Радиохимики на пороге замыкания ядерного топливного цикла

Когда замкнется ядерный топливный цикл, сделав атомную энергетику практически безотходной? Ответ во многом зависит от успехов радиохимической науки. Переработка топлива и обращение с РАО в двухкомпонентной атомной энергетике стали главными темами Х Российской конференции с международным участием «Радиохимия-2022», которая проходила 26–30 сентября в Санкт-Петербурге.

На юбилейную конференцию приехали 518 ученых. «Помимо россиян у нас есть представители Узбекистана, Казахстана, Египта и Белоруссии. 246 участников — ​не старше 35 лет. Радиохимия — ​молодая наука не только по дате рождения (термин введен в 1911 году. — ​«СР»), но и по возрасту ученых», — ​отметил председатель конференции, вице-президент РАН, декан химического факультета МГУ Степан Калмыков.

«Радиохимия» проходит раз в три года. В этом году ее приурочили к 100‑летию Радиевого института им. Хлопина (входит в научный дивизион «Росатома»). «Институт одним из первых приступил к изучению химии урана и других радиоактивных элементов, — ​напомнил Степан Калмыков. — ​Он подключился к созданию технологий рециклирования делящихся компонентов облученного топлива, фракционирования радиоактивных отходов и обеспечения радиационной безопасности при длительном хранении РАО. Также Радиевый институт участвует в разработке радиофармпрепаратов».

Направления деятельности института во многом совпали с главными темами «Радиохимии‑2022»: переработка облученного топлива, методы выделения и разделения радионуклидов, обращение с РАО, трансмутация минорных актинидов, ядерная фармацевтика и медицина, радиоэкология.

Двухкомпонентное будущее

Степан Калмыков привел данные о накопленном в мире ОЯТ — ​более 300 тыс. т. Ежегодно из реакторов выгружают 10 тыс. т. В российских хранилищах — ​порядка 24 тыс. т, каждый год добавляется по 650 т. В принципе, это не проблема, а «пища» для реакторов настоящего и будущего. Но чтобы она хорошо усваивалась, нужны новые технологии.

Ученый секретарь «Росатома» Александр Будыка подчеркнул важность радиохимических исследований в научно-техническом развитии отрасли, а конкретно — ​в переходе к двухкомпонентной атомной энергетике с замкнутым топливным циклом. В такой системе быстрые и тепловые реакторы работают в парах.

Научный руководитель НИКИЭТ и проектного направления «Прорыв» Евгений Адамов рассказал о прогрессе в развитии быстрых реакторов: «Долгие годы скептики утверждали, что реакторы на быстрых нейтронах никогда не смогут стать конкурентоспособными, что они будут лишь нарабатывать топливо для ВВЭР и дожигать минорные актиниды, а не производить дешевую энергию. Эта глубоко укоренившаяся позиция кардинально изменилась в последние пять лет. На научно-техническом совете 9 сентября 2021 года было доказано, что энергоблок с реактором на быстрых нейтронах может конкурировать с блоком с ВВЭР. Мы привели в пример блок с натриевым реактором БН‑1200, который по определению дороже свинцового, хотя бы потому что он трехконтурный. По нашему предложению в начале этого года было принято решение приступать к сооружению БН‑1200. В сентябре в Томске прошел координационный совет нашего проектного направления, где мы обсуждали агрессивный сценарий строительства, при котором в 2032 году новый блок может быть подключен к сети».

С реакторами будущего и технологиями наработки топлива для них концептуально все понятно. А вот перед радиохимиками еще много фундаментальных задач. «И тут я рассчитываю на потенциал Радиевого института и других отраслевых радиохимических предприятий», — ​добавил Евгений Адамов.

Задачи и перспективы

Главный эксперт отделения по обращению с ОЯТ и РАО ВНИИНМ, заместитель директора, директор направления радиохимии ЧУ «Наука и инновации» Андрей Шадрин в своем докладе систематизировал задачи для радиохимиков.

Среднесрочная перспектива — ​ввод модуля переработки ОЯТ на опытно-демонстрационном энергокомплексе с реактором БРЕСТ-ОД‑300, который сооружается на Сибирском химкомбинате. Радиохимики должны обеспечить возможность переработки топлива с малым временем выдержки и высоким выгоранием. Топливо БРЕСТ-ОД‑300 решено перерабатывать комбинированным методом — ​с пирохимическими и гидрометаллургическими технологиями. Это позволит сократить время выдержки ОЯТ до 1,5 года (с трех лет при применении только гидрометаллургической технологии).

