Отработавшее ядерное топливо в затяжной ядерной войне

Отработавшее ядерное топливо в затяжной ядерной войне

Вооружение

26.12.2019

Трубка для ТВЭЛ крупным планом

Экологические споры вокруг отработанного ядерного топлива (ОЯТ) всегда у меня вызывали легкое недоумение. Хранение этого вида «отхода» требует соблюдения строгих технических мер и предосторожности, обращаться с ним нужно осторожно. Но это же не повод выступать против самого факта наличия ОЯТ и прироста их запасов.

Наконец, почему отходы? Состав ОЯТ содержит много ценных расщепляющихся материалов. Например, плутоний. По разным оценкам его образуется от 7 до 10 кг на тонну ОЯТ, то есть в ежегодно образующемся в России отработанном ядерном топливе, около 100 тонн, содержится от 700 до 1000 кг плутония. Реакторный плутоний (то есть полученный в энергетическом реакторе, а не в реакторе-наработчике) применим не только в качестве ядерного топлива, но и также для создания ядерных зарядов. На сей счет проводились эксперименты, показавшие техническую возможность использования реакторного плутония в качестве начинки ядерных зарядов.

В тонне ОЯТ содержится также около 960 кг урана. Содержание урана-235 в нем невелико, около 1,1%, но уран-238 можно пропустить через реактор-наработчик и получить все тот же плутоний, только теперь уже хорошего оружейного качества.

Наконец, ОЯТ, особенно только что извлеченное из реактора, может выступать в качестве радиологического оружия, причем оно заметно превосходит в этом качестве кобальт-60. Активность 1 кг ОЯТ достигает 26 тысяч кюри (у кобальта-60 — 17 тысяч кюри). Тонна ОЯТ, только что извлеченного из реактора, дает уровень радиации до 1000 зивертов в час, то есть смертельная доза в 5 зивертов набегает всего за 20 секунд. Превосходно! Если противника посыпать мелким порошком ОЯТ, то ему можно нанести серьезные потери.

Все эти качества ОЯТ давно и хорошо известны, только они наталкивались на серьезные технические трудности, связанные с извлечением топлива из тепловыделяющей сборки.

Разобрать «трубку смерти»

Само по себе ядерное топливо — это порошок оксида урана, спрессованного или спеченного в таблетки, небольшие цилиндры с полым каналом внутри, которые помещаются внутрь тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ), из которых собираются тепловыделяющие сборки, помещаемые в каналы реактора.

Вот как раз ТВЭЛ — это камень преткновения переработки отработанного ядерного топлива. Больше всего ТВЭЛ похож на очень длинный ружейный ствол, длиной почти 4 метра (3837 мм, если точно). Калибр у него почти ружейный: внутренний диаметр трубки составляет 7,72 мм. Внешний диаметр — 9,1 мм, а толщина стенки трубки 0,65 мм. Трубка делается либо из нержавеющей стали, либо из циркониевого сплава.

Макет ТВС, на котором хорошо видна конструкция блока, тепловыделяющих элементов и размещение внутри них ядерного топлива

Внутрь трубки закладываются цилиндры из оксида урана, и закладываются плотно. В трубку вмещается от 0,9 до 1,5 кг урана. Закрытый ТВЭЛ надувается гелием под давлением в 25 атмосфер. В ходе кампании урановые цилиндры нагреваются и расширяются, так что в итоге они оказываются намертво заклиненными в этой длинной трубке ружейного калибра. Всякий, кто выбивал шомполом застрявшую в стволе пулю, хорошо может себе представить трудность задачи. Только тут ствол почти 4 метра в длину, и заклиненных в нем урановых «пуль» больше двухсот. Радиация от него такова, что работать с только что вытащенным из реактора ТВЭЛ можно только дистанционно, с помощью манипуляторов или каких-то других приспособлений или автоматов.

Как же извлекали облученного топливо из реакторов-наработчиков? Там ситуация была очень проста. Трубки ТВЭЛ для реакторов-наработчиков делались из алюминия, который прекрасно растворяется в азотной кислоте, вместе с ураном и плутонием. Из раствора азотной кислоты извлекались нужные вещества и шли в дальнейшую переработку. Но энергетические реакторы, рассчитанные на гораздо более высокую температуру, используют тугоплавкие и кислотостойкие материалы ТВЭЛ. Более того, разрезание столь тонкой и длинной трубки из нержавейки — это очень редкая задача; обычно все внимание инженеров сосредоточено на том, чтобы такую трубку прокатать. Трубка для ТВЭЛ — это настоящий технологический шедевр. В общем, предлагались разные способы разрушения или разрезания трубки, но возобладал такой метод: сначала трубку рубят на прессе (можно рубить целиком тепловыделяющую сборку) на куски длиной около 4 см, а потом засыпают обрубки в емкость, где азотной кислотой растворяют уран. Полученный нитрат уранила уже не так трудно выделить из раствора.

