Соединённые Штаты не могут преодолеть технические трудности, возникшие при наработке трития в интересах военных ведомств. К такому выводу пришли аудиторы главной бухгалтерской службы (GAO, аналог Счётной палаты) США в докладе, представленном в американский конгресс в октябре 2010 года.
Наработка трития
Национальное управление ядерной безопасности (NNSA) США работает над восстановлением возможностей Соединённых Штатов по производству трития, одного из ключевых радиоизотопов для нужд военной ядерной программы.
Тритий имеет относительно короткий период полураспада 12,33 года, и его запасы подлежат периодическому обновлению. Во время холодной войны тритий производился в США на ядерных объектах Саванна-Ривер (Южная Каролина) и Ханфорд (Вашингтон).
Последний из промышленных реакторов-наработчиков трития был остановлен в США в 1988 году по соображениям безопасности. С тех пор, единственным источником пополнения запасов трития остаётся повторное использование трития из демонтированных боеголовок. Разумеется, это всего лишь временное решение.
В 1996 году Соединённые Штаты приняли программу "Тритиевая готовность" (Tritium Readiness Program), за исполнение которой в настоящее время отвечает NNSA. Годовой бюджет программы составляет до 70 миллионов долларов.
Наработка трития ведётся в США сейчас следующим образом. СВП из нержавеющей стали, содержащие алюминат лития и цирконий (tritium-producing burnable absorber rods, TPBAR) облучаются в реакторе "Уоттс Бар-1" (Watts Bar-1), принадлежащем компании TVA.
Период облучения составляет 18 месяцев. После извлечения из активной зоны, стержни TPBAR транспортируются в Саванна-Ривер для переработки и выделения трития и последующей подготовки трития для передачи военным.
Начиная с момента облучения первой партии стандартных TPBAR (2003 год), у американцев возникли технические сложности. Прежде всего, тритий утекает - или "проникает" - через оболочки стержней в теплоноситель, и скорость утечки существенно выше, чем предсказывалось. Выход трития в теплоноситель, а впоследствии, и в атмосферу неминуемо приводит к росту доз на население окружающих районов.
Организация работ
Впервые вопрос о необходимости принятия мер для пополнения запасов трития ревизоры GAO поставили в августе 1993 года. Времени для этого было достаточно - аудиторы вычислили, что дефицита трития американские военные не будут испытывать до 2012 года.
Департамент оборонных программ при министерстве энергетики США (предшественник NNSA) изначально сравнивал два подхода к производству трития. Первый из них - получение трития на ускорителях. Разогнанный почти до скорости света протонный пучок должен был облучать вольфрамовые мишени, скалывая с атомов вольфрама нейтроны. Последние, в свою очередь, захватывались бы на ядрах гелия, что по известной реакции приводило бы к образованию трития. Однако после долгих размышлений ускорительная технология была отвергнута.
Второй подход, который и получил в итоге путёвку в жизнь - наработка трития в энергетических реакторах. Удобным местом в активной зоне для производства трития были признаны стержни с выгорающим поглотителем (СВП). Тихоокеанская национальная лаборатория при поддержке лаборатории Айдахо создала проект стержней TPBAR, которыми следовало заменять часть СВП.
Стержень TPBAR, рисунок NNSA
В 1999 году министерство энергетики США заключило договор с компанией TVA на облучение стержней TPBAR на АЭС "Уоттс Бар" и "Секвойя". В 2000 году NNSA выплатило компании плату за облучение, а также выдало обязательство покрывать все дополнительные расходы, связанные с облучением. Общая сумма сделки оценивалась в 1,5 миллиарда долларов за 35 лет.
TVA обратилась в комиссию по ядерному регулированию (NRC) США с просьбой о внесении поправок в лицензии, позволяющих приступить к наработке трития. Это было сделано в 1997 году. В этом же году первая партия из 32 стержней была загружена в активную зону.
Результаты квалификации были признаны успешными, и в 2002 году TVA добилась от регуляторов нового дополнения к лицензии, согласно которому она получила право загружать в "Уоттс Бар-1" до 2304 TPBAR за кампанию.
