Ядерная криминалистика

Уран урану рознь, – нередко повторяют специалисты-ядерщики, способные с высокой точностью определить происхождение того или иного образца расщепляемого материала. Если помните, чуть больше года назад в Германии, в саду одного частного дома в посёлке Лауэнфёрде в федеральной земле Нижняя Саксония, были обнаружены закопанные в землю 14 таблеток обогащённого урана общей массой 110 граммов. Естественно, встал вопрос, откуда этот уран взялся? Ответ смогли дать эксперты Института трансурановых элементов в Карлсруэ: всего две недели спустя им удалось установить, что таблетки изготовлены на заводе по производству тепловыделяющих элементов для атомных электростанций, принадлежащем концерну «Сименс» и расположенном в городе Ханау в федеральной земле Гессен. Именно на основе этой ценной информации криминальная полиция и начала раскручивать всю дальнейшую цепочку. И вот теперь на прошедшей недавно в Бостоне, штат Массачусетс, ежегодной сессии Американской ассоциации содействия развитию науки эксперты-ядерщики забили тревогу. Из их доклада следует: квалифицированных кадров становится всё меньше, и специалистов, способных профессионально провести расследование, в случае какого-то серьёзного инцидента может попросту не хватить. Серьёзный инцидент – это один из двух сценариев, – поясняет Майкл Мей (Michael May), профессор менеджмента и инжиниринга Стэнфордского университета, штат Калифорния:

Перехвачена нелегальная поставка радиоактивного материала. Такое уже не раз случалось, так что это не просто гипотетический сценарий. В этом случае важная часть расследования сводится к тому, чтобы выявить источник, из которого поступил этот материал, его происхождение, его историю. А второй сценарий – пока, к счастью, чисто гипотетический – это атомный взрыв неизвестного происхождения, террористический акт. В этом случае криминалистам-ядерщикам придётся иметь дело с высокорадиоактивной пылью, которая распространится повсеместно. Так вот, ни имеющийся сегодня в наличии персонал, ни техническое оборудование пока не отвечают тем требованиям, которым они обязательно должны удовлетворять, чтобы справиться с подобной ситуацией.

Ядерная криминалистика зародилась и получила развитие в годы холодной войны. С тех пор мир разительно изменился, однако потребность в экспертах этой узкой специальности не только не уменьшилась, но даже возросла – в связи с угрозой, исходящей от международных террористических ячеек. Между тем, сегодня в США во всех национальных лабораториях Министерства энергетики работают не более 50-ти ядерных детективов. Более того, половина из них в ближайшие 10-15 лет выйдут на пенсию, а новому поколению экспертов этого профиля неоткуда взяться, потому что многие американские университеты перестали готовить радиохимиков. И вот теперь Американская ассоциация содействия развитию науки и Американское физическое общество составили совместный прогноз потребности в экспертах-ядерщиках. Профессор Майкл Мей говорит:

Мы не подсчитывали с точностью до доллара и цента, какое финансирование нам необходимо. Но мы примерно прикинули, сколько людей нам понадобится, чтобы покончить с нынешним дефицитом персонала и гарантировать впредь регулярное пополнение кадров. Наше предложение сводится к тому, чтобы обеспечить в ближайшие 10 лет набор 35-ти докторантов. И чтобы потом регулярно выпускалось ещё по 3-4 специалиста в год.

В Германии ситуация сходная, хотя и не столь острая. Здесь экспертов этого профиля готовит, например, уже упоминавшийся в связи с прошлогодней находкой урана в Нижней Саксонии Институт трансурановых элементов в Карлсруэ, входящий в структуру Объединённого научно-исследовательского центра Европейской комиссии. Клаус Лютценкирхен (Klaus Lützenkirchen), возглавляющий там отдел ядерной криминалистики, говорит:

Дефицит высококвалифицированных кадров в США, пожалуй, ещё заметнее, чем в Европе. Тем не менее, мы тоже жалуемся на нехватку дипломированных специалистов. Так, в Германии в год выпускается, по самой грубой оценке, около 5-ти химиков этой специальности, ну уж никак не больше 10-ти. К тому же следует иметь в виду, что химик, защитивший диссертацию, получает здесь по традиции массу выгодных предложений от фирм самых разных отраслей. Иными словами, вероятность того, что начинающий специалист-ядерщик в конечном счёте уйдёт из ядерной промышленности и найдёт себе работу в другой сфере, в целом очень велика.

