Инновации в стекле: ученые «Росатома» замуровали РАО в боросиликатную матрицу

На Сибирском химкомбинате заработала инновационная установка остекловывания радиоактивных отходов. Спроектировали ее во ВНИИНМ и Радиевом институте.

Уже много лет в специальных печах на «Маяке» отходы от переработки ОЯТ заключают в матрицу из алюмофосфатного стекла. Но это высокоактивные материалы, а в процессе переработки регенерированного урана образуются среднеактивные. Печи «Маяка» остекловывают порядка 80 кг РАО в час. От переработки вторсырья столько не образуется. Нужно было менее производительное и более компактное оборудование. Вдобавок боросиликатное стекло тугоплавкое — ​требует температуры гораздо выше, чем алюмофосфатное. Новое техническое решение предложили ученые ВНИИНМ им. Бочвара и Радиевого института им. Хлопина.

Холодно — горячо

Для радиохимического завода Сибирского химкомбината ученые предложили установку остекловывания жидких РАО с индукционным нагревом. Технология индукционного плавления в горячем тигле в принципе не нова, ее уже более 40 лет используют во Франции, она освоена в Великобритании и Индии. «Но в нашей стране это первая реализация на действующем радиохимическом производстве, — ​подчеркивает Илья Скриган, начальник лаборатории технологии и процессов отверждения РАО Радиевого института. — ​Для России это важно с точки зрения технического развития в целом и технологии остекловывания РАО в частности».

Особенность российской установки в том, что в ней два разных узла плавления: с горячим тиглем и с холодным. Узлы могут включаться по очереди и одновременно. Горячий тигель разработали в Радиевом институте, холодный — ​во ВНИИНМ. Также бочваровцы спроектировали периферийные и обеспечивающие системы: узлы выпаривания, приготовления и дозирования шихты, транспортную систему, системы газоочистки, дистанционного автоматизированного управления, узлы герметизации, дезактивации и паспортизации контейнеров со стеклом и др.

«Установка не только решает задачи проекта «Регенерат», но и проходит обкатку на среднеактивных отходах, — ​отмечает Дмитрий Сунцов, начальник отдела обращения с высокоактивными отходами ВНИИНМ. — ​А на опытно-демонстрационном энергокомплексе Сибирского химкомбината предстоит работать с высокоактивными».

Горячий тигель нагревают до 1150 °C переменным магнитным полем. «Порционно загружаются жидкие РАО и гранулы стеклообразующих компонентов — ​стеклофритты, — ​описывает процесс Илья Скриган. — ​Тигель передает тепло стеклу, РАО включаются в матрицу стекла, образуя единую структуру, безопасную для окружающей среды. Расплав сливается в приемный бидон, бидон герметизируют, дезактивируют, паспортизируют и отправляют в хранилище».

Холодный тигель остается холодным даже в самые жаркие моменты работы. «Плавление производится в аппарате с водоохлаждаемыми стенками. Электромагнитное поле через зазоры в тигле доставляет тепло непосредственно к расплавленному стеклу», — ​рассказывает Дмит­рий Сунцов.

Испытание расплавом

Важно, что металл, из которого сделан холодный тигель, не подвергается воздействию коррозионно-активного расплава стекла. «Когда расплав подходит к охлаждаемым водой стенкам плавителя, он застывает и перестает быть коррозионно-активным, — ​объясняет Дмитрий Сунцов. — ​Застывший тонкий слой стекла на стенках плавителя называется гарнисаж, он никак не влияет на плавку, но защищает тигель от коррозии».

Есть преимущества и у плавителя с горячим тиглем: он проще в эксплуатации, энергопотребление в три-четыре раза меньше, чем у узла с холодным тиглем. У Радиевого института сперва возникли сложности. «Мы использовали литые тигли, и на испытаниях они деформировались, — ​вспоминает Илья Скриган. — ​Мы перешли на тигли, изготовленные методом сварки. Экспериментальный образец легко выдержал 300 часов испытаний. Полный ресурс пока не ясен, но мы рассчитываем примерно на 5 тыс. часов».

На Сибирском химкомбинате будут использовать оба узла. Эксплуатация покажет, какой надежнее. «Специалисты радиохимического завода уже самостоятельно работают с установкой, и мы считаем это большой заслугой коллектива комбината, — ​говорит Дмитрий Сунцов. — ​Крупные предприятия с трудом осваивают инновации, но в нашем случае все прошло отлично».

КОМАНДНАЯ РАБОТА

Сибирский химкомбинат, ВНИИНМ, Радиевый институт, «Маяк» и еще более 50 компаний «Росатома» работают ​по направлению «Вывод из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов и обращение с сопутствующими радиоактивными отходами». Их работу курирует ТВЭЛ, который с 2019 года является интегратором госкорпорации.

Сибирский химкомбинат и ВНИИНМ — ​центры компетенций по этому направлению. В научных институтах ведут изыскания и разработку технических и технологических решений, на комбинате эти технологии апробируют при демонтаже, дезактивации строительных конструкций и оборудования, обращении с РАО, в том числе образовавшимися при выводе из эксплуатации.