Собственно к наработке трития приступили в 2003 году, и первая партия стержней ушла на переработку после полуторагодичного облучения. Единственным блоком, в который загружались TPBAR, был и остаётся "Уоттс Бар-1".
Изготовителем первой партии стержней стала Тихоокеанская национальная лаборатория. В 2000 году контракт на производство TPBAR был подписан с компанией "WesDyne International", дочерней фирмой "Westinghouse". Компания закупила необходимое оборудование и организовала выпуск стержней на одном из заводов "Westinghouse" в Южной Каролине - там же, как фабрикуется топливо для блока "Уоттс Бар-1".
За Тихоокеанской лабораторией сохраняется роль конструктора. Она предоставляет производителю проектную документацию, а также содержит у себя запасное производство на тот случай, если "WesDyne" по тем или иным причинам не сможет продолжать выполнение контракта.
Загрузка TPBAR в активную зону производится одновременно с частичной перегрузкой топлива. После облучения в течение 18 месяцев, стержни несколько месяцев выдерживаются и затем перевозятся в Саванна-Ривер для переработки в специализированном цехе "Tritium Extraction Facility", построенном в 2007 году и обошедшемся американской казне в 500 миллионов долларов.
Переработка TPBAR происходит обычным образом - вскрываются стержни и выделяется тритий. Образующиеся низкоактивные отходы хранятся в Саванна-Ривер. Полученный тритий передаётся министерству обороны США.
С первых дней производства трития в промышленных масштабах головной болью для персонала АЭС "Уоттс Бар" оказались утечки в теплоноситель. Для энергетического реактора принципиально важно соблюдать нормативы по активности в первом контуре, и повышенная концентрация в нём трития людей не радовала.
Тихоокеанская лаборатория несколько раз переделывала проект TPBAR, пытаясь минимизировать утечки, но конечной цели не достигла. В этой ситуации эксплуатирующая организация была вынуждена пойти на ограничение количества загружаемых стержней - их облучается теперь существенно меньше, чем предполагалось исходно.
TVA и NNSA разработали несколько планов, как избавиться от утечек и повысить производительность по тритию. Возможно, что эти планы жизнеспособны. Однако говорить о них можно только в условном наклонении, потому что с регуляторами они согласованы не были.
Диаграмма процесса производства трития в США
Корректирующие планы
Поправка к лицензии на "Уоттс Бар-1" позволяет загружать в активную зону одновременно 2304 стержней TPBAR при условии, что утечка трития из каждого из стержней не будет превышать 1 Ки/год.
Реальная утечка составляет 4,2 Ки/год из одного стержня. Для сравнения, в одном стержне за сеанс облучения (18 месяцев) образуется 10 000 Ки трития.
Изменения, вносившиеся в конструкцию TPBAR в попытках справиться с проблемой, касались, в первую очередь, газопоглотителя (getter). К сожалению, все попытки решить задачу конструктивными мерами провалились - скорость утечки в новых вариантах стержней практически не изменилась. Хуже того, учёные и инженеры до сих пор не в состоянии понять, что является первопричиной течей.
Если нельзя уменьшить удельную утечку, то остаётся только возможность понизить интеграл. Первоначальные планы NNSA предусматривали облучение 1160 TPBAR за кампанию к 2010 году и выход на 2700 TPBAR за кампанию к 2013 году (условия лицензии при этом не нарушались бы, так как стержни загружались бы в два реактора, а не один).
На самом же деле, компания TVA сейчас облучает только по 240 стержней за компанию и делает это только в одном реакторе. По поводу блоков АЭС "Секвойя", также прописанных в договоре с NNSA, у энергетиков есть сомнения. Они предпочли бы, чтобы весь процесс наработки трития происходил бы в одном реакторе, а не на нескольких.
Как результат, цех "Tritium Extraction Facility" в Саванна-Ривер, работает только три месяца в году, а всё остальное время простаивает. По заданию конгресса США аудиторы GAO изучили предложение о временном закрытии цеха до тех пор, пока не окажется решённой проблема течей, но это оказалось дороже, чем принятый сегодня вариант - три месяца работы и девять месяцев простоя.
