Борис Марцинкевич. Настоящие, а не придуманные проблемы с рутением

Отчет МАГАТЭ о ситуации, сложившейся в Европе с фиксированием в воздушных пробах радиоактивного изотопа рутения-106 в конце сентября — начале октября, появился на официальном сайте этой организации 19 октября. Публикуя статью по этому поводу, Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru был абсолютно уверен, что на этом псевдосенсация и закончилась.

И действительно, через 2-3 дня после вердикта «главной атомной организации» слово «рутений» со страниц западных СМИ бесследно исчезло, вместе с нелепой версией о том, что утечка была допущена на атомных объектах России. Догадаться, что через месяц Росгидромет примет решение начать волну радиофобии уже в нашей стране, мы не смогли — Нострадамусов в роду не числится.

Но рутений-106 — это не только три, а то и четыре легкоусвояемых информационных вброса, но и весьма серьезная проблема для атомного проекта. Проблема давняя, но пока так и не решенная, и вот это гораздо важнее, чем паника по поводу того, что содержание рутения-106 в воздухе меньше предельно допустимой концентрации не в 10’000, а всего лишь в 270 раз. Авторитетный журнал «Атомный эксперт» попросил коротко напомнить, в чем тут дело и мы, разумеется, отказывать не стали, а заодно и поделились рядом соображений по поводу того, как организован мониторинг радиационной обстановки в Европе.

Конечно, есть подозрения, что «язык», на котором написана статья, несколько отличается от обычного стиля Геоэнергетики, но это всего лишь маленькая слабость, которую себе позволил наш главный редактор — впервые за последние два года он не стал заниматься «переводом» текста на «человеческий». Предлагаем понять и простить — он готов ответить на все вопросы по поводу использованной терминологии.

Совсем недавно в СМИ отшумела-отгремела сенсация о том, что в воздухе над Европой были обнаружены совсем небольшие, но вполне измеримые концентрации радиоактивного изотопа рутения. Долго эта сенсация не продержалась — меньше месяца прошло с того момента, как немецкие радиологи нашли в пробах воздуха 106Ru и сочинили фантастическую версию об утечках с нашего «Маяка», до того момента, когда МАГАТЭ эту версию опровергло.



Шумиха утихла, журналисты успокоились. Удивительным образом это не вызвало даже признаков дискуссии о том, что же такое 106Ru, что он «забыл» на Урале, по каким таким причинам станции наблюдения за радиологической обстановкой в обязательном порядке настроены на «поимку» рутения. А между тем радиоактивные изотопы рутения заслуживают вдумчивого анализа. Почему они остаются проблемой, представляют потенциальную радиоактивную опасность? Что нужно сделать, чтобы решить эту проблему окончательно? Достаточно ли существующей системы предупреждения и оповещения, чтобы изотопы рутения не причинили вреда населению?

Если говорить о потенциальной угрозе радиоактивного изотопа рутения, то нужно оценивать ее грамотно, не пытаясь гнаться за сенсационностью. 106Ru — наиболее долгоживущий радиоактивный изотоп рутения с периодом полураспада 373,6 суток, радиоактивный и радиотоксичный. 106Ru подвержен бета-распаду, в результате которого образуется 106Rh, который затем, практически сразу, испытывает еще один бета-распад с образованием уже стабильного 106Pd. Эти два бета-распада порождают электроны широкого спектра энергий вплоть до 3 МэВ и сопровождаются гамма-излучением (наиболее сильные линии — 511 и 622 кэВ).

Допустимый предел годового поступления радиоактивных изотопов рутения через органы дыхания — от 1,4 до 21 микрокюри, критические органы — желудочно-кишечный тракт и легкие. Концентрация 106Ru в пробах воздуха над европейскими странами была настолько мала, что не представляла ни малейшей угрозы здоровью населения, поэтому столь пристальное внимание к его появлению было совершенно надуманным. На этом обсуждение осеннего инцидента и следует прекратить — не было никакой реальной угрозы здоровью человека, а то, что станции радиологического контроля смогли зафиксировать столь малые концентрации 106Ru, можно считать их своеобразным тестированием, которое убедительно доказало, что станции работают на хорошем техническом уровне.

