Извлечь и переработать: пять главных научных проектов в области обращения с ОЯТ и РАО

На всякое отработавшее ядерное топливо, на любой вид радиоактивных отходов у Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. Бочвара (ВНИИНМ) найдется технология переработки. Представляем пять главных научных проектов отделения по обращению с ОЯТ и РАО.

ПЕРЕРАБОТКА ТОПЛИВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗООХЛАЖДАЕМОГО РЕАКТОРА

Руководитель проекта: Елизавета Филимонова, старший научный сотрудник

Реактор разрабатывается в рамках отраслевой программы «Водородная энергетика». «Его предлагается использовать на атомных энерготехнологических станциях, чтобы снабжать теплом и энергией расположенное там же производство водорода», — ​объясняет Елизавета Филимонова.

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) относится к реакторам четвертого поколения. У его топлива сложная композиция. Мельчайшая топливная частица, керн, — ​это микросфера из делящегося материала диаметром 400 мкм.

«Современные проекты предполагают применение диоксида урана с высоким обогащением, но исследовались также карбиды, причем не только урана, но и плутония, тория», — ​отмечает Елизавета Филимонова. Керн последовательно покрывают защитными оболочками: буферным слоем пироуглерода, более плотным слоем пироуглерода, слоем карбида кремния и еще одним слоем плотного пироуглерода. «Коллеги из топливного отдела рассматривают дополнительный слой из графита, так называемое сверхпокрытие», — ​добавляет руководитель проекта.

Около 5 тыс. микросфер размещают в матрице одного топливного компакта (твэла). «Это цилиндр из графита — ​50 мм в высоту, 12,5 мм в диаметре, — ​продолжает Елизавета Филимонова. — ​Последний блок — ​тепловыделяющая сборка, призма из графита высотой 800 мм с технологическими каналами и каналами для твэлов».

За технологию производства топлива для ВТГР отвечает НИИ НПО «Луч». А во ВНИИНМ уже думают над тем, как такое топливо перерабатывать. Инициативный проект начали в 2022 году. Ученые разработали концепцию головных операций — ​извлечения компактов из сборок, а потом микросфер из компактов. «Мы предлагаем электрохимическую дезинтеграцию топливных компактов — ​технология позволяет не повредить микросферы и избежать выхода ядерных материалов в процессе переработки, — ​говорит Елизавета Филимонова. — ​Компакт подключаем как анод, в качестве электролита используем растворы азотной кислоты. Даем ток, и частицы графита отшелушиваются от цилиндра».

Далее ученым надо придумать, как «разделать» микросферы — ​по одной снять все многочисленные защитные оболочки и добраться до топлива. «Думаю, на этом этапе нам уже придется ломать и жечь», — ​шутливо описывает подход Елизавета Филимонова. Концепцию технологии ВНИИНМ готовит к 2024 году. Ее предстоит отработать на реальном ОЯТ. Пока идет облучение отдельных образцов микросфер и топливных компактов.

ПЕРЕРАБОТКА ТОЛЕРАНТНОГО ТОПЛИВА

Руководитель проекта: Любовь Подрезова, начальник отдела радиохимических технологий

В «Росатоме» на ближайшую перспективу рассматривают четыре варианта повышения устойчивости топлива к температуре: нанесение защитного хромового покрытия на оболочки твэлов из традиционного циркониевого сплава, замену циркониевого сплава хромоникелевым, разработку оболочки из карбида кремния и замену диоксида урана урансилицидным топливом. ВНИИНМ разрабатывает технологии для каждого варианта. Основная цель — ​минимум изменений в схеме гидрометаллургической переработки ОЯТ на «Маяке».

«Мы хотим максимально безболезненно адаптировать технологические цепочки к новым продуктам, — ​говорит Любовь Подрезова. — ​Для этого надо избавиться от некоторых компонентов ОЯТ до стадии экстракции. Например, при объемном окислении урансилицидного топлива дисилицид триурана разрушается, и образуются октаоксид триурана и оксид кремния, это нежелательный продукт. Если он попадет на экстракцию, то помешает штатной работе массообменных аппаратов».

Отделение нежелательных продуктов по-научному называется «осветление раствора ОЯТ». «Мы двигаемся в двух направлениях: осветление на насыпном модифицированном фильтре и удаление осадка методом тангенциальной ультрафильтрации. Оба метода дают хороший коэффициент очистки. Надо разобраться, от какого из них меньше вторичных отходов, — подчеркивает Любовь Подрезова.

Толерантные оболочки с хромом и никелем ученые ВНИИНМ предлагают не растворять, как делают сейчас с циркониевыми, а отделять от облученного топлива. Для этого твэлы можно подвергать волоксидации (разновидность термоокисления). После нее топливо превратится в порошок, который легко вытряхнуть.

ПЕРЕРАБОТКА ТОПЛИВА БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ

Руководитель проекта: Константин Двоеглазов, ведущий научный сотрудник отдела радиохимических технологий

Еще на старте проекта «Прорыв» главный научный сотрудник ВНИИНМ Владимир Волк предложил комбинированную переработку ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах.

«Концепция такая: топливо после выгрузки выдерживается во внутриреакторном хранилище не более года и поступает на пирохимическую переработку, там удаляется большинство продуктов деления. Оставшиеся актиниды, менее 1 % продуктов деления, передаются на гидрометаллургический передел. Комбинированный метод позволяет не только значительно сократить время выдержки топлива, но и брать на переработку ОЯТ с высоким выгоранием», — ​объясняет Константин Двоеглазов.

