габариты, чем реакторы традиционных конструкций, благодаря чему потенциально нуждаются в меньшем наблюдении. Иными словами, область наблюдения, физической безопасности и защищенности меньше, а следовательно, осуществлять контроль проще.
  • ММР требуют меньшего количества топлива, а значит, выбросы радиоактивных веществ в случае нештатных ситуаций будут меньше. Таким образом, критическая масса делительного материала меньше, чем у традиционных реакторов. Количество имеет значение в разработке ядерного орудия.
  • Высокая степень выгорания топлива, которое благодаря более длительной работе становится непригодным для использования в ядерном оружии.
  • Определенные проекты ММР имеют активную зону, опечатанную на заводе-производителе, или нуждаются в более жидкой (раз в 300 месяцев) перегрузке топлива. Это существенно усложняет использование свежего или отработанного ядерного топлива для военных целей.
  • Количество модулей на одной площадке: одно из потенциальных преимуществ ММР состоит в том, что один или несколько дополнительных модулей можно последовательно добавлять к уже существующей электростанции. Это позволит использовать один общий бассейн для отработанного ядерного топлива из всех модулей.

В то же время, учитывая отличия некоторых технологий ММР от реакторов предыдущих поколений, она несет новые вызовы по поводу нераспространения ядерного оружия. А это требует новых подходов к контролю за соблюдением гарантий предотвращения его распространения, зафиксированных в Договоре о нераспространении ядерного оружия 1968 года. Подробные соображения на этот счет изложены в отчете Венского центра по разоружению и нераспространению ядерного оружия «Влияние малых модульных реакторов на нераспространение ядерного оружия и гарантии МАГАТЭ».

Какие же вызовы по поводу возможного нецелевого использования ядерных материалов несут ММР?

Это те особенности их проектов, которые усложняют контроль МАГАТЭ за соблюдением гарантий мирного использования ядерных материалов.

Реакторы, разрешающие перегрузку топлива во время эксплуатации, так сказать, на ходу, требуют учета гарантий, связанных с более частым обращением с отработанным топливом по сравнению с реакторами с перегрузкой при остановке. Частые перемещения относительно небольших облученных топливных элементов прямого использования позволяют установить приборы неразрушающего контроля внутри первичной защитной оболочки, чтобы облегчить меры наблюдения МАГАТЭ. Но это может потребовать от проектировщика рассмотреть вопрос использования необслуживаемых систем, которые контролируются дистанционно или требуют периодического обслуживания на месте инспекторами.

Вместе с тем вопрос учета гарантий для таких реакторов уже решен в тяжеловодных водо-водяных реакторах CANDU, которые широко эксплуатируются в Канаде и еще в ряде стран, в которых конструкция также позволяет за менять использованное топливо свежим, не останавливая реактор. Поэтому опыт учета гарантий для таких ММР можно заимствовать от реакторов большой мощности.

Впрочем, проверка отработанного топлива в бассейне выдержки инспекторами может быть вызовом для проектировщиков, которым необходимо рассмотреть способы минимизации перемещения отработанного топлива, особенно если подлежащее проверке облученное топливо уложено слоями.

Размышления о гарантиях безопасности предусматривают положения о постоянстве знаний (т.е. уверенности в том, что между инспекциями не произошло никаких изменений) об активной зоне с использованием мониторов выгрузки активной зоны на основе датчиков радиации и других приборов. Цель – облегчить проверку МАГАТЭ и поддерживать постоянство знаний об облученном топливе, размещенном в слоях для хранения, а также для дистанционного мониторинга оборудования МАГАТЭ с целью проверки его надлежащей работы.

Некоторые проекты ММР используют топливо с более высокой (более 20%) степенью обогащения урана. Это означает, что для таких реакторов нужно будет предусмотреть больше гарантий, что повлечет за собой увеличение расходов.

ММР, в которых в качестве теплоносителя используются непрозрачные вещества, такие как расплавленный натрий или свинцово-висмутовый сплав, не позволят визуально контролировать топливо в активной зоне или хранилище отработанного топлива, в отличие от реакторов, в которых теплоносителем является вода. Соответственно, МАГАТЭ потребуется доступ к системам наблюдения, которые следует предусмотреть в конструкции реактора уже на стадиях разработки.

Но важно то, что большинство ММР еще остается на стадии проектов, только некоторые уже проходят испытания перед вводом в эксплуатацию. Соответственно, гарантии нераспространения ядерного оружия можно предусмотреть заранее.

Как можно проконтролировать использование ядерного материала?

Что касается действующих легководных реакторов, МАГАТЭ использует два подхода: учет ядерного материала и меры по сохранению/наблюдению за ядерным материалом для предотвращения незадекларированного его перемещения.