Но сколько бы детективов ни занималось расследованием какого-нибудь случая контрабанды урана, каким бы совершенным оборудованием они ни располагали, это ничего не даст, если результаты анализов не с чем сравнить, если эксперты не знают, для какой именно ядерной установки характерны выявленные ими специфические признаки образца. Что проку от отпечатка пальца преступника, если нет дактилоскопической картотеки? Профессор Мей говорит:

Ядерная криминалистика – дело преимущественно международное. Чтобы проследить извилистые пути радиоактивного материала, необходимо тесное международное сотрудничество. И нам нужны международные базы данных. Это один из важнейших выводов нашего доклада: мы должны неустанно пополнять, расширять и совершенствовать эти базы данных.

Впрочем, и без высокоточного оборудования экспертам не обойтись. Скажем, как выявить случаи использования атомных электростанций не по назначению – для производства оружейного плутония? Американские специалисты решили привлечь на помощь антинейтрино – электрически нейтральную элементарную частицу с чрезвычайно малой массой покоя. Адам Бёрнстейн (Adam Bernstein), сотрудник Ливерморской национальной радиационной лаборатории Лоренса в Калифорнии, поясняет:

Антинейтрино испускаются в процессе расщепления атомных ядер в реакторах. Бета-распад каждого ядра урана порождает в среднем шесть антинейтрино мощностью до 10 Мэв. А поскольку в реакторе непрерывно происходит распад гигантского количества ядер урана, то и образующийся при этом поток антинейтрино огромен. Антинейтрино, как известно, обладают одним крайне необычным свойством: для них – в отличие от прочих частиц-продуктов ядерного распада, – многометровые бетонные стены не преграда, они легко покидают реактор и вылетают наружу.

Поток антинейтрино от мощного реактора составляет вблизи него около 10 в 13-й степени частиц на 1 квадратный сантиметр в секунду. Но поскольку эти частицы практически не вступают во взаимодействие с материей, для их регистрации необходимы специальные устройства. Именно такой прибор и создал Адам Бёрнстейн:

Наш нынешний прототип имеет объём около 2-х кубометров, то есть по размеру напоминает большой холодильник. Внутри расположен резервуар с минеральным маслом. Время от времени антинейтрино вступает во взаимодействие с маслом, что вызывает слабую световую вспышку, которая регистрируется специальными сенсорами. Сейчас мы работаем над тем, чтобы уменьшить габаритные размеры нашего устройства вдвое.

В том, что прибор функционирует, Адам Бёрнстейн экспериментально убедился, установив его в 25-им метрах от одного из американских реакторов. Дело в том, что параметры потока антинейтрино позволяют определить долю плутония в тепловыделяющих элементах. Плутоний образуется в процессе эксплуатации реактора – как своего рода побочный продукт, отход производства. Тот, кто намерен использовать его для создания бомбы, должен время от времени удалять его из твэлов. Этим-то он себя и выдаст. Адам Бёрнстейн поясняет:

Наблюдения продолжительностью в 4-5 часов уже позволяют нам сказать, работает реактор или остановлен. Это очень важно, потому что получить доступ к тепловыделяющим элементам и изъять из них оружейный плутоний можно лишь при отключённом реакторе. Если детектор ведёт непрерывное наблюдение на протяжении суток, мы можем определить производительность реактора с погрешностью не более 8 процентов. А неделя наблюдений позволяет нам уменьшить эту погрешность до 3-х процентов.

Таким образом, прибор позволяет определить, какое количество плутония может быть в принципе произведено в данном реакторе. Но это не всё:

Кроме того, наш детектор может измерять соотношение между ураном и плутонием в тепловыделяющих элементах. Это позволяет оценить количество плутония, находящегося в реакторе в данный конкретный момент времени.

То есть появляется возможность объективного надзора за эксплуатацией АЭС. Любая попытка использовать реактор для производства оружейного плутония была бы таким прибором тотчас выявлена. Остаётся вопрос: когда же прототип превратится в серийно выпускаемое изделие? По словам Адама Бёрнстейна, на доводку прибора понадобится не более года, да и его цена – менее 100 тысяч долларов – представляется вполне приемлемой. Проблема в другом:

Главное препятствие – сугубо бюрократическое. Международное агентство по атомной энергии со штаб-квартирой в Вене должно официально признать наш метод, прежде чем его можно будет применять на практике. Но официальное признание предполагает согласие каждого из государств-членов МАГАТЭ. Эта процедура согласования может занять 6 месяцев, а может растянуться и на несколько лет.

