Изотопно-смещенные материалы, или как Россия станет монополистом в производстве циркония 90

Этот странный термин - «изотопно-смещенные материалы» вне круга посвященных лиц всплывает не часто. В конце августа он снова прозвучал на совещании с участием аж двух вице-президентов ТВЭЛа одновременно. Озвучил его один из руководителей группы Новоуральского научно-конструкторский центра Сергей Геннадьевич Хомяков.

-Что, и золото можно сделать?!
- Ну конечно. Берешь ртуть 196Hg, помещаешь ее в ядерный реактор , дзынь и достаешь 197Au… Если быть точным, то на бумаге это выглядит так:
196Hg + n = 197Hg* + γ
197Hg* + e- = 197Au.


Это еще в 1947 году сделали. Но сейчас это неинтересно.
- Как неинтересно?! Это же ЗОЛОТО!!! – я откинулся на спинку дивана и озадаченно посмотрел на собеседника. Сергей Геннадьевич казался несколько раздосадованным тем, что разговор про изотопно-смещенные материалы свернулся к такой банальной вещи, как золото.

- Потому как дорого и… дорого. И вообще, о каком золоте можно говорить, когда есть такие замечательные, я бы сказал, удивительные вещи, как цирконий -90, свинец-207, да тот же моноизотопный кремний. Вот где настоящий Клондайк!

- Свинеец? – теперь настала моя очередь сделать недоумённое лицо. В некоторой растерянности я перевел взгляд на окно. Там, борясь с собственным трафиком, кипела жизнью небольшая офисная улица. Аккуратные двухэтажные здания, построенные вплотную друг к другу, образовывали две неприступные «крепостные стены», надёжно огораживая от внешнего мира то, что в журналистской среде фигурирует под штампом «ядерный щит страны».

Целый промышленный город со своими улицами и площадями, километровыми цехами и подземными туннелями, крупнейшее не то, что в стране, в мире разделительное ядерное производство, Уральский Электрохимический комбинат. Сверхтехнологии, суперсекретность, обогащенный уран… а тут, какой-то банальный свинец.

- Ну свинец свинцу рознь, – видимо заметив мой скепсис продолжил собеседник – природный свинец, это целый коктейль из его различных изотопов от 204-го до 208-го, причем последнего больше половины, а в некоторых рудах его концентрация и до 99% доходит. И чем же интересен свинец для нашей атомной отрасли? А тем, что используется как теплоноситель в атомных реакторах.
И в чем там основная проблема? Вот там этих основных проблем несколько.

Во – первых, температура плавления и коррозия. Для того, чтобы свинец оставался жидким и работал как теплоноситель, он не должен остывать ниже 327 градусов цельсия.
А поддержание данной температуры при любых возможных ситуациях, это серьезная технологическая проблема .Приплюсуем к этому угрозу коррозии, зашлаковывания и образование радиогенных свинцов, висмутов и полония. Но стоит природный свинец заменить на стабильный изотоп 206, и реактору станет дышать гораздо легче - образование радиогенных элементов изменяются значительно.

Попадая в активную зону,природный свинец получает такую мощную дозу излучения, что на выходе он уже не совсем свинец, а частично висмут. Но и с висмутом проблем еще нет. Дело в том, что у теплоносителя цикл замкнутый, а значит, висмут снова попадает в реактор, и облучившись, превращается в полоний, а вот это уже проблема. Ядовитей вещество трудно себе представить, а значит, его утилизация влетает в большую копеечку. Запустив в реактор свинец 206, про образование в теплоносителе полония и других опасных радиогенных элементов можно забыть.

Риск запроектных аварий тоже нельзя сбрасывать со счетов, так что использование высококипящего (Ткип=2024 К), радиационно - стойкого и слабо активируемого свинцового теплоносителя, химически пассивного при контакте с водой и воздухом позволяет осуществлять теплоотвод при низком давлении. И исключает пожары, химические и тепловые взрывы при разгерметизации контура, течах парогенератора и любых перегревах теплоносителя.

Теперь возьмем Свинец 208, практически "прозрачный" - с малым сечением захвата нейтронов.
Он уже планируется использоваться в реакторах на быстрых нейтронах -выжигателях актинидов. При его использовании, КПД реактора -выжигателя повышается на 25%! Также Свинец 208 может использоваться в уникальных приборах - спектрометрах.

Дальше на очереди свинец 207. Из всех своих собратьев-изотопов он отличается наибольшим сечением захвата нейтронов. В плане радиационной безопасности трудно найти лучшую защиту, а значит ее можно делать меньше, тоньше и легче, что для космических аппаратов, реакторов подводных лодок и ледоколов очень актуально.

