СМИ заговорили о дефиците трития в США
Возможно вы видели проскользнувшую в СМИ новость о проблемах с тритием в США (вот пример). На самом деле это еще одна новость жанра "журналисты пытаются за полчаса стать экспертами в технически сложной теме". Поэтому весьма тонко балансирующая на грани жаренного исходная статья сразу была интепретирована как проблемы ядерного арсенала США. Давайте разбиратся.
Ядерная авиабомба B83 переменной мощности почти гарантированно использовала DT-газ в своей конструкции. Ныне эти боеголовки сняты с эксплуатации и разобраны.
Итак, в исходном материале сказано следующее:
1. Тритий критично важен для ядерного оружия США. К сожалению, его период полураспада всего 12,3 года, поэтому его запасы убывают со скоростью 5,5% в год, и в отличии от плутония и высокообогащенного урана его надо воспроизводить для поддержания работоспособности оружия.
2. Производится он на единственном гражданском (энергетическом реакторе) - Watts Bar unit 1, который питается низкообогащенным ураном (НОУ), обогащать который США разучились.
3. Запасы НОУ заканчиваются и скоро наступят проблемы, а к 2030 вообще производство трития может остановится.
4. Надо что-то делать.
==
Ну, пойдем по тезисам. Первый пункт - истинная правда. Хотя в термоядерной части ядерной боеголовки не используется тритий, несколько грамм DT смеси в центре плутониевой сферы ядерной части (праймера) ЯВУ очень сильно поднимают кпд и весовую отдачу боеголовки. Происходит это за счет т.н. DT-бустинга, когда в момент ядерного взрыва в сжатом и нагретом DT-газе в центре плутониевой сферы начинается термоядерная реакция, которая дает множество термоядерных нейтронов, которые вызывают дополнительное энерговыделение в окружающем DT плутонии. 2-5 грамма DT способы увеличить выход энергии плутониевого праймера с 20-30 кт до 70-90 кт. В свою очередь дополнительная энергия позволяет облегчить праймер и вторую (термоядерную) ступень, и в целом повышает энергомассовое совершенство ядерного оружия. Кроме того, введение/невведение DT в центр плутониевой сферы перед подрывом позволяет широко регулировать мощность ядерного оружия, что применяется, например в бомбе B61.
Считается, что DT-бустинг является широко используемым в арсенале США, и в ядерных бомбах необходимо держать от 2 до 8 кг трития (по разным оценкам). В целом, тритий в США производился в рамках военной программы темпом до 8 кг в год, всего было наработано 255 кг с 1955 по начало 90х. Последний военный реактор-наработчик трития был остановлен в США в 1988 году, и долгое время после поддержание работоспособности боезапаса осущесвтлялось за счет использования трития из разбираемых боеголовок.
Сегодня, для поддержания инвертория трития как-то получать, соотвественно, от 100 до 400 грамм трития в год, если оценки по использованию верны. Даже если в США был запас, скажем, в 50 кг трития в 1988 году, сегодня от этого количества осталось ~9,5 кг, а значит встает вопрос о возобновлении производства.
Активная зона будущего американского реактора-наработчика трития (Watts Bar unit 2) во время загрузки на физ. пуск зимой-весной 2016 года.
На деле, возобновлением производства трития в США озаботились еще в 90х, и после некого ниокр предложили делать это на большом энергетическом реакторе, и тут мы переходим к второму тезису статьи.
Второй пункт правда наполовину. Действительно, с 2003 года на энергетическом реакторе Watts Bar самой обыкновенной конструкции (PWR) начата программа производства трития. Она предусматривает размещение в стандартных тепловыделяющих сборках (ТВС) реактора по 8 мишенных стержней с выгорающим генератором трития, представляющих собой стержни из нержавейки в габаритах твэла ТВС с ампулами с мишенным веществом.
Свежая ТВС Watts Bar 2 (такой же по конструкции реактор) во время загрузки. В этой ТВС нет выгорающих генераторов трития, но внешне она ровно такая же.
За 18 месяцев облучения в реакторе из LiAlO2 или LiAl5O8, обогащенного по 6Li в каждом стержне образует до 1000 кюри трития, примерно 0,1 грамма. Всего в реакторе планировалось устанавливать до 88 сборок и в общей сложности до 704 стержней с генераторами трития, что соотвествовало бы годовому производству ~50 грамм в год. В реальности, производство оказалось меньше на не называемую величину, и в основном это было связано с высокой проникающей способностью трития - он проходил сквозь стальную оболочку мишенного твэла в теплоноситель, уменьшая не только полезную выработку, но и создавая большие проблемы владельцу реактора компании TVA. Этот тритий обнаруживался потом везде, иногда превышая допустимые пределы (в 750 пикоКюри на литр), вызывая инспеции и гнев регуляторов.
