Топливо из тория для реакторов нового поколения

Идея создания ториевого ядерного топлива будоражит умы ученых уже несколько десятилетий: тория на Земле в несколько раз больше, чем урана, а высокоактивных отходов от его сжигания в реакторах должно быть меньше. Ученые из Томского политехнического института утверждают, что уже скоро предложат атомщикам ядерное топливо из тория, которое можно применять как в перспективных, так и в действующих реакторных установках. На вопросы о разработке ответил руководитель отделения естественных наук ТПУ, заведующий научной лабораторией изотопного анализа и технологий Игорь Шаманин.

— Игорь Владимирович, как давно в ТПУ занимаются торием?

— В 1990-е годы томские ученые начали и в настоящее время продолжают исследования, связанные с вовлечением тория в ядерную энергетику, а именно — с открытым плутоний-торий-урановым ядерным топливным циклом. В последние годы мы сосредоточили внимание на высокотемпературных реакторных установках четвертого поколения.

— В чем уникальность предложенного вами варианта ториевого топлива?

— Суть разработки состоит в создании научных основ плазмохимической технологии синтеза ультрадисперсных порошков ядерных топливных материалов, оксидов и карбидов, для изготовления топлива с дополнительными внутренними барьерами безопасности, обеспечивающего предельно возможное выгорание делящихся изотопов и минимальное содержание опасных изотопов, так называемых минорных актинидов, в отработанном ядерном топливе.

Технологиями, основанными на возбуждении и протекании плазмохимических процессов, в Томском политехническом университете занимаются давно. Мы обратили внимание на то, что свойства порошковых соединений, получаемых в плазмохимическом синтезе, отвечают ряду требований, предъявляемых к порошкам оксидов и карбидов тяжелых металлов, которые используются при производстве ядерного топлива. Это и стало основой для начала работ.

— Расскажите, как делают топливные материалы по плазмохимической технологии.

— В основе лежат различные химические реакции, в которых реагирующие вещества находятся в плазменном состоянии. Конечно, это низкотемпературная плазма, ядерных превращений в ней не происходит. Но многие химические реакции, которые не идут даже при относительно высокой температуре и давлении, протекают в условиях плазмы, когда молекулы и атомы веществ частично ионизованы. В результате образуются новые вещества с уникальными свойствами.

Многокомпонентную смесь, в состав которой входят реагенты, помещают в плазмотрон, где она переводится, например, из жидкого состояния в плазменное. Эта смесь движется внутри плазмотрона, и в это время в ней протекают химические и плазмохимические реакции. На выходе из плазмотрона в составе многокомпонентной среды уже находятся продукты реакции. В нашем случае продуктом является нанодисперсный порошок, в состав которого входят оксиды и карбиды металлов.

Получаемое ядерное топливо представляет собой микрочастицы, равномерно распределенные в матрице из неядерного материала, графита. Делящийся изотоп уран-233 образуется в топливе из так называемого воспроизводящего изотопа, тория-232. Изначально урана-233 в топливе нет. Он образуется и затем расщепляется с выделением внутриядерной энергии.

— Где можно применять вашу разработку?

— Прежде всего, в реакторах нового поколения. Мы разрабатываем новый класс ядерных топливных материалов, свойства которых позволяют воплотить в жизнь концепции ядерных энергетических установок следующего, четвертого поколения. Но результаты применимы и для серийно производимых, действующих реакторных установок. Конфигурация топливной таблетки, которую мы предлагаем, позволяет использовать ее в легководных реакторах под давлением.

Есть еще и чисто академическая значимость, поскольку мы исследуем кинетику протекания плазмохимических реакций как таковых. Изменяя параметры плазмы, мы влияем на процессы, протекающие в ней. Мы ищем пути создания новых материалов за счет управления параметрами и элементным составом плазмы.

— Не слишком ли сложно будет обосновать безопасность применения нового топлива в действующих реакторах в надзорных органах?

— Это уже не в нашей компетенции. Мы занимаемся научными исследованиями и промежуточными опытно-конструкторскими работами. Исследования проводятся в рамках проекта «Разработка научных основ технологии плазмохимического синтеза наноразмерных сложных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива», который выполняется при поддержке Российского научного фонда. Для обоснования безопасности применения нового ядерного топлива необходимо сначала произвести опытную партию. Это может сделать только предприятие ядерного топливного цикла. Затем топливу предстоит опытная эксплуатация, которая проводится в строгом соответствии с существующими нормами и правилами.

Мы надеемся, что наши разработки будут интересны «Росатому» и подобные испытания состоятся на объектах госкорпорации. Томский политехнический университет уже много лет неразрывно связан с атомной отраслью России. Он является одним из опорных вузов госкорпорации. Кроме подготовки кадров ТПУ задействован в решении научных и технологических задач и проблем, в исследованиях по многим направлениям.

— Какой сейчас статус у разработки?

— Работы продолжаются. Сейчас перед нами стоит задача обеспечить стабильность параметров плазмы, при которых максимальна степень конверсии исходных реагентов в продукт протекания плазмохимических процессов с заданными свойствами — дисперсностью, составом, соотношением доли карбидов и доли оксидов металлов. То, какие реакции и с какой скоростью идут в плазме, очень сильно зависит, например, от температуры. Температурные диапазоны, в которых получается то, что требуется, порой очень узкие. Если стабильность плазменного потока не обеспечена, то свойства продукта будут неудовлетворительными.