Маленький пример большим реакторам: как утилизируют радиоактивный натрий

В Физико-энергетическом институте выводят из эксплуатации первый в Европе быстрый исследовательский реактор БР-10. Ученые рассказали, как нашли на Урале материал для дешевой и безопасной утилизации натриевого теплоносителя, и поделились технологиями дезактивации оборудования. Этот опыт поможет сэкономить время и деньги при выводе из эксплуатации более мощных БН-350 и БОР-60, а в отдаленном будущем — и БН-600.

В 1956 годe в ФЭИ запустили БР-2 на ртутном теплоносителе, но под воздействием ртути конструкционные материалы корродировали. Образовалась течь в первом контуре, 2 м3 ртути слили, реактор демонтировали. На его месте построили БР-5, в качестве теплоносителя первого контура использовали натрий, второго — сплав калия и натрия. Реактор пустили в 1959 году, потом модернизировали и увеличили мощность до 10 МВт — БР-5 стал БР-10. Остановили его в декабре 2002 года.

Вывод из эксплуатации проходит в четыре этапа. Первый — выгрузка и вывоз ОЯТ. Второй — удаление теплоносителя и дезактивация внутренних поверхностей оборудования. Третий — переработка радиоактивных сред. Четвертый — физическая ликвидация объекта.

В 2003 году последние ТВС с мононитридом урана были выгружены, герметизированы и помещены в хранилище ФЭИ. Оттуда их постепенно переправляли на «Маяк» и закончили в 2016 году.

Благодаря удачной конструкции реактора без «карманов» — вваренных трубок, куда помещаются термопары, теплоноситель из первого и второго контуров слили в специальные баки практически полностью, на внутренних поверхностях осталось не более 1–2 л натрия из первоначальных 2 тыс. л.

Сейчас третий этап — в ФЭИ заканчивают переработку натрия, а также сплавов натрия и калия, натрия, калия и ртути. За время эксплуатации БР-10 накопилось около 19 м3 этих щелочных радиоактивных отходов.

Шлаки в помощь

Главной задачей было найти способ перевести металлы и сплавы во взрыво- и пожаробезопасное состояние, поскольку натрий бурно реагирует с водой, воздухом и спиртами с выделением водорода.

Во Франции при выводе из эксплуатации быстрого реактора «Суперфеникс» натрий впрыскивали порционно в воду, разбавляли выделяющийся водород газообразным азотом (на 1 м3 водорода 100 м3 азота) для безопасности. Образовывалась жидкая щелочь, которую потом с переменным успехом цементировали. Объем отвержденных РАО получался минимум в 20 раз больше исходного.

В ФЭИ создали технологию получше, практически без выделения водорода. Примерно 25 лет назад был разработан метод твердофазного окисления (ТФО). Ученые поняли, какие химические элементы должны вступать в реакцию, стали подбирать дешевый реагент. Идеально подошли отвальные шлаки Карабашского медеплавильного комбината в Челябинской области. Карабашский абразивный завод их прокаливает, измельчает и просеивает. С атомщиками металлурги познакомились, когда искали способ охлаждать сталеплавильные печи. ФЭИ предложил охлаждение натрием, а тепло (примерно 500℃) отводить к заводской электростанции. Разработали проект печи, но не реализовали: на дворе были 1990-е годы.

Установка «Магма-ТФО» для переработки РАО щелочных металлов действует так: печь разогревает гранулированный шлак в 150-литровых емкостях. Отдельно нагревают натрий и подают его под давлением в емкости со шлаком порцией 30–50 л. Натрий вступает в реакцию с оксидами железа, кремния, алюминия и цинка. Образуется алюмосиликат натрия — поликристаллическая матрица, армированная практически чистыми железом и цинком. Реакция проходит за 10–15 минут в одну фазу, но сопровождается выделением теплоты, так что еще несколько дней требуется, чтобы емкости остыли.

Технология очень выгодная: твердый продукт не растворяется в воде, не разогревается, не теряет форму, а главное — надежно удерживает радиоактивность, так как цезий, щелочной металл, при ТФО образует нелетучие алюмосиликаты. Уровень излучения продукта позволяет отнести его к низкоактивным отходам. При этом объем всего в 2,5–3 раза больше объема натрия.

В ФЭИ уже переработали натрий из первого и второго контуров БР-10. Остался натрий, слитый из последних трех холодных ловушек окислов, которые использовались для очистки теплоносителя (всего ловушек было 16), и двух баков длительного хранения. Эти отходы переработают к 2026–2027 году.

Сода из ловушек

Для утилизации несливаемых остатков натрия в ловушках придумали другую технологию: в ловушку подают смесь с углекислым и «веселящим» (закисью азота) газами. На выходе получают соду (карбонат натрия) и газообразный азот, выделение водорода практически отсутствует. Установку для переработки назвали «ЛУИЗА-РАО» (лабораторная установка испытания закиси азота). Содержимое ловушек прямо в них цементируют и отправляют на хранение. Обезврежены несливаемые остатки 13 ловушек и всех баков с теплоносителем из первого и второго контуров. План на следующий год — утилизация остатков в последних трех ловушках.

Киноварь из парогенератора

В первые годы у БР-5 был парогенератор с контактным слоем ртути между наружной и внутренней стенками. Но ртуть проела стенку и попала в калий-натриевый теплоноситель второго контура. Смесь, в которой содержание ртути доходило до 7%, слили и убрали на хранение. Теперь ртуть из нее выделяют. В модуле «Геттер» («поглотитель») через магниевый сорбент прокачивают жидкую калий-натрий-ртутную смесь. Однократной фильтрации достаточно, чтобы получить твердый интерметаллид Mg₄Hg и извлечь 96–98% ртути из исходного сплава. После доочистки сплав натрия и калия отправляют на «Магма-ТФО», а интерметаллид — на утилизацию с получением сульфида ртути — киновари. «Мы учились у природы. В ней все есть, надо только правильно понять, что происходит», — говорит замначальника отдела вывода из эксплуатации Владимир Смыков.

Что дальше

В 2023 году ФЭИ планирует в сотрудничестве с ТВЭЛ ввести в эксплуатацию более производительную, чем «Магма-ТФО», установку — 100–150 л натрия за цикл. Она пригодится для вывода из эксплуатации исследовательского реактора БОР-60 и, возможно, БН-350.

Однако судьба комплекса по выводу из эксплуатации, а также здания БР-10 пока не определена. Один вариант — утилизировать оборудование, очистить и снести здание, приведя площадку в состояние зеленой лужайки. Другой, который предлагает Владимир Смыков, — создать научно-технический полигон для технологий по выводу из эксплуатации быстрых реакторов.