Повышая градус

Главная тема

Методы высокотемпературной электрохимии позволят сократить время выдержки ОЯТ перед переработкой

Курс на замыкание ядерного топливного цикла, взятый Росатомом, требует поиска новых технологических решений, в том числе в области переработки ОЯТ. О том, какова сегодня ситуация в этой сфере, а также о новых перспективных разработках «Вестнику атомпрома» рассказал руководитель центра ответственности «Разработка перспективных технологий переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах» в составе проектного направления «Прорыв» Леонид Суханов.

— Леонид Петрович, расскажите, какие перспективные технологии переработки ОЯТ разрабатываются в рамках проектного направления «Прорыв» в настоящее время?

— Исследования по разработке технологий переработки ОЯТ АЭС в той или иной мере проводятся практически во всех странах, обладающих развитой атомной энергетикой и обеспечивающей научной базой. Прорабатывались как водные технологии (на основе растворения ОЯТ в азотной кислоте), так и неводные — растворение ОЯТ в хлоридных или молибдатных солевых расплавах, газофторидная технология и ряд других. Промышленное применение нашла только водно-экстракционная технология на основе так называемого PUREX-процесса (от англ. Plutonium-Uranium Extraction. — Прим. ред.), используемая в настоящее время в России и ряде других стран. В рамках ПН «Прорыв» разработана гидрометаллургическая технология переработки ОЯТ РБН, являющаяся усовершенствованным вариантом водно-экстракционной технологии, учитывающим специфику ОЯТ РБН.

В настоящее время в качестве перспективных прорабатываются еще две технологии — плазменная и пирохимическая. Головным разработчиком плазменной технологии является Объединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАН. Плазменные методы развиваются в качестве опции, обеспечивающей сепарацию отдельных компонентов в составе ОЯТ. Основные достоинства этих методов — малое количество технологических отходов, возможность адаптации под разные виды ОЯТ и РАО и встраивания в существующие и предполагаемые циклы переработки. На настоящий момент плазменная технология находится в стадии обосновывающих исследований. Контрольная веха принятия решения о возможности практического использования плазменной технологии для переработки ОЯТ РБН намечена на 2024 год.

Головной разработчик пирохимической технологии — Институт высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения РАН. В отличие от плазменной, пирохимическая технология находится в продвинутой стадии разработки, а по масштабам планируемого внедрения не имеет аналогов за рубежом.

Ведущие персоналии проекта «ПИРО»

Общее научно-техническое руководство разработкой технологии переработки ОЯТ РБН осуществляют главный технолог ПН «Прорыв» Ю. С. Мочалов и главный радиохимик А. Ю. Шадрин (ЧУ «Наука и инновации»). Научным руководителем разработки пирохимической технологии является профессор Ю. П. Зайков (ИВТЭ УрО РАН). Ответственный за конструирование пирохимического оборудования и инертных камер — В. П. Смирнов (ООО НПФ «Сосны»), за разработку средств роботизации — И. Ю. Даляев (ЦНИИ РТК), за обращение с РАО пирохимического передела — В. А. Кащеев (АО «ВНИИНМ»). За вопросы реализации пирохимической технологии на промплощадке АО «СХК» отвечает М. Н. Герасименко. Административная ответственность за реализацию проекта «ПИРО» закреплена за руководителем ЦО НИОКР ПЯТЦ Л. П. Сухановым (АО «Прорыв»).

Подробности

— В чем суть пирохимической технологии, почему сейчас она стала востребована?

— Пирохимическая технология представляет собой комбинацию высокотемпературных пироэлектрохимических процессов в солевых расплавах KCl-LiCl, обеспечивающих выделение из ОЯТ в качестве целевого конечного продукта смеси актиноидов в составе урана, плутония, нептуния, америция, очищенной от ПД до требуемых значений. Специфика пирохимической технологии — возможность переработки ОЯТ с высоким излучением и тепловыделением, что позволяет в разы сократить время выдержки ОЯТ перед переработкой по сравнению с временем, необходимым при использовании водной технологии. Данное преимущество предопределило востребованность пирохимической технологии в атомной энергетике нового поколения на основе РБН и замыкания ЯТЦ для сокращения масштабов хранения ОЯТ РБН перед переработкой и сокращения сроков возвращения плутония в топливный цикл.

Задача решена путем формирования комбинированной схемы переработки ОЯТ в составе двух основных технологических переделов — пирохимического и гидрометаллургического. В рамках пирохимического передела обеспечивается выведение из ОЯТ основной части нуклидов с высоким излучением и тепловыделением. На последующей стадии гидрометаллургического передела проводится доочистка смеси актиноидов с получением конечного продукта, пригодного для изготовления нового (регенерированного) ядерного топлива для РБН. Следует подчеркнуть технологическое изящество данного решения — в комбинированной схеме водная и неводная технологии не конкурируют, а дополняют друг друга.

Исследования по обоснованию пирохимической технологии ведутся в рамках проекта «Разработка технологий и оборудования переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах» (проект «ПИРО») в составе ПН «Прорыв». В настоящее время проводится проверка аппаратурно-технологической схемы пирохимического передела на опытных, в том числе макетных, установках. Планируется, что с 2030 года пирохимическую технологию начнут осваивать в МП ОДЭК АО «СХК» с последующим ее использованием в МП ПЭК.