Верификацию количества ядерного материала в реакторе и хранилищах отработанного топлива осуществляют визуальным осмотром, неразрушающим анализом и с помощью мер по хранению/наблюдению.

Дистанционное наблюдение основывается на подходе полной цифровизации с системой связи, независимо от системы мониторинга. Поскольку в легководный реактор топливо перегружают не чаще раза в год, это дает возможность опечатать корпус реактора и проверять сохранность ядерного материала в периоды перегрузки лично инспекторами МАГАТЭ, а остальное время – дистанционным наблюдением.

В ходе инспекции МАГАТЭ применяют следующие меры:

  • Аудит учетной документации и сравнение с отчетами, представленными в МАГАТЭ.
  • Изучение эксплуатационных учетных документов и сверка с учетными документами.
  • Проверка свежего топлива перед загрузкой активной зоны реактора. С целью выявления вероятного нецелевого использования свежего топлива проверку осуществляют подсчетом топливных элементов, сверкой серийных номеров, неразрушающим анализом и другими способами. В случае реакторов на смеси оксидов урана и плутония добавляется еще проверка опечатывания исходя из того, что топливо получено с предприятия под гарантиями МАГАТЭ. Если нет, то применяются дополнительные меры неразрушающего анализа, а топливо хранится опечатанным, если в сухом хранилище, или под наблюдением, если в мокром.
  • Топливо в активной зоне проверяется подсчетом его элементов и сверкой серийных номеров после перегрузки и перед закрытием корпуса реактора. В установках, использующих смесь оксидов урана и плутония, загрузка происходит под наблюдением на площадке или под водой. После проверки применяются меры по сохранению и наблюдению, чтобы убедиться, что активная зона реактора не потерпела изменений.
  • Бассейны выдержки отработанного топлива проверяются после опечатывания канала для его транспортировки или после закрытия активной зоны реактора. Кроме оценки мер сохранения и наблюдения, инспекторы проверяют отработанное топливо оценкой свечения Черенкова с помощью неразрушающего анализа.

Именно легководные ММР, скорее всего, первыми будут экспортироваться в другие страны из-за их сходства с наиболее распространенным типом действующих реакторов с водой под давлением.

Учет гарантий безопасности в ММР

В настоящее время лицензирование в Комиссии ядерного регулирования США проходит один из видов легководных реакторов – интегральный реактор с водой под давлением (iPWR) или реактор со сверхкритической водой. Проблема с реакторами этого типа состоит в том, что в их предыдущих проектах не упоминается понятие проектных гарантий МАГАТЭ (safeguards-by-design).

Топливо в интегральных реакторах с водой под давлением перегружается при остановке реактора, когда совокупность ядерных материалов в реакторе и зонах хранения можно проверить визуально, неразрушающим анализом или мерами хранения и наблюдения. Поскольку весь ядерный материал хранится в форме топливных сборок и остается неизменным во время пребывания в установке, его можно подсчитать и идентифицировать. Проверке подлежат также топливные сборки, которые доставляются с завода-производителя на промплощадку ММР.

Реакторы на расплаве солей. Большое разнообразие топливных циклов (урановый, ториевый) и реакторных технологий (могут работать в спектре тепловых или быстрых нейтронов) оказывает большое влияние на гарантии и нераспространения с существенными различиями между двумя подкатегориями этих реакторов: на жидком топливе и на твердом.

Венский центр разоружения и нераспространения называет такие вызовы гарантиям, обусловленные уникальностью активной зоны реакторов на жидких солях:

  • однородная высокорадиоактивная смесь топлива, теплоносителя, продуктов разделения и актинидов;
  • высокая температура эксплуатации топливных солей, которая всегда удерживается выше точки плавления соли и крайне агрессивной среды солевого топлива;
  • наличие замороженного топлива, которое может нуждаться в других гарантиях по сравнению с гарантиями топлива из жидких солей;
  • топливо с потенциально низкой концентрацией расщепляемого материала в солевой смеси;
  • регенерация топлива и перегрузка.

Чтобы провести инспекцию реактора на расплаве солей, необходимо проводить учет сыпучих материалов в начале и конце ядерного топливного цикла. Здесь проблема состоит в том, что методы и инструментарий учета сыпучих материалов невозможно прямо применить к ММР этого типа. Однородная топливная смесь, не помещенная в топливные сборки, делает невозможным традиционный подсчет топливных элементов и визуальный учет солевого топлива. В настоящее время нет подходов к гарантиям для энергетических ядерных реакторов, учитывающих номинальную форму топлива солевых реакторов как однородную смесь топлива, теплоносителя, продуктов разделения и актинидов.

Традиционные гарантии можно применить только к некоторым соловым ММР, которые используют топливо твердой формы.

