Напрашивается вывод: интегратор ТВЭЛ развивает инновации в бэкенде

Основные задачи созданного в 2019 году в контуре ТВЭЛ интегратора — ​консолидация и развитие инновационных технологий для вывода из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов (ВЭ ЯРОО). Рассказываем о разработках, которые уже готовятся к выходу на рынок.

«Рынок вывода из эксплуатации, бэкенда, — ​это рынок технологий, — ​говорит директор программ по выводу из эксплуатации ТВЭЛ Вадим Сухих. — ​За последний год мы установили контакт с десятками отраслевых предприятий с соответствующими технологиями и компетенциями. Выяснилось, что многие российские технологии конкурентоспособны на мировом рынке, а часть других имеет большой потенциал при некоторой доработке. Думаю, в ряде тендеров мы имеем существенные преимущества именно за счет технологий».

Руководитель группы по научно-технической деятельности ВЭ ЯРОО Дмитрий Семенов рассказал о том, что интегратор составил программу НИОКР по новым продуктам и что идут работы над прорывными технологиями. «При внедрении инноваций крайне важна эффективная координация действий разных предприятий, — ​подчеркивает он. — ​Только выступив единым фронтом, мы можем продвинуться на новые рынки, причем нужна максимальная гибкость: совсем не обязательно претендовать на весь объем работ, важно оперативно формировать альянсы и консорциумы, в том числе с зарубежными компаниями».

Претендовать есть на что: по состоянию на 2021 год в мире остановлены 396 предприятий ядерного топливного цикла, 116 исследовательских реакторов, 164 АЭС. По самым скромным оценкам, объем рынка вывода из эксплуатации в горизонте до 2050 года превысит 500 млрд долларов. Контракты в этой сфере долгие, предприятия могут планировать свою деятельность даже не на годы, а на десятилетия.

«Мы, конечно, готовимся к выходу на зарубежные рынки, но сейчас это не самоцель. Сначала необходимо тщательно подготовиться к рывку, апробировать инновации, которые удалось разработать за столь короткое время, — ​объясняет Дмитрий Семенов. — ​Нужно продемонстрировать партнерам не кота в мешке, а реально работающие технологии, доказавшие свою пользу и эффективность на практике, на предприятиях «Росатома».

С учетом нынешнего уровня развития технологий срок вывода из эксплуатации ЯРОО по принципу немедленного демонтажа составляет около 10–20 лет. Именно эта концепция принята в «Росатоме», который очевидно находится в технологическом авангарде.

Всевидящее око

Оптоволоконная система измерения мощности дозы гамма-излучения в труднодоступных местах, ФЭИ

Первый этап любого проекта по ВЭ ЯРОО — ​оценка радиационной опасности. Перед демонтажом оборудования нужно составить подробную карту, а еще лучше — ​3D-модель радиационных полей. Часто замеры делаются в труднодоступных местах — ​например, на главных циркуляционных насосах энергоблока или в хранилище, заполненном твердыми отходами разной морфологии и активности.

В ФЭИ разработали, изготовили и испытали систему поиска источников гамма и бета-излучения на базе оптоволоконного жгута, который выполняет сразу две роли — ​датчика излучения и передатчика сигнала к фотоприемнику. «Прибор прошел серию метрологических испытаний на специально оборудованном стенде, имитирующем работу с источниками, скрытыми в труднодоступных местах. Преимущество датчика — ​чувствительность к электромагнитным наводкам и вибрации, способность работать в условиях повышенной температуры. Насколько нам известно, аналогов в мире у него нет, — ​рассказывает один из авторов изобретения, начальник управления перспективных исследований ФЭИ Виталий Хрячков. — ​Представим часто встречающуюся на практике ситуацию: при демонтаже необходимо разрезать изогнутую трубопроводную систему, в которой может присутствовать радиоактивное загрязнение. Снаружи произвести измерение невозможно: стенка трубы полностью поглотит бета-частицы. Измерение гамма-квантов проблематично, поскольку их тоже поглощает стенка и результат может быть значительно искажен. Наша система проникает в трубу на довольно большую глубину и обследует все изнутри».

Установка компактная. Самый тяжелый и объемный элемент — ​промышленный компьютер. Масса датчика и блока детектирования не превышает 2 кг. Для проведения всех измерений достаточно одного человека. Длина оптоволоконного жгута сейчас — ​3 м, может быть несколько десятков метров. Этот датчик — ​совершенно новая технология, которая может стать основой целого поколения современных приборов, считает Виталий Хрячков.

Озоновый робот

Технология дезактивации с применением концентрированного озона, ТРИНИТИ

Традиционные методы дезактивации оборудования — ​пескоструйный, ультразвуковой и химический — ​имеют свои недостатки. Основной — ​большое количество РАО, возникающих при очистке. Это огромная статья расходов.

«Очистка с помощью озона уникальна тем, что период его распада в кислород составляет 2,5 часа. Вредный для живых организмов озон исчезает, и атмосфера насыщается кислородом, то есть это еще и экологичный процесс, — ​рассказывает руководитель проекта Станислав Косарев. — ​Конечно, надо учитывать, что озон опасен, а в большой концентрации, 2 г на литр, — ​и просто яд. Но в нашей технологии такой концентрации озон не достигает, у нас получается максимум 0,5 г на литр. И безусловно, у персонала серьезные средства индивидуальной защиты, время работы строго контролируется, и сама работа дистанционная. У дезактивации озоном масса преимуществ: мы можем обрабатывать внутренние поверхности труб малого диаметра, можем без предварительной очистки работать с поверхностями, загрязненными органикой — ​например, маслом. Озон обладает мощными окислительными свой­ствами и способен удалять не только органические загрязнения, но и, к примеру, содержащий радионуклиды поверхностный оксидный слой с металла. Огромный плюс озоновой очистки — ​практически двукратное сокращение времени дезактивации по сравнению с другими технологиями».