Картинка из патента на "методику и оборудование для производства трития с уменьшенным выходом за пределы мишени".
Так или иначе первый блок Watts Bar производил облученные мишени, которые извлекались из ТВС в бассейне выдержки блока и перевозились в Savanna River Site для вскрытия и ваккумного отжига вот в этой печи:
Здесь показан монтаж печи, в работе загрузка и выгрузка мишений производилась автоматически.
Savanna River Site как раз является радиохимическим производством США, отвественным за обращение с тритием, и видимо здесь происходит все обращение с тритием из ядерного оружия США, в т.ч. обновление его новым тритием, наработанным в Watts Bar.
Видимо, финансовые условия от DoE по такой доп работе реактора (оцениваемые в несколько десятков миллионов долларов в год) фирму TVA устраивают и в 2020 году к этой активности планируется подключить и второй блок Watts Bar (пущенный в 2016).
Теперь, что касается третьего тезиса исходной статьи. Мне он совершенно не понятен, и только вроде как уважаемое имя авторов останавливат от фразы "написали какую-то дичь". США является крупнейшим в мире потребителем НОУ, и свои потребности в обогащении обеспечивает на 1/3 заказами к Tenex (Росатом), на 1/3 - заказами к европейским кампаниям Areva и URENCO и на 1/3 на американском обогатительном производстве (принадлежащем Urenco) в городе Eunis. Почему в этой проблеме могут возникнуть проблемы с обогащением для американских блоков, и особенно для занимающегося военными задачами Watts Bar - не ясно. Разбавлять ВОУ, что бы зарядить Watts Bar тоже врядли понадобится, хотя DoE каждый год передает энергооператорам 1-2 тонны ВОУ, разбавленного до НОУ (это перегрузка 1-2 реакторов-гигаваттников).
Загрузка контейнера с гексафторидом урана в печь для выдачи в питательную линию каскадов центрифуг на производстве URENCO в Нью-Мексико.
В общем резюме - в целом паника вокруг трития в исходной статье и особенно в интепретациях СМИ высосана из пальца, хотя для выхода на устойчивое воспроизводство трития DoE и TVA еще требуется приложить некие технические и огранизационные усилия.
P.S. В России тритий, по слухам, производится на работающем и сегодня тяжеловодном реакторе "Людмила" на ПО Маяк, однако, насколько я в курсе, достоверно это никогда не подтверждалось. Но в целом с облучательными и радиохимическими мощностями у Росатома ситуация лучше, чем у заоптимизировавшихся американцев.
Ядерная авиабомба B83 переменной мощности почти гарантированно использовала DT-газ в своей конструкции. Ныне эти боеголовки сняты с эксплуатации и разобраны.
Итак, в исходном материале сказано следующее:
1. Тритий критично важен для ядерного оружия США. К сожалению, его период полураспада всего 12,3 года, поэтому его запасы убывают со скоростью 5,5% в год, и в отличии от плутония и высокообогащенного урана его надо воспроизводить для поддержания работоспособности оружия.
2. Производится он на единственном гражданском (энергетическом реакторе) - Watts Bar unit 1, который питается низкообогащенным ураном (НОУ), обогащать который США разучились.
3. Запасы НОУ заканчиваются и скоро наступят проблемы, а к 2030 вообще производство трития может остановится.
4. Надо что-то делать.
==
Ну, пойдем по тезисам. Первый пункт - истинная правда. Хотя в термоядерной части ядерной боеголовки не используется тритий, несколько грамм DT смеси в центре плутониевой сферы ядерной части (праймера) ЯВУ очень сильно поднимают кпд и весовую отдачу боеголовки. Происходит это за счет т.н. DT-бустинга, когда в момент ядерного взрыва в сжатом и нагретом DT-газе в центре плутониевой сферы начинается термоядерная реакция, которая дает множество термоядерных нейтронов, которые вызывают дополнительное энерговыделение в окружающем DT плутонии. 2-5 грамма DT способы увеличить выход энергии плутониевого праймера с 20-30 кт до 70-90 кт. В свою очередь дополнительная энергия позволяет облегчить праймер и вторую (термоядерную) ступень, и в целом повышает энергомассовое совершенство ядерного оружия. Кроме того, введение/невведение DT в центр плутониевой сферы перед подрывом позволяет широко регулировать мощность ядерного оружия, что применяется, например в бомбе B61.
Считается, что DT-бустинг является широко используемым в арсенале США, и в ядерных бомбах необходимо держать от 2 до 8 кг трития (по разным оценкам). В целом, тритий в США производился в рамках военной программы темпом до 8 кг в год, всего было наработано 255 кг с 1955 по начало 90х. Последний военный реактор-наработчик трития был остановлен в США в 1988 году, и долгое время после поддержание работоспособности боезапаса осущесвтлялось за счет использования трития из разбираемых боеголовок.