Многое сделано по технологиям газоочистки. Из последних достижений — ​разработаны установки для улавливания жидких и твердых аэрозолей, оксидов азота и рутения, углекислого газа. Систему газоочистки в промышленном масштабе планируют испытать на Горно-химическом комбинате. Самая сложная задача — ​выделение и разделение америция и кюрия. Пока они отработаны в лабораторном (на стенде ВНИИНМ) и опытном масштабе (на «Маяке»).

В идеале переработка ОЯТ должна стать практически безводной и дистанционной. При этом нужно обеспечить замкнутый водо- и кислотооборот. Важно создать технологии для повторного использования в топливном цикле не только урана и плутония, но и америция, кюрия, нептуния. Нужно точно рассчитать то небольшое количество РАО, которое будет образовываться даже в замкнутом цикле, предложить и обосновать технологии обращения с ними.

Робот вместо оператора

Евгений Адамов настаивает на том, что переработка топлива быстрых реакторов должна быть полностью роботизирована. О роботизации радиохимических производств на конференции говорил Игорь Даляев, заместитель главного конструктора Центрального научно-исследовательского и опытно-конструкторского института робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК). Главная задача — ​создание автоматизированных систем для горячих камер. Сейчас они оснащены высокотехнологичными манипуляторами, которыми управляет оператор.

ЦНИИ РТК совместно с ВНИИНМ им. Бочвара проектируют автоматическую установку остекловывания РАО. Идея в том, что оператор стенда задает параметры, а дальше манипулятор-робот делает все сам. Операции отработаны на демонстрационном стенде. Дальше — ​испытание на реальных радионуклидах и масштабирование технологии. Готовится проект внутрикамерного манипулятора для пирохимической переработки ОЯТ.

Для здоровья и большой науки

Много докладов было посвящено ядерной медицине. Несколько экспертов рассказали о технологиях выделения лютеция‑177 и получения препаратов на его основе. Лютеций‑177 относится к наиболее перспективным медицинским радионуклидам, препараты с ним эффективны в таргетной терапии метастатических форм кастрационно-резистентного рака предстательной железы, нейроэндокринных опухолей, рака легких и др.

Радиохимики осваивают получение альфа-излучающих радионуклидов и изготовление лекарств из них. Ожидается, что с приходом этих препаратов ядерная медицина поднимется на новый уровень — ​молекулярный, который во много раз эффективнее существующих и не ведет к повреждению здоровых тканей, так как воздействует исключительно на пораженную клетку. В основном ученые сосредоточились на радии‑223 и актинии‑225. Они работают хорошо, но получать их дорого: нужны высокоточные ускорители, которых в мире не так много. А в Объединенном институте ядерных исследований сделали ставку на уран‑230 и протактиний‑230 — ​их учатся получать из облученного протонами тория. Эти изотопы можно нарабатывать на циклотроне с низкой энергией, что потенциально дешевле.

Научный сотрудник НИИАР (входит в научный дивизион «Росатома») Павел Буткалюк рассказал о результатах эксперимента по облучению тяжелых изотопов кюрия в кадмиевом экране. Этим методом в институте будут получать берклий‑249 и калифорний‑251, которые ученые в ОИЯИ планируют использовать для синтеза 119‑го и 120‑го элементов Периодической таблицы Менделеева. В институт уже прибыли экспериментальные партии берклия и калифорния, теперь предстоит масштабирование технологии.

ПАРТНЕР ДЛЯ МБИРА

В рамках «Радиохимии‑2022» обсудили сооружение многоцелевого быстрого исследовательского реактора МБИР и инфраструктуры для послереакторных экспериментов.

Заместитель гендиректора НИИАР по сооружаемым объектам Сергей Киверов сообщил, что стройка опережает график на 8 %. Если так пойдет и дальше, МБИР смогут запустить в 2027 году — ​на год раньше плана. Недавно завершено бетонирование шахты реактора, корпус намерены установить до конца года. Также закончили устройство фундамента турбоагрегата.

На площадке НИИАР хотят построить полифункциональный радиохимический комплекс. За технологии для него отвечает Радиевый институт. Заместитель гендиректора института по науке Дмитрий Рябков напомнил, что ПРК заложили в 2012 году как часть экспериментальной инфраструктуры для проекта «Прорыв». Позже стройку приостановили, концепцию пересмотрели и решили, что комплекс должен войти в международный центр исследований на базе МБИРа.

Ученым потребуется оборудование для исследований облученных в новом реакторе материалов. ПРК станет современной экспериментальной базой для тестирования технологических решений по переработке ОЯТ, выделению минорных актинидов и коммерческих изотопов, фракционированию РАО и демонстрации в опытном масштабе замкнутого ядерного топливного цикла. Сейчас корректируется техническое задание проекта ПРК, формируется программа исследований — ​эту работу надо завершить в этом году.