Как распознать невидимку?

Впервые для анализа использован метод масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС), который позволил не только оценить состояние активной зоны и масштаб выброса радионуклидов в атмосферу, но и сделать вывод о незаявленной ядерной деятельности, имевшей место до аварии. Об уникальных результатах, полученных методом ВИМС, рассказал в ФИАН доктор технических наук Н.Н. Вениаминов, специализирующийся в области контроля ядерной деятельности по данным анализа тонкодисперсных продуктов, включая диагностику ядерных испытаний радионуклидным методом.

    По Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний развернута Международная система мониторинга (МСМ) с использованием четырех методов контроля: сейсмологического, радионуклидного, гидроакустического и инфразвукового. Российский сегмент МСМ представлен станциями наблюдения, функционирующими под эгидой Службы специального контроля Минобороны России. В Договоре поименованы радионуклидные станции в Кирове, Норильске, Пеледуе, Билибино, Уссурийске, Залесово, Петропавловске-Камчатском и Дубне.

    Традиционным методом исследования аэрозольных проб в системе МСМ является гамма-спектрометрия высокого разрешения. Этот метод не требует трудоемкой пробоподготовки и отличается простотой выполнения измерений, что позволяет оперативно анализировать пробы в ежедневном режиме их отбора. Авария произошла 11 марта 2011 г., а 17 марта радиоактивное облако достигло Петропавловска-Камчатского.

    Рассказывает Николай Николаевич Вениаминов.

    По данным гамма-спектрометрии, аэрозольная проба содержала, во-первых, радионуклиды, характерные для «проектных» аварий, — летучие продукты деления и изотопы, имеющие летучих предшественников в изобарных цепочках распада: ¹³¹I, ¹³²I, ¹³³I, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰La. Для их выброса в атмосферу не обязательно масштабное разрушение реактора, они могут покидать активную зону и по микротрещинам в конструкции. Во-вторых, были найдены и те изотопы, которые таких предшественников не имеют, включая продукты активации (выделено красным): ²⁴Na, ^99mTc, ^110mAg, ¹²⁹Te, ^129mTe, ¹³²Te, ¹³⁴Cs, ¹³⁶Cs. Если отношение активностей ¹³⁴Cs и _¹³⁷Cs больше 0,01, то принято делать вывод о том, что первый изотоп появился не в результате ядерного взрыва, когда времени для его образования из ¹³³Cs недостаточно, а имеет «реакторное» происхождение; в пробе этот параметр достигал ~0,7.

    Закономерен вопрос, сопровождалась ли авария выбросом твердого вещества, или радиоизотопы второй группы попали в окружающую среду по тем же каналам утечки, что и летучие продукты деления? Теоретически такое возможно в случае расплавления топливных сборок, учитывая физико-химические свойства окислов этих элементов и циркония, идущего на изготовление оболочек ТВЭЛов (Т_пл = 1852 °С).

Аналитическая камера установки «Микролаб»

    Для ответа на поставленный вопрос нужно экспериментально установить характер распределения примесей в частицах аэрозоля. В первом случае (выброс твердого вещества) они должны присутствовать в объеме частиц (первичные аэрозоли), во втором случае (вынос продукта с газовой фазой) — на их поверхности (вторичные аэрозоли).

    Методом валового анализа разрешить дилемму невозможно, для этой цели идеально подходит метод ВИМС, основанный на послойном ионном распылении поверхности твердого тела. Варьируя скорость эрозии, можно изучать элементный состав слоев, отличающихся глубиной залегания («динамический» режим распыления), в том числе, – анализировать внешний монослой («статический» режим). Трассером, несомненно, должен служить изотоп ²³⁸U, который является основой (по массе) ядерного топлива энергетических реакторов, в расплаве его на несколько порядков больше, чем любого из перечисленных радионуклидов, а диоксид урана (UO₂) испаряется без разложения при температурах свыше 1400 °С. В случае реализации первого сценария в пробах обязательно должны присутствовать частицы с высокой объемной концентрацией урана.

    Измерения выполнены на установке «Микролаб» (VG Scientific, Великобритания), которая ранее была использована для определения изотопного состава урана в модельных частицах его оксидов, в частицах реальных проб с предприятий ядерного топливного цикла, в массивных образцах из материала сердечника бронебойного снаряда, примененного силами НАТО в Югославии. Все эти данные публиковались в период с 1991 по 2007 годы, так что опыт анализа урансодержащих материалов методом ВИМС накоплен большой.

