Элементы с плохой репутацией: почему атомщики терпеть не могут минорные актиниды

Сторонники идеи замыкания ядерного топливного цикла только и думают, как бы эти «миноры» выделить и дожечь. Что это за элементы, почему они такие вредные и как с ними обращаться? Разбираемся вместе с учеными Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. Бочвара (ВНИИНМ). В подготовке вопросов приняли участие читатели телеграм-канала «СР».

Для начала: что это вообще такое — минорные актиниды?

Любовь Подрезова, начальник отдела радиохимических технологий: Это трансурановые элементы, кроме плутония образующиеся в топливе при работе ядерного реактора. Напомню, что трансураны — это химические элементы, расположенные в периодической системе элементов Менделеева за ураном. В природе они не встречаются. Радиохимиков из минорных актинидов интересуют изотопы нептуния, америция и кюрия, поскольку они имеют наибольшее значение при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и обращении с радиоактивными отходами.

Как их правильно называть: актиниды или актиноиды?

Владимир Кащеев, директор отделения по обращению с ОЯТ и РАО: Оба названия верны. Ученые старой школы чаще говорят «младшие актиноиды», а молодежь предпочитает «минорные актиниды».

Можно сделать такое ядерное топливо, в котором они не будут образовываться?

ВК: Нельзя. Это неизбежный продукт ядерных реакций. В тонне ОЯТ реактора ВВЭР-1000 нарабатывается порядка 1 % плутония. Минорные актиниды составляют около 0,1 от его количества.

Почему атомщики не любят эти элементы?

ЛП: Они обладают высокой радиотоксичностью и выделяют много тепла, при этом у них довольно большой период полураспада (у некоторых изотопов америция — десятки тысяч лет). И весь этот срок необходимо обеспечивать и контролировать их надежную изоляцию от биосферы.

ВК: Захоранивать их можно только в глубинные геологические формации, а такой практики в мире пока нет. Расчеты показывают, что обойдется подобное хранение достаточно дорого, да и где гарантии, что за 10 тыс. лет изолирующие свойства могильника не претерпят изменений — например, из-за глобального изменения климата.

Можно ли от них избавиться раньше?

ВК: Теоретически да. Ученые предлагают выделять их при переработке ОЯТ и включать в состав ядерного топлива реакторов на быстрых нейтронах с целью дожигания. В реакторе под действием быстрых нейтронов происходит деление минорных актинидов на осколки, которые представляют собой достаточно широкий спектр радиоактивных и стабильных изотопов. В целом потенциальная опасность этих осколков, по оценкам специалистов, значительно ниже, чем у исходных минорных актинидов. Сейчас в «Росатоме» и, в частности, в нашем институте проводятся НИОКРы, результаты которых должны подтвердить технико-экономическую приемлемость такого решения.

Дожигание и трансмутация — это синонимы?

ВК: Применительно к уничтожению минорных актинидов в ядерном реакторе — да.

Как выделить минорные актиниды из ОЯТ?

ЛП: На «Маяке» хорошо отработана гидрометаллургическая переработка ОЯТ реакторов ВВЭР. Нептуний при переработке можно достаточно легко извлекать совместно с ураном и плутонием. Кюрий и америций после головного экстракционного цикла остаются в составе высокоактивного рафината — в водной фазе вместе с присутствующими в ОЯТ продуктами деления. Из этого рафината их предлагается выделять в две стадии. На первом этапе (стадия межгруппового разделения) методом жидкостной экстракции в отдельный поток выделяются америций и кюрий вместе с частью редкоземельных продуктов деления. На втором этапе (стадия внутригруппового разделения) сорбционно-хромотографическим методом осуществляется выделение потока с америцием и отдельного потока с кюрием. Кроме того, в отдельные потоки можно выделить и некоторые редкоземельные элементы, например европий.

Зачем их разделять? Нельзя дожечь кучей?

ЛП: Несмотря на сходство в строении атомов, у минорных актинидов много различий (период полураспада, тип и энергия ионизирующего излучения). Пока речь идет о включении в ядерное топливо только нептуния и америция. Кюрий может существенно повлиять на радиационные и физико-химические характеристики как свежего (до облучения в реакторе), так и облученного ядерного топлива, поэтому в реакторах на быстрых нейтронах кюрий дожигать пока не планируется. Кроме того, при хранении в течение 60–70 лет он и так почти полностью превратится в плутоний в результате радиоактивного распада.

Кто-то уже пробовал дожигать «миноры» в реакторе?