103Ru и 106Ru — старинная, но не желающая уходить в прошлое проблема атомной энергетики. Дело не в физических, а в химических их свойствах. Рутений — металл платиновой группы, в химических соединениях проявляющий валентность от 0 до 8, девять вариантов. Из-за этого рутений активно вступает в самые разные соединения, в том числе и в широкий класс нитрозосоединений, содержащих группировку RuNO, в которой рутений трехвалентен. Эти комплексные соединения отличаются высокой устойчивостью и кинетической инертностью, что и вызывает огромные проблемы при переработке ОЯТ атомных реакторов.

Рутений различного изотопного состава — один из продуктов деления как урана, так и плутония; на момент окончания облучения топлива в реакторе активность наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа 106Ru достигает 2,01 Бк на тонну ОЯТ. Среднее время выдержки ОЯТ перед радиохимической переработкой на заводе «Маяк» — от 6 до 10 лет. Следовательно, к моменту окончания переработки 106Ru квалифицируется как высокоактивный радиоактивный отход. В соответствии с «Основными санитарными правилами обеспечения радиоактивной безопасности», выделенный из ОЯТ 106Ru должен храниться в течение 40 лет. Как видим, уже по этой причине рутений является проблемой, поскольку входит в состав ВАО со всеми вытекающими отсюда сложностями: хранение, остекловывание, захоронение.



Конечно, рутений, из-за целого ряда его полезных свойств, востребован в различных отраслях промышленности, в последнее время его стали использовать и в ядерной медицине. Добавки рутения значительно повышают твердость, прочность, электросопротивление и коррозионную стойкость сплавов. Рутений вводят вместо дорогостоящего иридия в сплавы (с платиной и палладием), используемые для изготовления износостойких деталей различных измерительных приборов, мощных и слаботочных электроконтактов, ювелирных изделий.

Из сплавов иридия с рутением изготовляют электроды термопар, эксплуатируемых до температуры 2’000 °C. Однако процесс выделения рутения из состава ВАО слишком дорог и поэтому совершенно нерентабелен. Ученые работают над уменьшением себестоимости процесса, но до промышленного применения экспериментальных методов пока далеко. В любом случае, это уже физическая сторона проблемы, причем проблемы того рутения, который удалось выделить из состава ОЯТ.

В ядерной медицине водные растворы 106Ru низкой концентрации используются в качестве аппликаторов при терапии раковых заболеваний глаз. Высокая себестоимость извлечения 106Ru из состава ВАО вынуждает использовать для его наработки циклотроны, что значительно дешевле. Разумеется, правила обращения с 106Ru в лабораториях, оснащенных циклотронами, весьма строгие, но данные о фиксации 106Ru над странами Европы не оставляют сомнений: утечка произошла в одной из таких лабораторий. Идентифицировать источник утечки рутения так и не удалось, поэтому остается только надеяться, что сотрудники всех таких лабораторий внимательно отнесутся к инциденту и примут дополнительные меры предосторожности при работе с изотопом.

Для замыкания ядерного топливного цикла нашим радиохимикам нужно уметь выделять из ОЯТ сохранившиеся в нем 235U и образовавшиеся изотопы плутония, только в этом случае удастся произвести МОХ-топливо для реакторов на быстрых нейтронах. Наличие рутения в составе МОХ-топлива недопустимо из-за того, что у этого химического элемента весьма высокое сечение захвата нейтронов, поэтому «вычищать» рутений необходимо максимально тщательно. Выделение урана и плутония осуществляется при помощи PUREX-процесса, что и вызывает проблемы, связанные с рутением.