    Объектами исследования служили зольные остатки проб, отобранных на фильтр-материал ФПА (фильтр Петрянова ацетил-целлюлозный). Для приготовления препаратов взвесь частиц в ацетоне наносили по каплям на графитовую подложку. Связующее вещество не добавляли, частицы и без него хорошо держались на поверхности после испарения ацетона. Процедура повторялась до тех пор, пока на графите не образовывались видимые невооруженным взглядом скопления частиц в виде пятен на графите. Зольный остаток не содержит органических веществ, присутствие которых может приводить к зарядке поверхности под ионным пучком, поэтому эффективное стекание заряда на проводящую подложку гарантировано даже в том случае, если частицы (микронных размеров) расположены вплотную друг к другу.

    Не вдаваясь в методические подробности, назову главный результат анализа: обнаружены изотопы ²³⁸U и _²³²Th, присутствующие не в объеме, а на поверхности частиц аэрозоля, где их относительные атомные концентрации в десятки (уран) и сотни (торий) раз превышают те, которые соответствуют среднему содержанию элементов в земной коре. Частицы, содержащие уран или торий в своем объеме, в пробе не найдены.

    Поскольку вклад поверхностного слоя частиц в общую массу аэрозоля очень мал (~0,001), абсолютные массовые концентрации нуклидов оказываются даже меньше, чем в природе (0,2 грамма на тонну пыли против 3 г/т и 2 г/т против 8 г/т для урана и тория соответственно). Это означает, что никаким методом валового анализа было бы невозможно идентифицировать изотопы ²³⁸U и ²³²Th «реакторного» происхождения на поверхности частиц аэрозоля на фоне тех же природных изотопов, изначально присутствующих в их объеме. Но это удалось сделать с помощью метода ВИМС на установке «Микролаб», введенной в эксплуатацию еще в 1990 г. и обладающей далеко не блестящими характеристиками.

    Полученные экспериментальные данные позволяют сделать ряд взаимосвязанных выводов.

1. Изотопы ²³⁸U и ²³²Th имеют «реакторное» происхождение, потому что

     а) обнаружены не в объеме, а на поверхности частиц аэрозоля, следовательно, адсорбированы из газовой фазы, где могли оказаться только в результате расплавления топливных сборок и последующего выноса в атмосферу вместе с летучими продуктами деления; в природе таких источников «напыления» урана и тория не существует;

     б) найдены только в пробах, отобранных в нескольких пунктах наблюдения после аварии и содержавших, по данным гамма-спектрометрии, характерные радионуклиды; для пробы из Петропавловска-Камчатского от 17.03.11 эффект максимален.

     в) атомные концентрации нуклидов на поверхности частиц многократно превышают фоновые, благодаря чему и оказалось возможным их обнаружение на приборе среднего класса, не позволяющим регистрировать эти же элементы на уровне фоновых концентраций.

2. Конструкция аварийного реактора не претерпела масштабных разрушений, о чем говорит отсутствие частиц с повышенной объемной концентрацией урана (или тория), появившихся в результате выброса вещества расплава в твердом состоянии.

3. Аварию на АЭС «Фукусима-1», квалифицируемую по факту расплавления топливных сборок как «запроектную», следует по механизму утечки радионуклидов во внешнюю среду отнести к разряду «проектных», поскольку выброса первичных аэрозолей (как в Чернобыле) не было. Здесь просматривается аналогия с камуфлетными подземными ядерными взрывами, когда каналы для напорного истечения первичных аэрозолей на дневную поверхность тоже не образуются. Выброс облученного топлива был незначительным, потому что произошел только через газовую фазу и с образованием только вторичных аэрозолей, что свидетельствует о высокой эффективности барьеров защиты реактора.

4. Впервые на практике на базе ВИМС реализован дистанционный способ оценки состояния активной зоны и барьеров защиты реактора после аварии.