Ну и, наконец, свинец 204. Изотоп примечателен тем, что он наиболее удален от радиогенного изотопа свинца 210 (его содержание в рудах ничтожно мало) и соответственно содержание его в качестве микропримеси при разделении на каскаде ГЦ будет минимальным из-за большой (максимальной) разности масс между изотопами 210 и 204.
Поэтому, альфа-излучение свинца 210 в качестве примеси в свинце 204 стремится к нулю.
Нет альфа-частиц – нет сбоев в работе электронных схем. Для производителей электроники, это просто мечта, а не материал. И его потребность для изготовления одних только процессоров оценивается в 300 тонн в год!
По закону подлости - его в природе очень мало, всего – 1.4%.

Но вернемся к нашим реакторам. Практически все внутрикорпусные устройства изготавливаются из циркония, вернее, его сплавов Э110 и Э635.

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов и высокую температуру плавления. Но и он не без греха. Так же, как и в ситуации со свинцом, цирконий под воздействием радиации внутри реактора имеет неприятную способность превращаться из циркония 92 в радиоактивный цирконий 93 с периодом полураспада 1,53 млн. лет.

Когда из активной зоны достают отработавшие свое «сборки», то оснастка «фонит» по бета-излучению на 200-300 ПДУ (предельно допустимый уровень радиационного излучения). Ну и куда его потом девать? Туда, откуда и взяли – в мать сыру-землю на веки вечные. Так никакого циркония не напасёшься.

А вот если в конструкции ТВС (тепловыделяющей сборки) использовать только изотоп цирконий 90, то получим весьма долгоиграющий материал.
Внутри реактора он вначале перейдёт в цирконий 91, потом в цирконий 92, и только потом - в 93-й изотоп. Да и то - не факт. Вероятность того, что в один и тот же атом три раза попадет нейтрон, да еще с поглощением, крайне мала.

Поэтому цирконий можно использовать вновь и вновь. Экономия денег просто огромная. Ну и про сечение захвата давайте упомянем. Тепловые нейтроны пролетают сквозь него без задержек и нагревают теплоноситель, а не сборку. Топливо равномерней выгорает, сами ТВС меньше деформируются, тех же высокоактивных отходов меньше в 5-10 раз - и это уже громадная экономия.

Сергей Геннадьевич сделал паузу, ожидая мою реакцию.
- Звучит это конечно крайне заманчиво, но только вот главный вопрос остался открытым – КАК? Как получить это цирконий 90 или 206-й свинец?

- Так это вообще не вопрос. А как мы обогащенный уран получаем? Вот же, – Сергей Геннадьевич кивнул в сторону окна – целый завод стоит. Круглые сутки только и делает, что 235 уран от 238-го отделяет. Что уран, что цирконий, все одно – металлы.
Достаточно превратить металл в подходящее "летучее" вещество", загнать его в каскад центрифуг, и отделить тяжелые изотопы от легких - эту задачу мы решили еще 50 лет назад.

сейчас вообще уникальная ситуация сложилась, и если удастся ей воспользоваться, то мы захватим весь мир, хоть и в узком производственном сегменте, но с мощным потенциалом, соизмеримым даже с мировым рынком урана.
При этом, данные материалы востребованы и после первого удачного опыта их применения потребность в них может резко возрасти. Вот давайте разложим все по полочкам.
Если смотреть на изотопно-смещенные материалы как на продукт, то будет видно видим, что потенциальная потребность в них есть, а вот рынка, как такового, нет.
Почему не используют эти металлы до сих пор - потому что никто не производит в промышленных масштабах (требуемые объемы десятки, сотни, тысячи тонн).Спрашивается, почему не производят и не производили? Потому что все разделительное производство занято под разделение урана. И вот тут мы имеем так называемое «окно возможности», когда в нашу пользу играют сразу несколько обстоятельств.

Мы обладаем уникальными технологиями центрифужного разделения изотопов, и у нас высвобождаются мощности под производство чего-то еще, кроме урана.
Совсем недавно мы откупоривали шампанское по поводу запуска в производство центрифуг девятого поколения. А «девятка» не просто лучше, чем предыдущие поколения, она имеет производительность лучшую в разы. .

Это значит, что установив в цепочку одну «девятку», мы безболезненно, сможем вывести даже не одну «семерку», а поболее. А ведь «семерки» еще способны работать и работать.
С точки зрения технологии нам разницы нет, что уран обогащать, что свинец обеднять. Сейчас изотопы, о которых мы говорили выше, производятся в лабораторных условиях в мизерных количествах, в считаных граммах. Естественно, что их цена имеет астрономические масштабы. Мы же говорим о производстве сотен тонн на готовых площадях, с оборудованием и обученным персоналом!

Не стоит, думаю, объяснять, как это скажется на себестоимости продукции. Выйдя на рынок, а вернее создав этот рынок, мы станем и законодателями, и монополистами. Даже если конкуренты решатся броситься вдогонку, им придется либо высвобождать мощности от урана (на чем тогда их АЭС будут работать – непонятно), либо строить новые производства с нуля (а это большие капиталовложения, которые будут влиять на стоимость продукта)!

Ну вот, как-то так, – Сергей Геннадьевич потянулся к чашке с уже остывшим кофе, – а вы говорите «золото»..