Опыт подсказывает, что второй вариант, к сожалению, более вероятен. Мы продолжаем «атомную» тематику и переходим к одной из самых главных и до сих пор нерешённых проблем ядерной отрасли – захоронению радиоактивных отходов. Эта проблема во всём мире стоит весьма остро и требует быстрого решения. Специалисты уже давно ломают голову над проблемой устройства надёжных могильников, но предложить концепцию, которая получила бы широкое международное признание, пока не могут. Собственно, требования большинства экспертов формулируются крайне просто: могильник должен обеспечивать надёжное хранение отходов на протяжении миллиона лет. Насколько реалистичны подобные требования, никто не знает. Многие специалисты полагают, что осуществить такое практически вечное захоронение можно лишь в плотных однородных геологических структурах площадью не менее 12-ти квадратных километров. При этом массив должен быть такой толщины, чтобы могильник можно было разместить на глубине от 500 метров до 1,5 километров. Это не только надёжно защитит местное население от излучения, но и сделает радиоактивные отходы недоступными для террористов. Правда, наиболее распространённая глубинная горная порода – гранит, – по мнению ряда немецких экспертов, не очень подходит для этой цели, поскольку склонна к растрескиванию, так что изоляция могильника с целью предотвратить проникновение влаги извне и просачивание опасных веществ наружу обошлась бы слишком дорого. Впрочем, могильник для окончательного захоронения радиоактивных отходов во всём мире имеется пока лишь один – в Финляндии. Он расположен в гранитной породе на глубине в полкилометра. Швеция тоже сделала ставку на гранит и намерена построить могильник на глубине в 450 метров. Отходы должны быть помещены в медные контейнеры со стенками толщиной в 5 сантиметров. Специалисты надеются, что даже в экстремальном случае разрушения таких контейнеров радионуклиды всё равно останутся запертыми в кристаллической структуре гранита. Однако этот расчёт верен лишь до тех пор, пока в игру не вступают микроорганизмы. Между тем, они в изрядном количестве обитают и на этой глубине. Карстен Педерсен (Karsten Pedersen), профессор факультета клеточной и молекулярной биологии Гётеборгского университета, говорит:

Микроорганизмам – так же, как и нам, – для поддержания нормальной жизнедеятельности необходимы витамины и микроэлементы. Поэтому на внешней стороне их клеточной мембраны располагаются определённые молекулы, способные связывать ионы микроэлементов. Но эти же молекулы могут связывать и радионуклиды вместо стабильных ионов. Таким образом, радиоактивные отходы попадают в некий круговорот. Они не поглощаются горной породой, а остаются в грунтовых водах и вымываются вместе с ними. Впрочем, серьёзной проблемой это может стать лишь в том случае, если грунтовые воды протекают в непосредственной близости от контейнеров с отходами.

Но именно там, на месте будущего могильника, профессор Педерсен и его коллеги как раз и обнаружили изрядное многообразие микробов. Правда, там практически нет грунтовых вод, но ведь ситуация с течением времени может измениться. Тем более, когда речь идёт о столь продолжительных периодах. Ведь отходы, напомню, должны надёжно храниться на протяжении миллиона лет. Профессор Педерсен оценивает такую перспективу скептически:

Вам вовсе не придётся ждать миллион лет, достаточно будет дождаться следующего периода оледенения, чтобы стать свидетелем геологических изменений. А эти изменения обязательно отразятся и на маршрутах протекания грунтовых вод. То есть мы обязаны исходить из того, что грунтовые воды могут появиться рядом с могильником. И наша задача – оценить, сколько их там будет, откуда и куда они будут течь и почему.

Но ведь загрязнение окружающей среды произойдёт лишь в том случае, если радиоактивные отходы каким-то образом просочатся наружу из контейнеров, преодолев 5-сантиметровый слой меди и внешнюю защитную оболочку из бентонита – особых коллоидных глин с высоким содержанием слоистого алюмосиликата. Эта оболочка призвана предохранить медь от коррозии, но эксперты опасаются, что мощные потоки грунтовых вод могут разрушить бентонит. В результате возникнет прямой контакт меди с сульфидами, которые выделяются микроорганизмами, обнаруженными в зоне будущего могильника. Сульфиды способны резко ускорить коррозию медных контейнеров. Профессор Педерсен говорит:

Самый худший из рассматриваемых нами сценариев сводится к тому, что грунтовые воды окажутся в непосредственной близости от бентонитовой защитной оболочки. Это неминуемо приведёт к её эрозии, и тогда сульфиды действительно могут добраться до медного контейнера. Но такая участь должна постигнуть сразу несколько контейнеров, чтобы можно было говорить о серьёзной опасности. Сейчас мы исследуем вопрос, возможно ли вообще такое развитие событий, ведь пока этого никто не знает. Кроме того, чтобы медный контейнер со стенками 5-сантиметровой толщины оказался когда-нибудь проеденным насквозь, необходимо очень большое количество сульфидов. Значит, мы должны оценить, сколько сульфидов выделяют бактерии за тот или иной период времени, только так мы можем оценить риск радиоактивного заражения.

Но времени на такую оценку осталось мало. Уже в 2010-м году вопрос о месте размещения могильника должен быть окончательно решён, а в 2015-м году там будут захоронены первые отработавшие тепловыделяющие элементы.