    Чтобы объяснить присутствие в пробах тория, сделаем краткий экскурс в область ядерных технологий. Для работы реактора или взрывного устройства необходимо первичное ядерное горючее, к которому относятся уран-235 (природный изотоп), плутоний-239 и уран-233; все они подвержены делению нейтронами любых энергий (беспороговое деление). Распространенность изотопа ²³⁵U — всего 0,72 %, остальное — ²³⁸U (есть еще уран-234 в ничтожных количествах), но он относится к разряду вторичного ядерного горючего, способного к делению только под воздействием нейтронов достаточно высоких энергий. В том числе, «термоядерных» (14 Мэв), образующихся в реакции синтеза дейтерия с тритием, что используется при создании зарядов мегатонного класса, работающих по схеме деление-синтез-деление, как изделие РДС-6с, испытанное 12 августа 1953 г. на Семипалатинском полигоне.

    С учетом ограниченности природных запасов урана-235, в последние десятилетия разрабатывались ресурсосберегающие технологии, одна из которых представляет собой топливный цикл на основе ²³²Th и ²³³U, запас которого возобновляется в самом реакторе: ₉₀Th²³² (n, γ) → ₉₀Th²³³ (β) → ₉₁Pa²³³ (β) → ₉₂U²³³. Технология перспективна уже хотя бы потому, что содержание тория в земной коре в 2-3 раза выше, чем урана. Но Япония официально развивает другую ресурсосберегающую технологию, основанную на применении МОХ-топлива (mixed oxide), содержащего помимо урана-235 еще и плутоний-239, которого во всем мире накоплено несметное количество. Никакая ядерная деятельность с использованием тория Японией не заявлена. Почему?

    Чтобы выстроить четкую логику результатов анализа, будем нумеровать арабскими цифрами отправные тезисы исходной информации, включая общеизвестную, а римскими цифрами — вытекающие из этих тезисов выводы.

1) Уран и торий попали в окружающую среду из расплава топливных сборок через газовую фазу.

2) На поверхности частиц аэрозоля концентрация тория выше, следовательно, при выбросе из реактора в газовой фазе оказалось больше тория, чем урана.

3) Между тем, UO₂ испаряется без разложения выше 1400 °C, а ThO₂ исключительно тугоплавок: Т_пл = 3200 °C, Т_кип = 4400 °C.

Вывод I: торий не входил в состав уранового топлива, поскольку присутствовал в расплаве не в виде окисла, а в виде другого химического соединения, гораздо более летучего, чем UO₂.

4) Такими соединениями являются соли тория, например, ThCl₄ (Тпл = 765 °C, Ткип = 922 °C).

Вывод II: торий предполагалось облучать в реакторе отдельно от урана, поскольку он не входил в состав уранового топлива, но оказался в расплаве (в виде соли), следовательно, до аварии находился в отдельной емкости в пределах активной зоны.

5) Для обеспечения гарантий по Договору о нераспространении ядерного оружия в уран-ториевом цикле должно использоваться топливо, содержащее торий и все три изотопа урана одновременно в концентрациях, делающих неэффективным применение трехкомпонентного материала в военных целях:

как видим, оружейные характеристики ²³³U намного выше, потому что для двухкомпонентного материала С_крит(²³⁵U) = 20 %, а С_крит(²³³U) = 12 %.

6) Если торий облучается в реакторе отдельно от урана, то образующийся из него уран-233 элементарно извлекается химическими методами.

Вывод III: Ядерная деятельность с использованием тория не заявлена Японией потому, что её целью была наработка урана-233 в чистом виде.

    Николай Николаевич, уточните, пожалуйста, где публиковалось то, о чем Вы рассказали в своем докладе?

    Впервые материалы по «Фукусиме» были доложены на Юбилейной XV-й Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», проходившей 1—5 октября 2012 г. в Звенигороде (Ершово). Традиционно ее организаторами выступили Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) и НИЦ «Курчатовский институт». В 2013 г. материалы конференции опубликованы в журнале, который издает Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН:

– Вениаминов Н.Н. Масс-спектрометрия вторичных ионов как инструмент контроля ядерной деятельности. Диагностика аварии на АЭС «Фукусима-1». // Перспективные материалы, специальный выпуск № 14, февраль 2013 г., с. 123.

Вторая, более поздняя публикация датирована 2012 годом, но это лишь по той причине, что номера журнала выходят с опозданием:

– Вениаминов Н.Н., Смирнов А.В., Березин А.В., Тарасов А.Ю. Масс-спектрометрическое определение следов урана и тория в аэрозолях, отобранных на российской территории после аварии на японской АЭС «Фукусима-1». // Российский химический журнал, 2012, т. LVI, № 5-6, с. 87.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»