И этот метод, при всей его простоте, имеет существенный недостаток. Урановые цилиндры в кусках ТВЭЛ растворяются медленно. Площадь контакта урана с кислотой на торцах обрубка весьма мала и это замедляет растворение. Невыгодные условия реакции.

Если же рассчитывать на ОЯТ как на военно-значимый материал для получения урана и плутония, а также в качестве средства радиологической войны, то надо научиться распиливать трубки быстро и сноровисто. Для получения средства радиологической войны химические способы не годятся: нам ведь надо сохранить весь букет радиоактивных изотопов. Их не так много, продуктов деления, 3,5% (или 35 кг на тонну): цезий, стронций, технеций, но именно они создают высокую радиоактивность ОЯТ. Потому нужен механический способ извлечения урана со всем остальным содержимым из трубок.

Поразмыслив, я пришел к следующему выводу. Толщина трубки 0,65 мм. Не так много. Ее можно срезать на токарном станке. Толщина стенки примерно соответствует глубине резания многих токарных станков; при необходимости можно применить специальные решения с большой глубиной резания вязких сталей, вроде нержавейки, или использовать станок с двумя резцами. Автоматический токарный станок, который может сам захватить заготовку, зажать ее и обточить — это уже не редкость в наши дни, тем более, что срезание трубки не требует прецизионной точности. Достаточно лишь обтачивать торец трубки, превращая ее в стружку.

Фотография больше для примера того, насколько токарный станок легко справляется с обтачиванием цилиндрических заготовок
Урановые цилиндры, освобождаясь от стальной оболочки, будут выпадать в приемник под станком. Иными словами, вполне возможно создать полностью автоматический комплекс, который будет рубить ТВС на части (длиной, наиболее удобной для обтачивания), складывать отрубки в накопитель станка, дальше станок срезает трубку, освобождая ее урановую начинку.

Если освоить разборку «трубок смерти», то можно использовать отработанное ядерное топливо и как в качестве полуфабриката для выделения оружейных изотопов и производства реакторного топлива, так и в качестве радиологического оружия.

Черная смертоносная пыль

Радиологическое оружие, на мой взгляд, в наибольшей степени применимо в затяжной ядерной войне и, главным образом, для нанесения ущерба военно-экономическому потенциалу противника.

Под затяжной ядерной войной я поднимаю такую войну, в которой ядерное оружие применяется на всех стадиях продолжительного вооруженного конфликта. Не думаю, что крупномасштабный конфликт, который дошел или даже начался с обмена массированными ракетно-ядерными ударами, на них же и закончится. Во-первых, даже после значительного ущерба будут еще оставаться возможности для ведения боевых действий (запасы вооружений и боеприпасов позволяют вести достаточного интенсивные боевые действия еще 3-4 месяца без их пополнения производством). Во-вторых, даже после израсходования ядерных боеприпасов, стоящих на боевом дежурстве, у крупных ядерных стран еще останутся на складах которые, скорее всего, не пострадают, весьма большое количество различных боеголовок, ядерных зарядов, ядерных взрывных устройств. Их можно пустить в ход, и их значимость для ведения боевых действий становится очень велика. Их целесообразно поберечь, и использовать либо для коренного перелома хода важных операций, либо в самой критической ситуации. Это уже будет не залповое применение, а растянутое по времени, то есть ядерная война приобретает характер затяжной. В-третьих, в военно-экономических вопросах крупномасштабной войны, в которой конвенционное вооружение используется наряду с ядерным, вопросы производства оружейных изотопов и новых зарядов, пополнение арсеналов ядерного оружия, явно будут в числе наиболее важных, приоритетных задач. В том числе, конечно, скорейшее создание реакторов-наработчиков, радиохимических и радиометаллургических производств, предприятий по изготовлению комплектующих и сборке ядерных боеприпасов.

Вот как раз в условиях масштабного и затянувшегося вооруженного конфликта важно не дать противнику воспользоваться имеющимся у него экономическим потенциалом. Такие объекты можно уничтожить, на что потребуется либо ядерный боеприпас приличной мощности, либо большой расход конвенционных авиабомб или ракет. Скажем, во время Второй мировой войны для гарантированного выведения крупного завода из строя требовалось сбросить на него от 20 до 50 тысяч тонн авиабомб в несколько приемов. Первая атака останавливала производство и повреждала оборудование, а последующие срывали восстановительные работы и усугубляли повреждения. Скажем, завод по производству синтетического горючего Leuna Werke с мая по октябрь 1944 года атаковали шесть раз, прежде чем производство упало до 15% от нормальной производительности.