Сегодня, для поддержания инвертория трития как-то получать, соотвественно, от 100 до 400 грамм трития в год, если оценки по использованию верны. Даже если в США был запас, скажем, в 50 кг трития в 1988 году, сегодня от этого количества осталось ~9,5 кг, а значит встает вопрос о возобновлении производства.
Активная зона будущего американского реактора-наработчика трития (Watts Bar unit 2) во время загрузки на физ. пуск зимой-весной 2016 года.
На деле, возобновлением производства трития в США озаботились еще в 90х, и после некого ниокр предложили делать это на большом энергетическом реакторе, и тут мы переходим к второму тезису статьи.
Второй пункт правда наполовину. Действительно, с 2003 года на энергетическом реакторе Watts Bar самой обыкновенной конструкции (PWR) начата программа производства трития. Она предусматривает размещение в стандартных тепловыделяющих сборках (ТВС) реактора по 8 мишенных стержней с выгорающим генератором трития, представляющих собой стержни из нержавейки в габаритах твэла ТВС с ампулами с мишенным веществом.
Свежая ТВС Watts Bar 2 (такой же по конструкции реактор) во время загрузки. В этой ТВС нет выгорающих генераторов трития, но внешне она ровно такая же.
За 18 месяцев облучения в реакторе из LiAlO2 или LiAl5O8, обогащенного по 6Li в каждом стержне образует до 1000 кюри трития, примерно 0,1 грамма. Всего в реакторе планировалось устанавливать до 88 сборок и в общей сложности до 704 стержней с генераторами трития, что соотвествовало бы годовому производству ~50 грамм в год. В реальности, производство оказалось меньше на не называемую величину, и в основном это было связано с высокой проникающей способностью трития - он проходил сквозь стальную оболочку мишенного твэла в теплоноситель, уменьшая не только полезную выработку, но и создавая большие проблемы владельцу реактора компании TVA. Этот тритий обнаруживался потом везде, иногда превышая допустимые пределы (в 750 пикоКюри на литр), вызывая инспеции и гнев регуляторов.
Картинка из патента на "методику и оборудование для производства трития с уменьшенным выходом за пределы мишени".
Так или иначе первый блок Watts Bar производил облученные мишени, которые извлекались из ТВС в бассейне выдержки блока и перевозились в Savanna River Site для вскрытия и ваккумного отжига вот в этой печи:
Здесь показан монтаж печи, в работе загрузка и выгрузка мишений производилась автоматически.
Savanna River Site как раз является радиохимическим производством США, отвественным за обращение с тритием, и видимо здесь происходит все обращение с тритием из ядерного оружия США, в т.ч. обновление его новым тритием, наработанным в Watts Bar.
Видимо, финансовые условия от DoE по такой доп работе реактора (оцениваемые в несколько десятков миллионов долларов в год) фирму TVA устраивают и в 2020 году к этой активности планируется подключить и второй блок Watts Bar (пущенный в 2016).
Теперь, что касается третьего тезиса исходной статьи. Мне он совершенно не понятен, и только вроде как уважаемое имя авторов останавливат от фразы "написали какую-то дичь". США является крупнейшим в мире потребителем НОУ, и свои потребности в обогащении обеспечивает на 1/3 заказами к Tenex (Росатом), на 1/3 - заказами к европейским кампаниям Areva и URENCO и на 1/3 на американском обогатительном производстве (принадлежащем Urenco) в городе Eunis. Почему в этой проблеме могут возникнуть проблемы с обогащением для американских блоков, и особенно для занимающегося военными задачами Watts Bar - не ясно. Разбавлять ВОУ, что бы зарядить Watts Bar тоже врядли понадобится, хотя DoE каждый год передает энергооператорам 1-2 тонны ВОУ, разбавленного до НОУ (это перегрузка 1-2 реакторов-гигаваттников).
Загрузка контейнера с гексафторидом урана в печь для выдачи в питательную линию каскадов центрифуг на производстве URENCO в Нью-Мексико.
В общем резюме - в целом паника вокруг трития в исходной статье и особенно в интепретациях СМИ высосана из пальца, хотя для выхода на устойчивое воспроизводство трития DoE и TVA еще требуется приложить некие технические и огранизационные усилия.
P.S. В России тритий, по слухам, производится на работающем и сегодня тяжеловодном реакторе "Людмила" на ПО Маяк, однако, насколько я в курсе, достоверно это никогда не подтверждалось. Но в целом с облучательными и радиохимическими мощностями у Росатома ситуация лучше, чем у заоптимизировавшихся американцев.