Роботы будут перерабатывать топливо для реактора БРЕСТ-ОД-300

В Северске в 2030 году планируют запустить последнюю очередь опытно-демонстрационного энергокомплекса — ​модуль переработки топлива. Это должно быть полностью автоматизированное, безлюдное производство. Во ВНИИНМ готовят почву для роботизации на новых исследовательских установках.

Переработка облученного нитридного топлива реактора БРЕСТ-ОД‑300 — ​сложный процесс. Некоторые стадии, например растворение, экстракционная очистка, уже хорошо освоены промышленностью в ходе переработки топлива действующих реакторов. Но есть ряд инновационных технологий. Чтобы перевести их из лабораторного формата в опытно-промышленный, специалисты ВНИИНМ и проектного направления «Прорыв» спроектировали исследовательский стенд. Он состоит из аппарата электрохимического растворения, кристаллизатора, установки СВЧ-денитрации и робототехнического комплекса (РТК).

«На стенде мы должны показать работоспособность трех процессов в связке, — ​объясняет Константин Двоеглазов, ведущий научный сотрудник ВНИИНМ. — ​Все установки непрерывного действия, полностью автоматизированы и спроектированы так, чтобы управляться дистанционно. Ремонт и периодическое обслуживание — ​при помощи РТК».

Эксперименты будут проходить с урансодержащими имитаторами. В этом году в институте опробуют каждую установку по отдельности, подберут оптимальные режимы. На следующий год запланирован сквозной эксперимент: в течение суток все три узла и РТК будут работать вместе непрерывно.

Аппарат электрохимического растворения

Чтобы извлечь ядерные материалы из традиционного уранового топлива, достаточно химического растворения. Для уранплутониевого топлива нужна дополнительная, электрохимическая стадия. «Фактически мы выщелачиваем ядерные материалы, в частности плутоний, из остатков, которые образуются при химическом растворении, — ​рассказывает Константин Двоеглазов. — ​Шнековым дозатором в аппарат загружается либо пульпа, содержащая твердые соединения плутония, либо порошок диоксида плутония. Они смешиваются в определенной пропорции с азотной кислотой и катализатором — ​двухвалентным серебром. Включается электрический ток — ​и процесс пошел».

Масштаб экспериментальной установки — ​1:10. Во ВНИИНМ работают на имитаторах ядерных материалов, в прошлом году на аппарате провели первую серию экспериментов. Основное оборудование смонтировано и опробовано, осталось оснастить рабочее место оператора в соседнем помещении и проверить в рабочем режиме систему газоочистки.

Установка для отработки кристаллизационной очистки

Полученный на предыдущей стадии раствор нитрата уранила по трубопроводам поступает на упаривание, превращается в густой плав и попадает в кристаллизатор — ​колонну, заполненную раствором азотной кислоты. «По сути, это труба небольшого диаметра, — ​говорит Елизавета Филимонова, старший научный сотрудник ВНИИНМ. — ​Вокруг нее — ​еще одна труба, поделенная на секции — ​рубашки. По рубашкам циркулируют теплоносители разной температуры. Так мы организуем температурный профиль кристаллизации. Исходный раствор горячий — ​около 70 °C. Мы должны постепенно охладить его до температуры кристаллизации — ​чуть ниже нуля». Внизу колонны кристаллы встречает промывной поток азотной кислоты. Аппарат кристаллизации во ВНИИНМ — ​опытно-промышленный, он может очищать от продуктов деления 30 т нитрата уранила в год.

Установка СВЧ-денитрации

Установка предназначена для получения оксидов актинидов либо напрямую из их азотнокислых растворов, либо из кристаллов нитратов шестивалентных актинидов. Для этого есть три зоны, в которые непрерывно подается СВЧ-излучение. «В первой зоне раствор упаривается. Во второй происходит денитрация, то есть разрушение нитрата уранила до оксида урана, — ​рассказывает Константин Двоеглазов. — ​В третьей — ​прокаливание при температуре 600–700 °C в аргоно-водородной смеси». Конечный продукт переработки — ​диоксид урана. Он выгружается в приемные контейнеры. Заполненные контейнеры робот отсоединяет и ставит на стеллаж. После пробоотбора и анализа диоксид можно отдавать на рефабрикацию топлива.

На исследовательском стенде во ВНИИНМ оксид урана будет передаваться на установку растворения и демонстрировать полный цикл гидрометаллургической переработки в непрерывном режиме.