Иными словами, само по себе разрушение еще ничего не гарантирует. Разрушенный завод поддается восстановлению, а с сильно разрушенного объекта можно вывести остатки оборудования, пригодного для создания нового производства в другом месте. Хорошо было бы выработать метод, который вообще не позволял бы противнику ни использовать, ни восстановить, ни разобрать на запчасти важный военно-экономический объект. Думается, что радиологическое оружие для этого подходит.

Стоит напомнить, что во время аварии на Чернобыльской АЭС, в которой все внимание обычно было приковано к 4-му энергоблоку, остальные три энергоблока тоже были остановлены 26 апреля 1986 года. Ничего удивительного, они оказались загрязнены и уровень радиации на 3-м энергоблоке, расположенном рядом со взорвавшимся, в тот день составлял 5,6 рентген/час и полусмертельная доза в 350 рентген набегала за 2,6 суток или всего за семь рабочих смен. Понятно, что работать там было опасно. Решение о перезапуске реакторов было принято 27 мая 1986 года, и после интенсивной дезактивации 1-й и 2-й энергоблоки запустили в октябре 1986 года, а третий энергоблок — в декабре 1987 года. АЭС мощностью в 4000 МВт оказалась полностью выведенной из строя на пять месяцев просто потому, что неповрежденные энергоблоки подверглись радиоактивному загрязнению.

Так что, если посыпать вражеский военно-хозяйственный объект: электростанцию, военный завод, порт и так далее, порошком из отработанного ядерного топливо, со всем букетом сильно фонящих изотопов, то противник лишится возможности его использовать. Ему придется потратить многие месяцы за дезактивацию, вводить быструю ротацию работников, строить радиоубежища, нести санитарные потери от переоблучения персонала; выработка же прекратится совсем или очень значительно снизится.

Способ доставки и загрязнения тоже довольно простой: мелко размолотый порошок оксида урана — черная смертоносная пыль — снаряжается в разрывные кассеты, которые в свою очередь снаряжаются в боеголовку баллистической ракеты. В нее свободно может войти 400-500 кг радиоактивного порошка. Над целью кассеты выбрасываются из боеголовки, кассеты разрушаются подрывными зарядами, и мелкая высокорадиоактивная пыль покрывает цель. В зависимости от высоты срабатывания боеголовки ракеты, можно получить сильное загрязнение сравнительно небольшой площади, или же получить обширный и протяженный радиоактивный след с меньшим уровнем радиоактивного загрязнения. Хотя, как сказать, Припять выселили, поскольку уровень радиации составил 0,5 рентген/час, то есть полусмертельная доза набегала за 28 дней и жить постоянно в этом городе стало опасно.

На мой взгляд, радиологическое оружие напрасно назвали оружием массового поражения. Оно может кого-то поразить только в очень благоприятных условиях. Это, скорее, средство заграждения, создающее препятствия для доступа на зараженную территорию. Топливо из реактора, которое может давать активность в 15-20 тысяч рентген/час, как указано в «Чернобыльских тетрадях», создаст весьма эффективное препятствие для использования зараженного объекта. Попытки игнорировать радиацию приведут к высоким безвозвратным и санитарным потерям. С помощью этого средства заграждения можно лишить противника важнейших экономических объектов, ключевых узлов транспортной инфраструктуры, а также важнейших сельскохозяйственных угодий.

Отработавшее ядерное топливо в затяжной ядерной войне

В зависимости от ветра может получиться вполне приличное пятно радиоактивного загрязнения

Спутниковый снимок с обозначением важнейших объектов: ЧАЭС и взорвавшегося энергоблока, города Припять, железнодорожной станции Янов, порта. В отличие от авиабомб, радиоактивное загрязнение лишает возможности пользоваться всей инфраструктурой военно-значимого объекта

Такое радиологическое оружие гораздо более простое и дешевое, чем ядерный заряд, поскольку гораздо проще его по конструкции. Правда, в силу очень высокой радиоактивности потребуется специальное автоматическое оборудование для размола извлеченного из ТВЭЛ оксида урана, снаряжения его в кассеты и в боеголовку ракеты. Сама боеголовка должна храниться в специальном защитном контейнере и устанавливаться на ракету специальным автоматическим устройством непосредственно перед пуском. Иначе расчет получит смертельную дозу облучения еще до пуска. Лучше всего ракеты для доставки радиологических боеголовок базировать в шахтах, поскольку там проще решить проблему с безопасным хранением высокорадиоактивной боеголовки до пуска.

Автор: Дмитрий Верхотуров