ЛП: Пока нет. У нас во ВНИИНМ с 2020 года ведется работа по разработке технологии изготовления топлива с минорными актинидами. В прошлом году впервые подготовлены качественные исходные материалы и изготовлены топливные таблетки с включением «миноров». Успешно проведено растворение таких четырехкомпонентных таблеток с ураном, плутонием, нептунием и америцием, имитирующее операции переработки топлива, — правда, пока образцы не облученные. В следующем году должны быть изготовлены экспериментальные твэлы, а впоследствии и полномасштабные ТВС с такими таблетками. Их испытания планируются в реакторе БН-800.

Переходим к вопросам и замечаниям от читателей телеграм-канала «Страны Росатом». «Для заметного уменьшения количества минорных актинидов в нейтронном потоке потребуются десятки лет, за это время реакторы, обеспечивающие этот поток, наработают больше минорных актинидов, чем «сожглось», написал нам один из них. Это правда?

ВК: Не совсем так. Действительно, по интенсивности процесса дожигание минорных актинидов и наработка сопоставимы, но все-таки можно создать в реакторе условия, при которых «миноров» будет сгорать больше, чем нарабатывается. Специалисты «Росатома» сейчас занимаются расчетами нуклидной кинетики для определенных нейтронных спектров. Это позволит понять, сколько минорных актинидов целесообразно включать в ядерное топливо. В конце года получим результаты расчетов. Есть надежда, что со временем будут созданы еще и так называемые жидкосолевые реакторы (ЖСР), в которых теоретически минорные актиниды дожигаются более эффективно. Разработка исследовательского ЖСР уже началась.

В топливе минорные актиниды будут играть энергетическую роль или они просто балласт?

ВК: Они явно не повысят эффективность работы атомных станций. Наша задача — сделать так, чтобы они ее не снизили. Результаты проводящихся технико-экономических оценок должны показать, что дожигать минорные актиниды все же выгоднее, чем захоранивать.

Их вообще можно как-то полезно использовать?

ВК: При поглощении энергии распада минорных актинидов выделяется значительное количество тепла. В свое время были предожения использовать его на Крайнем севере для обогрева дорог. Другая идея — сделать на основе минорных актинидов источник энергии, ядерную батарейку. Реализация подобных проектов тормозится из-за радиоактивности и токсичности этих элементов.

ЛП: В Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) из кюрия получают калифорний, который используют в медицинских целях. Но, конечно, весь наработанный в реакторах кюрий невозможно использовать для этих целей, так много его не надо.

Зачем «подмешивать» минорные актиниды в топливо, не проще ли сделать из них мишень и уже ее как-то дожечь?

ЛП: Теоретически можно. И коллеги в Опытном конструкторском бюро машиностроения им. Африкантова и в НИИАР сейчас прорабатывают возможность так называемого гетерогенного дожигания минорных актинидов, то есть изготовления отдельных твэлов или ТВС с «минорами» и их размещение в наиболее выгодных для этих целей зонах реактора — например, в боковом экране быстрых реакторов. Однако встает вопрос радиационной нагрузки на персонал при изготовлении такой «мишени». В гомогенное ядерное топливо планируется добавлять немного минорных актинидов (на уровне нескольких процентов), но при его фабрикации радиационная нагрузка на сотрудников может существенно возрасти, потребуется дополнительная защита от излучения, поэтому актуальна задача со временем создать полностью роботизированное производство. Представьте теперь, как тяжело сделать топливную сборку, полностью состоящую из «миноров». Понадобится очень серьезная биологическая защита, а обосновать установку подобной мишени в реактор еще сложнее.

Когда появятся промышленные технологии дожигания?

ВК: К 2030-м годам технологии должны быть готовы. Думаю, массово дожигать минорные актиниды планируется в 2040-е.

Евгений Пидопригора
Руководитель направления «Сбалансированный ядерный топливный цикл», ТВЭЛ

— C 2021 года в топливной компании реализуется комплексная программа по дожиганию минорных актинидов. Она появилась как часть нашего продуктового направления «Сбалансированный ЯТЦ» и рассчитана до 2035 года. Программа включает задачи по выделению минорных актинидов в отдельную фракцию, их промежуточное хранение, вовлечение в топливо быстрых реакторов. Важный аспект — оптимизация реакторных установок под выжигание максимального количества минорных актинидов. На сегодня одна из ключевых работ программы — изготовление экспериментальных ТВС с минорными актинидами, которые будут поставлены на испытания в реактор БН-800. В состав МОКС-топлива планируется добавлять нептуний и америций.