Первая и совершенно необходимая стадия PUREX-процесса — растворение ОЯТ в азотной кислоте. Как только появляется азотная кислота, возникает проблема рутения. Часть рутения при взаимодействии с ней превращается в те самые комплексные нитрозосоединения самого разного состава. Группировка RuNO позволяет нитрозосоединениям взаимодействовать как между собой, так и с другими ионами, находящимися в растворе, они гидролизуются и даже объединяются в неорганические полимерные молекулы. Комплексы совершенно разные, но разделить и идентифицировать их трудно, так что химики вынуждены работать со всеми нитрозосоединениями рутения одновременно.

Существует несколько методов отделения урана и плутония от «осколков» деления; от части этих методов инженеры постепенно отказались, остановившись на самых эффективных и результативных.

Один из таких методов — ионообменный, при котором раствор, содержащий различные ионы, проходит через систему ионообменных аппаратов. При этом уран и плутоний задерживаются ионитами в аппаратах, а прочие элементы свободно проходят через всю систему. Проходят практически все «осколки» деления, но рутений — только частично, часть его остается на ионообменнике вместе с ураном и плутонием.

В другом методе отделения урана и плутония — осадительном — уран и плутоний переводятся в осадок набором химических реактивов, при этом «осколки» деления остаются в растворе, однако некоторое количество рутения остается в осадке вместе с ураном и плутонием.

При очистке методом экстракции ядерное топливо извлекается из водного раствора органическими растворителями, «осколки» деления остаются в водной фазе, но опять же не все — рутений частично остается в органической фазе, в коллоидах, вместе с ураном и плутонием.

Проблему очистки ядерного горючего от рутения ученые пытались решить, применяя сухие методы, исключающие растворение урановых блоков. Вместо азотной кислоты их обрабатывали фтором. Предполагалось, что уран при этом перейдет в летучий гексафторид и отделится от нелетучих фторидов «осколочных» элементов. Но рутений и тут остается верен себе — оказалось, он тоже образует летучие фториды.

Борьбе с радиоактивным рутением уделяют много внимания физики, химики, технологи и особенно радиохимики многих стран. На I (1955 год) и II (1958 год) Международных конференциях по мирному использованию атомной энергии в Женеве этой проблеме было посвящено несколько докладов. Прошло полвека, однако до сих пор нет оснований считать борьбу с рутением оконченной успешно, и, видимо, химикам придется еще немало поработать для того, чтобы эту проблему можно было перевести в категорию окончательно решенных.

В настоящее время проблему рутения удается решать только применением трехкратной экстракции, при которой используется трибутилфосфат (ТБФ). Главное преимущество ТБФ как экстрагента — его способность извлекать из азотнокислого раствора уран и плутоний, значительно более высокая, чем у любых других экстрагентов. Заметим, что из трех этапов экстракции второй и третий используются только для решения проблемы нитрозосоединений рутения. Для удаления долгоживущих изотопов цезия, стронция, иттрия, редкоземельных металлов достаточно одной стадии экстракции. И даже тройная экстракция не позволяет окончательно избавиться от рутения — чтобы «вытащить» его из коллоидов урана и плутония, требуется дополнительная очистка на абсорбентах.

Рутению радиохимики обязаны и тем, что растворы урана и плутония в азотной кислоте приходится очищать и во время предварительных этапов, до начала работы экстракционных колонн. Каждый этап, каждая стадия очистки ядерного топлива от соединений рутения — это дополнительные расходы, которые радиохимические заводы вынуждены нести, чтобы получить нужный результат — уран и плутоний максимальной чистоты.

Следовательно, именно этому химическому элементу мы во многом обязаны высокой себестоимостью МОХ-топлива — проблемой, которая вызывает трудности при осуществлении программы реакторов на быстрых нейтронах. Проблема актуальна для России даже больше, чем для других стран, поскольку в БН-реакторах изотопов рутения нарабатывается в два раза больше, чем в тепловых, а два промышленных БН-реактора работают только в нашей стране. Извлечение рутения из ОЯТ быстрых реакторов, таким образом, обходится еще дороже, требует еще бóльших усилий. Пройдет не так уж много времени, и мы начнем получать информацию о том, как пойдут дела с переработкой облученного МОХ-топлива.