Последствия гарантий конструкции солевых реакторов будут отличаться в случае применения ториевого топливного цикла. Здесь возникнут дополнительные осложнения, ибо результирующие сигнатуры излучения будут не порождающими урановый топливный цикл. А действующие режимы инспекций МАГАТЭ основываются именно на ураново-плутониевом цикле.

Еще одна проблема заключается в возможности использования реактора для производства большего количества U-233 за счет смены состава солей. По мнению экспертов, важно проверить, как топливные циклы реакторов на расплаве солей привлекают расщепляющие и воспроизводящие материалы (топливное сырье) с точки зрения расположения и распределения суммарного количества ядерных материалов, скорости производства и скорости потребления этих материалов, а также их химических, физических и изотопных изменений. В результате этих изменений реакторы будут иметь разные сигнатуры излучения в зависимости от разного химического состава солей и способов производства ядерного топлива, которые будут зависеть от того, сколько разделяемого материала создается. Это представляет собой новый вызов для гарантий нераспространения.

Ожидается, что с помощью учета ядерного материала можно будет подтвердить, что весь неучтенный материал входит в перечень, разрешенный МАГАТЭ. Таким образом, для применения гарантий в этом типе реактора могут потребоваться измерительные системы высокой точности. Поэтому действующие гарантии необходимо расширить, чтобы приспособить их к другим топливным циклам солевых реакторов и другим реакторным технологиям.

Вызовы для нераспространения в высокотемпературных реакторах вызваны наличием в реакторе засыпки из большого количества шаров, производимых без серийных номеров. Они находятся в зоне неопределенности гарантий, потому что их свойства позволяют применять как поштучный, так и насыпной учет. Четких подходов к гарантиям высокотемпературных реакторов/модульных реакторов с шаровой засыпкой нет, поэтому эта сфера является пробелом в гарантиях мирного использования ядерной энергии.

Затруднения, связанные с традиционным подсчетом топливных элементов, увеличиваются возможностью перегрузки топлива в критическом режиме. В сотнях тысяч малых топливных шаров содержатся граммы ядерного материала, которые невозможно однозначно идентифицировать при извлечении из реактора или загрузке при перегрузке реактора в критическом режиме.

Венский центр по разоружению и нераспространению предлагает гибридный подход к гарантиям МАГАТЭ, предусматривающий мониторинг потока топлива, дублирующие усовершенствованные меры хранения и наблюдения, а также методы учета и проверки объемного ядерного материала.

Реакторы спектра быстрых нейтронов называют размножителями, так как в них U-238 легко поглощает быстрые нейтроны, превращаясь в Pu-239, и в некоторых случаях они производят больше топлива, чем потребляют. Быстрые реакторы перегружают топливом в периоды отключения от энергосистемы, в течение которых суммарное количество ядерных материалов в реакторе и зонах хранения можно проверить визуальным осмотром, мерами неразрушающего анализа и мерами хранения и наблюдения.

По критерию гарантий МАГАТЭ считает быстрые реакторы подобными легководным. Но возможное присутствие уединенного плутония в необлученном свежем топливе является риском нарушения гарантий безопасности. Количество обособленного плутония выше, чем в реакторах, содержащих низкообогащенный уран, а следовательно, внедрение гарантий может потребовать больше усилий МАГАТЭ, чем в случае легководных реакторов.

Основной проблемой гарантий в реакторе-множителе на быстрых нейтронах с закрытым топливным циклом является размножение изотопа Pu-239 высокой чистоты. Соответственно основной барьер против распространения ЯЗ – это контроль за содержанием изотопов плутония.

Что все-таки в итоге?

В силу своих уникальных особенностей ММР создает определенные вызовы для действующего режима международных гарантий безопасности. В частности, новые вызовы гарантиям МАГАТЭ порождают типы топлива, теплоносители и компоновка реакторов. Но специалисты выражают уверенность, что в каждом из проектов ММР можно предусмотреть гарантии предотвращения распространения ядерного оружия, ведь большинство технологий находятся на стадии разработки. Для этого нужны новые, более эффективные инструменты и тесное сотрудничество МАГАТЭ с разработчиками реакторов уже на этапе проектирования, чтобы с самого начала определять и объяснять проблемные элементы технологии с точки зрения гарантий.

Вместе с тем среди ММР есть технологии, гарантии безопасности которых подобны гарантиям проектов легководных реакторов на низкообогащенном уране. В частности, это уже упомянутые в этой статье легководные ММР. С точки зрения соблюдения гарантий безопасности, такие реакторы наиболее похожи на эксплуатируемые в Украине ВВЭР.

Поэтому, выбирая между технологиями, следует выбирать те, которые более безопасны, более экологичны, нуждаются в меньших инвестициях и быстрее окупаются, отвечают гарантиям безопасности, нормам и правилам ЯРБ. Или являются лучшими, чем действующие требования, что, конечно, должно быть доказано проектировщиком.