Можно ли всё-таки увеличить производство трития в Соединённых Штатах? Такие планы у NNSA и TVA есть. Текущий поставленный ориентир - выход на облучение 544 TPBAR за кампанию в течение трёх последовательных кампаний "Уоттс Бар-1", начиная с 2011 года. В 2017 году к этому блоку могут всё-таки присоединиться два блока АЭС "Секвойя".
Обсуждался вопрос и о налаживании тритиевого производства на строящемся блоке "Уоттс Бар-2". Но блок вступит в строй не ранее 2012 года. Кроме того, маловероятно, что блок приступит к наработке трития на первой кампании, что означает ещё 18 или даже 36 месяцев задержки.
NNSA и TVA предполагают внести определённые модификации в проект блока "Уоттс Бар-1", снижающие остроту тритиевой проблемы. Например, в состав первого контура может быть добавлен бак выдержки большого объёма, что позволило бы лучше контролировать содержание трития в теплоносителе. Стоимость бака оценивается в 13 миллионов долларов, плюс ещё по 0,5 миллиона долларов ежегодно будет отнимать его обслуживание.
Другой вариант - разработка и поставка специализированной системы очистки воды от трития. Её стоимость ещё дороже, 50-60 миллионов долларов при покупке и 9-10 миллионов долларов ежегодно за обслуживание.
Наконец, можно постараться убедить регуляторов в том, что введённые ими ограничения по течам трития чрезмерно жёсткие. Для этого необходимо провести всесторонний анализ последствий для окружающей среды при увеличенных течах и добиться новой поправки к лицензии. Качественный ОВОС обойдётся от 2 до 5 миллионов долларов, поправка к лицензии - в 5 миллионов. И конечно же, гарантировать, что регуляторы согласятся повысить предельно допустимые скорости течей, заранее никто не может.
Все эти планы, от бака выдержки до переделки ОВОС, пока не обсуждались с NRC. Более того, аудиторы выяснили, что в регулирующем органе не все осведомлены о возникших на "Уоттс Бар-1" проблемах. В частности, для чиновников регулирующей комиссии стал новостью тот факт, что TVA не в состоянии загружать в "Уоттс Бар-1" столько стержней, сколько ей разрешено по лицензии.
Деньги и частные собственники
Атомная отрасль США слишком много надежд возлагает на частную собственность и слишком мало доверяет государству. Упор на бизнес неоднократно подводил американских атомщиков, но они снова и снова наступают на одни и те же грабли.
Аудиторы GAO отмечают, что государственный орган (NNSA) полагается на частных поставщиков в деле производства стержней TPBAR. Хотя разработчиком технологии стержней является национальная лаборатория, контракт на их выпуск заключён с дочерней фирмой "Westinghouse" - "WesDyne International".
Производство TPBAR довольно-таки сложно, и справиться с ним в Соединённых Штатах способны немногие, становясь фактически монополистами. Чтобы заручиться гарантией от потери интереса производителя или попыток шантажа с его стороны, NNSA подписало с "WesDyne" контракт с фиксированной ценой сроком на 44 года.
Некоторое удивление у аудиторов вызвали обстоятельства подписания контракта. NNSA не смогло предоставить им документы, обязательные при заключении соглашения на столь длительный срок с участием государственной и коммерческой структур. Вместо этого, управление большее внимание уделяло вопросам "национальной чистоты" контракта. В контракт были включены положения, запрещающие участие иностранных субподрядчиков в производстве TPBAR.
Ещё более забавным аудиторы нашли тот факт, что NNSA не сразу сумело доказать своего юридического права заключать контракты столь большой продолжительности.
Естественно, что главная бухгалтерская служба не обошла вниманием вопрос о деньгах. Министерство энергетики выделяет ежегодно крупные суммы на нужды производства трития. Так как программа развивается не столь успешно, как хотелось бы, часть денег остаётся неизрасходованной. Остатки на счетах постоянно растут, что заставляет задуматься о правильности принятых в программе управленческих подходов.
В порядке заключения, аудиторы GAO считают необходимым разработать всеобъемлющий план мероприятий по снижению выбросов трития в атмосферу при производстве трития для военных нужд, изучить возможные альтернативные пути накопления трития и навести порядок в финансовых аспектах тритиевой программы.