Технология легла в основу модуля переработки смешанного нитридного уранплутониевого топлива реактора БРЕСТ-ОД‑300. Модуль построят на Сибирском химкомбинате (СХК). Разработкой пирохимической стадии занимаются институты РАН совместно с СХК и НИИ атомных реакторов. ВНИИНМ отвечает за гидрометаллургический передел и переработку РАО.

«Собственно, в первом приближении мы технологию разработали, защитили паспорт на научно-техническом совете «Росатома», — ​говорит руководитель проекта. — ​Сначала отделяются части сборки, где нет ядерных материалов. Дальше топливо фрагментируется, затем — ​волоксидация, растворение, осветление и экстракция делящихся материалов. Параллельно экстракции идет фракционирование — ​выделяются трансурановые элементы: америций и кюрий. Далее — ​сорбционное разделение америция и кюрия. Первый смешивается в определенных пропорциях с делящимися материалами и отправляется на рефабрикацию топлива. Второй, кюрий, смешивается с ураном, упаковывается и хранится 70 лет, пока не распадется до плутония».

Строительство модуля переработки еще не началось, идет проектирование, и у ученых есть время усовершенствовать технологию. Например, во ВНИИНМ придумали, как оптимизировать процесс стабилизации плутония.

«В проекте принят способ каталитического окисления на угольном катализаторе. Процесс отработан, проверен на опытном стенде на СХК, — ​рассказывает Константин Двоеглазов. — ​Но уголь после такой операции становится радиоактивным отходом. Мы предложили использовать электрохимию — ​тогда угольных РАО не будет». Также идут Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для оптимизации процесса фракционирования.

ТОПЛИВО ДЛЯ ЖИДКОСОЛЕВОГО РЕАКТОРА И ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ

Руководитель проекта: Алексей Ананьев, главный научный сотрудник

В перспективе в атомной отрасли появятся специальные установки-дожигатели — ​жидкосолевые реакторы (ЖСР). Делящийся материал в форме трифторида плутония с добавками фторидов минорных актинидов растворяют в расплаве солей на основе фторидов бериллия и лития.

Строительство исследовательского ЖСР начнется в 2030‑е годы на ГХК. Научный руководитель проекта — ​Курчатовский институт. Конструктор реактора — ​Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Доллежаля. ВНИИНМ отвечает за топливную композицию и технологию переработки ОЯТ.

«Работы начались в 2020 году, у института не было никакого опыта в этой области, не было экспериментальной базы, специалистов, — ​вспоминает Алексей Ананьев. — ​На сегодня у нас есть команда, исследовательские установки для получения фторидов трансурановых элементов и отработки технологии переработки ОЯТ».

Технологию получения трифторида плутония и трифторида нептуния ученые уже проверили. «С америцием предстоит еще поработать, но с точки зрения химии проблем мы не видим», — ​поясняет Алексей Ананьев. К 2030 году должна быть готова первая партия топлива. Изготавливать его будут на ГХК, там для этого создается комплекс. Перед загрузкой в исследовательский реактор топливо испытают на критическом стенде.

Технологическую схему переработки ОЯТ жидкосолевого реактора предложил Курчатовский институт. «Она двухстадийная. Первая стадия — ​восстановительная экстракция компонентов топлива (делящихся материалов и некоторых продуктов деления. — «СР») из расплавов солей в жидкий висмут. В качестве восстановителя используется металлический литий. Вторая стадия — ​реэкстракция, — ​рассказывает Алексей Ананьев. — ​Первая стадия отрабатывалась в Ок-­Ридже еще в середине прошлого века в рамках проекта экспериментального жидкосолевого реактора MSRE. Вторую предстоит проверить нам. Создана установка для эксперимента, результаты должны быть в конце года». Готовую технологию от ВНИИНМ ждут к 2035 году.

ТРАНСМУТАЦИЯ МИНОРНЫХ АКТИНИДОВ

Руководитель проекта: Любовь Подрезова, начальник отдела радиохимических технологий

В замкнутом ядерном топливном цикле (ЯТЦ) минорным актинидам, долгоживущим отходам атомной энергетики, нет места. Их надо выделить и утилизировать. «Перевести в оксидную форму и включить в состав ядерного топлива для быстрых реакторов, — ​уточняет Любовь Подрезова. — ​Там спектр нейтронов таков, что позволит произвести трансмутацию этих долгоживущих изотопов в стабильные или короткоживущие и избавиться от длительной токсичности».

НИОКР по выделению минорных актинидов во ВНИИНМ начали в рамках проекта «Прорыв», продолжили в программе «Сбалансированный ЯТЦ», а в 2022 году ТВЭЛ составил комплексную программу по дожиганию минорных актинидов. Для их выделения и разделения в институте продумали двухстадийную технологию: сначала экстракция, потом — ​высокоэффективная жидкостная хроматография. В лабораторном масштабе она отработана, результаты хорошие. «Мы готовимся проверить технологические решения на растворах от переработки ОЯТ ВВЭР‑1000 на Горно-химическом комбинате, ГХК», — комментирует Любовь Подрезова.

Технологию изготовления топлива с минорными актинидами ВНИИНМ тоже отработал в лабораторном масштабе.

«В институте уже получали оксидные порошки минорных актинидов, изготавливали четырехкомпонентные таблетки и растворяли, правда, не облученные, — ​рассказывает Любовь Подрезова. — ​В этом году из таблеток изготовлены экспериментальные твэлы, которые в первую зимнюю ремонтную кампанию на четвертом блоке Белоярской АЭС отправят на реакторные испытания в БН‑800».