Безупречность в одно касание
Дальневосточным ученым-атомщикам удалось разработать универсальный метод получения топливных композиций, который можно применять не только в атомной отрасли. В первую очередь это, конечно, поистине настоящий прорыв в технологии получения топливных таблеток для атомных реакторов. Больше никаких выбраковок и высокой цены на конечный продукт: только высокое качество при небольшой стоимости.В конце прошлого года сотрудники школы естественных наук (ШЕН) Дальневосточного федерального университета совместно с учеными Института химии дальневосточного отделения Российской академии наук объявили о том, что разработали не имеющий в мире аналогов способ изготовления таблеток для АЭС. Деталями нового способа с нами поделился директор академического департамента ядерных технологий школы естественных наук ДВФУ Иван Тананаев.
Иван Гундарович, поскольку изобретение вашего университета в информагентствах подается как новый метод получения топлива с помощью электрического тока, опишите, пожалуйста, принцип этого ноу-хау.
Начнем с того, что это изобретение сделано совместно с Институтом химии дальневосточного отделения РАН, а университет выступает лишь как равноправный партнер. И я выступаю от имени всего коллектива, прежде всего академика РАН В.И. Сергиенко, члена-корреспондента РАН В.А. Авраменко, кандидат химических наук Е.К. Папынова и других коллег, поскольку чужая слава не приводит к успеху.
Теперь о главном: краеугольным в эффективности и безопасности при получении энергии на АЭС является качество применяемых топливных композиций – таблеток. Типичная технология производства таблеток из диоксида урана включает ряд технологических операций: от грануляции, прессования, удаления пластификатора – связки, спекания до контроля качества и размера таблеток с последующим дальнейшим использованием.
Одним из основных требований, предъявляемых к ядерному топливу, является его плотность. В производстве на плотность таблеток и на другие параметры образца влияет множество факторов: условия получения прекурсоров для получения диоксида урана, свойства самого диоксида, температура и время прокаливания, дисперсность порошка. И, конечно, человеческий фактор. Поэтому, невзирая на «простоту» каждой стадии производства, немалая часть производимых таблеток оказывается бракованной. Таблетки не соответствуют размерным параметрам и, главное, плотности.
Мы выступаем с новой технологией, которая существенно меняет количество операций на пути получения конечного продукта, обладающего при этом плотностью, близкой к теоретической. Тем самым мы научились получать высококачественные керамические топливные композиции, отказавшись от использования старого оборудования прессования и спекания, введения связок к порошку и от присущих человеку ошибок. Важно, что в качестве стартового материала используются порошки любой дисперсности. Новый метод позволяет утилизировать бракованные, не прошедшие контроля по своим основным характеристикам, в том числе по плотности, таблетки. А основой процесса является метод электроимпульсного спекания.
В чем суть этого метода?
Технология электроимпульсного спекания под давлением, известная также как метод искрового плазменного спекания (в английском варианте Spark Plasma Sintering), является высокоэффективной технологией в области консолидирования порошковых материалов для получения принципиально новых, в том числе наноструктурированных, композитных и градиентных керамоструктур. Ключевой идеей метода является способ нагрева, осуществляемый электрическим током.
Он пропускается непосредственно через пресс-форму, в которую размещен порошковый материал. В этих условиях на порошок одновременно воздействуют электрическим током с мощным импульсным разрядом и механическим давлением.
Обычный ток? Который в обычной розетке в 220 вольт?
Нет. В технологии применяется высоковольтный импульсный ток. Хотя розетка на 220 вольт всё равно будет нужна для включения установки, которая работает автоматически. В идеале оператор только нажимает кнопку, всё остальное – от дозирования до извлечения таблетки – может протекать автоматически. Импульсный ток в вакууме разогревает порошок до температуры выше 1000°С, частицы вещества на поверхности переходят в состояние плазмы с образованием прочных контактов без изменения их структуры. В итоге при прессовании в течение нескольких минут получаются абсолютно плотные керамические материалы, в данном случае – диоксид урана, имеющие плотность, близкую к теоретической. Поэтому все таблетки, полученные таким образом, однозначно гарантируют качество: и по плотности, и по другим стандартным характеристикам, требуемым на производстве.
В работе мы испытывали образцы, идущие для получения топливных композиций на ПО «Маяк», на котором я работаю. В рамках совместного сотрудничества с предприятием было показано, что наши таблетки по своим характеристикам превышают те образцы, которые делаются по штатным технологиям! В перспективе мы надеемся, что предлагаемая технология найдет свое будущее и на ПО «Маяк», и на других предприятиях Росатома.
Где взять такую установку и сколько она будет стоить? И можно ли обеспечить штатную работу, а не разовое производство таблеток, в постоянно действующем техническом процессе?