Опыт применения подобных технологий за границей свидетельствует о том, что количество РАО, образующихся при дезактивации, резко падает. Так, при выводе из эксплуатации АЭС «Хамаока» в Японии их было в 20 раз меньше. «Общая экономия только на одном выводимом из эксплуатации энергоблоке может составить минимум 40 млн евро за счет снижения расходов на хранение и переработку РАО», — ​подчеркивает Станислав Косарев.

Сходство российской технологии с зарубежными аналогами, по его словам, чисто номинальное. Например, наша установка не требует стационарного оборудования для производства большего количества озона, это в разы уменьшает эксплуатационные затраты. «Чтобы представить нашу технологию на международном рынке, сейчас оформляем все патенты. Это займет еще какое-то время, так же как и создание роботизированного комплекса для озоновой дезактивации», — ​говорит Станислав Косарев. По его прогнозу, озонового робота можно будет увидеть в работе в 2025 году.

Фрагментация на расстоянии

Технология дистанционной лазерной резки, ТРИНИТИ

Существует множество методов демонтажа крупногабаритного оборудования: и старая добрая механика (основной недостаток — ​сложность автоматизации, необходимость присутствия оператора в загрязненной зоне, образование большого количества РАО из смеси металла и воды), плазменная резка (крайне дорогая из-за большого расхода материалов, ограничения глубины реза), гидроабразивная (опять же значительный объем вторичных РАО). Совсем отказаться от классики нельзя, важно грамотно использовать каждый метод в зависимости от обстоятельств.

Ученые ТРИНИТИ предлагают использовать эффективную, безопасную и, главное, очень экологичную замену — ​лазерную резку. «Наше решение дает возможность вынести всю инфраструктуру комплекса по демонтажу за пределы загрязненной зоны, что позволит снизить дозовые нагрузки на персонал и повысить эффективность работы в несколько раз, — ​говорит руководитель проекта Александр Петровский. — ​Дистанционная лазерная резка сама по себе инновация, но наша установка будет оборудована еще и уникальной системой фильтрации и онлайн-мониторинга отходящих газов и аэрозолей. В нее будет интегрирована система температурного контроля в режиме реального времени. Это дает полный контроль над процессом фрагментации оборудования, обеспечивает дополнительную безопасность для персонала и высокое качество демонтажных работ».

Одно из главных преимуществ лазерной резки — ​команда операторов может находиться в 300 м от объекта. Работать можно и под водой — ​на глубине до 100 м. «Важный аспект, — ​добавляет Александр Петровский, — ​для работы на лазерном комплексе нужны всего два-три человека, количество зависит от задачи. Стандартное обучение — ​40 часов, это одна рабочая неделя».

В 2022 году в лазерный комплекс добавят недостающие пока системы температурного и аэрозольного контроля. А заодно проведут натурные испытания по фрагментации и демонтажу реального оборудования.

«Спрос на наши лазеры огромный, старые методы перестают справляться с новыми задачами и с экономической, и с технологической точки зрения. Мы вместе с интегратором ведем переговоры с зарубежными заказчиками», — ​говорит Александр Петровский.

Замыкая круг

Оптимизация твердофазной технологии переработки РАО щелочных металлов при выводе из эксплуатации быстрых реакторов, ФЭИ

С замыканием ЯТЦ атомная энергетика вступит в ряд самых экологически чистых отраслей. Одно из звеньев этой цепи — ​реакторы на быстрых нейтронах, в качестве теплоносителя в них пока чаще всего используется жидкий натрий. После останова такого объекта натриевый теплоноситель должен быть утилизирован — ​переработан в стабильную форму, пригодную для передачи на окончательное захоронение. Имеющиеся на сегодня технологии утилизации натрия слишком пожаро-, взрыво- и радиационно опасные и очень дорогие.

В ФЭИ предложили оригинальный подход — ​твердофазную окислительную технологию, ТФО. С помощью шлака медеплавильного производства за одну стадию получают твердый водоустойчивый минералоподобный продукт — ​без образования водорода и вторичных жидких РАО. «Иногда на вещи просто нужно взглянуть по-новому, отойти от шаблонов — ​в этом и заключается та самая инновационность», — ​рассказывает Виталий Хрячков.

Технология ТФО создана на базе опыта эксплуатации модуля «Магма-ТФО». Ученые сконструировали образец установки «Минерал‑100/150», которая и предназначена для переработки загрязненного натриевого теплоносителя (РАО среднего уровня активности по изотопу 137Cs), а саму технологию оптимизировали.

«Реализация нашего проекта позволит перейти к промышленной переработке. Технология ТФО существенно повышает безопасность обращения и с самим натрием, и с отходами, образующимися при его утилизации, что является одной из насущных задач для АЭС, работающих на быстрых нейтронах, и для исследовательских реакторов, остановленных для вывода из эксплуатации», — ​говорит Виталий Хрячков.

Экспортные перспективы здесь тоже просматриваются: быстрые реакторы есть не только в России, но и в Казахстане, Китае, Индии.