Но поскольку физика процесса деления ядер не изменится, не приходится сомневаться, что и в этом случае радиохимикам предстоит борьба с нитрозосоединениями рутения. Химики по-прежнему не могут предложить менее дорогостоящих способов избавления от этого удивительно «навязчивого» элемента, и это реальная проблема, в отличие от повода для той шумихи, которая была устроена совсем недавно. Остается только сожалеть, что разговоры о рутении не сподвигли ни одно СМИ на анализ по-настоящему серьезных проблем, связанных с этим химическим элементом.

Отдельного анализа заслуживают и действия МАГАТЭ. В круг его задач совершенно естественным образом входят все проблемы, связанные с радиационной обстановкой. Разумеется, мониторинг этой обстановки — чрезвычайно важная функция, от нее напрямую зависит возможность оперативного реагирования на любые риски, связанные с утечкой радиоактивных элементов на многочисленных европейских и российских атомных объектах.



С целью координирования этой работы МАГАТЭ создало дополнительную структуру — IEC, Центр по инцидентам и аварийным ситуациям. Но при этом мониторинг пунктов наблюдения за радиационной обстановкой как был, так и остается на национальном уровне — каждая страна, входящая в МАГАТЭ, ведет его самостоятельно. В 2011 году МАГАТЭ создало USIE, унифицированную систему для сбора информации об инцидентах и чрезвычайных ситуациях на ядерных объектах.

По своей сути USIE — это закрытый для незарегистрированных пользователей сайт, база данных которого структурирована так, чтобы ответы на заданные вопросы можно было получить максимально оперативно. Да, как показала история с рутением, для пользователей это действительно удобно, но вот сбор данных вызывает массу вопросов.

Данные наблюдений в базу USIE страны — члены МАГАТЭ передают... на добровольных началах. Или, соответственно, не передают. Когда МАГАТЭ через IEC запросило данные по наблюдениям за рутением у всех европейских стран, ответ был получен только от 37 из них, шесть ответили, что у них нет оборудования, позволяющего замерять уровень содержания рутения в пробах воздуха.

Россия предоставила данные со всех своих пунктов наблюдения — собственно, именно это и стало причиной того, что МАГАТЭ отвергло все нелепые обвинения в наш адрес. Но никаких полномочий принять хоть какие-то меры воздействия к тем странам, которые ничего не ответили на вопросы IEC, к тем, у кого пункты контроля недостаточно хорошо оборудованы, у МАГАТЭ просто нет. Для того чтобы проанализировать обстановку, МАГАТЭ... попросило предоставить ему данные. Не потребовало, не имело их изначально, а именно попросило.

Вот прямая цитата из «Сводки по ситуации» с официального сайта МАГАТЭ:

«IEC при МАГАТЭ направил официальные просьбы государствам-членам ответить на два следующих вопроса: 1. Были ли произведены измерения 106Ru в воздухе, и если да, могут ли результаты быть переданы в МАГАТЭ? 2. Произошли ли какие-то события недавно в тех странах, где было зафиксировано появление 106Ru, и если да, то может ли информация быть передана в МАГАТЭ?»

При таком подходе совершенно не очевиден смысл существования IEC — эта структура должна задавать вопросы, чтобы получать на них ответы или не получать, если те, к кому вопрос обращен, не желают отвечать. Сентябрьский инцидент с рутением не представлял никакой опасности для населения, но он стал тревожным звоночком о том, что контроль МАГАТЭ за организацией мониторинга радиационной обстановки явно недостаточен.

Уровень развития компьютерных технологий и систем связи вполне позволяет создать центральную базу данных, в которую все данные мониторинга из всех стран — членов МАГАТЭ будут поступать в автоматическом режиме, без вопросов и ответов. Только в этом случае у IEC появится возможность оперативно оценивать радиационную обстановку и своевременно реагировать на любые тревожные сигналы.

Геоэнергетика: Атомный Эксперт