Вариант только один: установку нужно купить, это несложно. В её отсутствие такие таблетки не получишь. Стоимость оборудования около 25 млн рублей. Но это вложение, как это бывает часто, приведёт к серьезной экономии в дальнейшем за счет упрощения технологии, автоматизации производства и повышения качества продукции. Во все известные технологии тоже вкладывались средства, и неменьшие: в технологическую цепочку входят и печки, и прессы, и многое другое.
Оборудование устаревает, выходит из строя, идёт его замена – ничего бесплатного не бывает. Если бы сегодня «с нуля» создавался новый завод по производству, например, мокс-топлива, и возник выбор в создании технологий, приобретении оборудования, то, полагаю, руководство взяло бы нашу технологию, потому что есть с чем сравнить. И я не случайно упомянул мокс-топливо, поскольку с точки зрения такого метода мы гарантировали бы сверх этого еще и полную гомогенизацию исходного вещества и многое другое.
На перспективу мы могли бы поговорить о производстве и других топливных композиций для реакторов на быстрых нейтронах, для ядерных энергетических установок, о любом модифицированном смесевом топливе. Одним словом, это очень перспективно, на наш взгляд.
Ваш метод сегодня применим лишь к таблеткам для нынешних работающих АЭС?
Да, сейчас мы говорим только о самых обыкновенных штатных таблетках диоксида урана. Для других топливных смесевых композиций могу сказать только одно: мы проходили и путь производства смесевых топливных композиций, и есть положительный эффект. Однако сейчас об этом говорить рановато. Мы хотим, чтобы сначала вышли в свет уже направленные в печать наши научные статьи, в которых подробно и методологически представлено, как всё это делается.
Кстати, если мы заговорили о штатных таблетках для АЭС, то должен сказать, что для многих из них на реакторах ВВЭР и РБМК широко используются модифицированные топливные композиции как аддитивные материалы с добавками европия или гадолиния. Это тоже как бы смесевые материалы, содержащие добавки от долей до единиц процента редкоземельных элементов. Предлагаемый метод мог бы пригодиться, не говоря уже о производстве плотного нитридного топлива. Правда, пока по нитридным композициям мы ещё опыты не проводили, но надеемся добиться снижения пирофорности и высочайшей плотности при использовании нашего метода.
Что же касается цены таблетки, то, по нашей оценке, одна единица продукции может стоить в районе 10 долларов за штуку. Также мы гарантируем на этом специализированном оборудовании организовать и непрерывный процесс. Производительность на один прибор в сутки, навскидку, может составлять в рабочую смену в районе 200 и выше образцов.
В каких сроках отработки технологии для промышленного производства вы сегодня нуждаетесь?
Для запуска реальной линии производства, безусловно, необходимы: техническое задание на неё, включающее объемы производства; опытно-конструкторское сопровождение на основании этого задания; сама установка, периферийное оборудование. На это требуется время. Мы готовы участвовать в этом процессе. В заводских условиях, естественно, есть определенные требования к осуществлению этого процесса с точки зрения ядерной, радиационной, экологической безопасности, увязки с газоочисткой. Но пока этого нет, так как нет заказчика. Сейчас мы не можем вытащить из кармана чертеж и сказать, какие нужны боксы, сколько людей будет занято, где будет вход и выход… Всё нужно разрабатывать на месте.
Зарубежные аналогии в данной технологии существуют? Вам это известно?
Аналогов альтернативного метода производства топливных материалов предлагаемым методом мы не знаем. Зарубежных аналогов не обнаружили. Способ находится на стадии получения патента. Сам же метод электроимпульсного спекания развивается, например, в Нижегородском госуниверситете под руководством выдающегося ученого и педагога профессора А.И. Орловой. Коллеги развивают направление получения керамики для иммобилизации радиоактивных отходов, для медицинских задач и других перспективных направлений. Получаемая нижегородская керамика очень высокого качества.
Мы тоже научились делать перспективные стеклокерамические матрицы для активных зон производства источников ионизирующего излучения на основе цезия-137. В настоящее время в качестве такой матрицы используется хлорид цезия. Но МАГАТЭ уже давно не рекомендует использовать этот материал в связи с легкой растворимостью в воде и диспергируемостью. В мире уже были серьезные инциденты: в Бразилии, например, погибли люди, потребовалась реабилитация территории. На основе нашего метода мы делаем стеклокерамику с чрезвычайной плотностью и достаточно высоким содержанием цезия. Это, на наш взгляд, прорыв, потому что этот материал в качестве активных зон для источника ионизирующего излучения становится абсолютно безопасным. Коллектив делает уже и высокотемпературные компаунды для космических исследований, не отторгаемую организмом биокерамику как костный материал для трансплантации, лечения. И если бы мы сейчас говорили только о диоксиде урана, то по факту это одно из полезных, очень интересных и перспективных направлений. Этот метод говорит сам о себе и дает возможность использовать его в других направлениях, не менее перспективных.