— Расскажите о проекте «ПИРО», как организовано его планирование и выполнение?

— Проект «ПИРО» — составная часть ПН «Прорыв», деятельность которого подчиняется соответствующим регламентам. В частности, планирование всех НИОКР осуществляется на основе технических заданий и дорожных карт, подлежащих рассмотрению на заседаниях Технического комитета ПН «Прорыв» с последующим утверждением научным руководителем ПН «Прорыв» Евгением Адамовым. Работы выполняются в рамках государственных контрактов, заключаемых госкорпорацией «Росатом» с головными исполнителями работ. Результаты работ принимаются после их экспертизы и рассмотрения на заседании Технического комитета ПН «Прорыв».

В 2022 году началась практическая реализация создания МП ОДЭК, в связи с чем планирование работ по проекту «ПИРО» будет синхронизировано с директивными событиями и датами создания МП ОДЭК в части обеспечения и научно-технического сопровождения стадий проектирования, обоснования лицензий на строительство и эксплуатацию, изготовления оборудования и др.

— Чем объясняется ведущая роль двух институтов РАН в разработке пирохимической и плазменной технологий? Росатом утратил компетенции?

— Привлечение ИВТЭ УрО РАН и ОИВТ РАН к разработке перспективных технологий переработки ОЯТ было обоснованным решением, учитывающим, что оба института обладают полным набором компетенций по тематике пирохимических и плазменных процессов. Каждый институт предложил свое видение решения поставленной задачи, располагает авторитетными научными лидерами для формирования и организации работ по проекту (профессор Юрий Зайков — проект «ПИРО», академик РАН Валентин Смирнов — проект «Плазма), имеет специализацию, техническую оснащенность и высококвалифицированный персонал по тематике проекта. ТЗ и программы работ по обоим направлениям были рассмотрены и одобрены Техническим комитетом ПН «Прорыв». Отмечу, что сотрудничество с РАН является приоритетным направлением кооперации госкорпорации «Росатом» со смежными ведомствами.

— Могут ли результаты, полученные в рамках проекта «ПИРО», применяться в других отраслях производства и в других направлениях научных исследований?

— Развитие любой новой технологии, как правило, сопровождается созданием продукции, которую можно использовать шире ее основного назначения. Применительно к проекту «ПИРО» уже сейчас есть возможность использовать в других отраслях установки очистки солевых расплавов от кислорода и воды, а также установки для извлечения кислорода из газовых сред (так называемые кислородные насосы). Накоплен опыт по изготовлению, монтажу и эксплуатации «горячих» камер с инертной средой с жесткими требованиями по ее чистоте, в России такой опыт практически отсутствует, а потребность имеется. Разрабатываются новые аналитические методики, пригодные для использования в научных исследованиях вне ПН «Прорыв».

— Каковы отличия РАО от переработки ОЯТ с использованием пирохимических технологий от РАО, образующихся при использовании традиционной гидрометаллургической технологии?

— РАО неводных технологий отличаются от РАО водных технологий переработки ОЯТ по номенклатуре и характеристикам. Основными видами РАО пирохимического передела будут отработанные картриджи систем газоочистки, керамические и металлические изделия, нерециклируемый солевой электролит, сплавы свинца, а также оксидные осадки с операции рафинировочного переплава. Схема обращения с РАО пирохимического передела сейчас формируется на основе следующих подходов: унификация оборудования и матричного материала (боросиликатное стекло) для иммобилизации ВАО от пирохимического и гидрометаллургического переделов; оптимальное объединение потоков РАО перед переработкой для минимизации числа технологических операций по обращению с ними; экспериментальная проверка операций обращения с разными видами РАО на прототипах крупномасштабного оборудования. Одной из первоначальных задач является уточнение характеристик РАО с принятием необходимых допущений, обусловленных тем, что на настоящий момент пирохимическая технология отрабатывается только на имитаторах. Полноценные данные о количествах и характеристиках РАО появятся по результатам освоения пирохимической технологии в МП ОДЭК.

— На пирохимический передел поступает наиболее «горячий» поток перерабатываемого ОЯТ. Есть ли какие-то особые требования к переработке ОЯТ в этих условиях?

— Требования есть, основные я отмечу. Это необходимость эксплуатации пирохимического оборудования в камерах с инертной (аргон) средой высокой чистоты по содержанию паров воды и кислорода (в зависимости от назначения аппарата в пределах 1–10 ppm). Превышение этих значений создает риск протекания реакций, влияющих на химическую форму актиноидов, а тем самым — на их материальный баланс в технологической цепочке. Кроме того, это необходимость обеспечения дистанционного обслуживания технологического оборудования и большинства инженерных систем инертных камер с учетом очень высоких уровней ионизирующего излучения и тепловыделения потоков перерабатываемого ОЯТ.

Отмечу, что научным руководителем ПН «Прорыв» Евгением Адамовым инициировано требование по роботизации производств, разрабатываемых для атомной энергетики нового поколения. Такая работа сейчас активно ведется. В частности, для пирохимического передела разрабатываются манипуляторы для проведения работ внутри инертных камер, роботы для транспортных операций между камерами, синтезируются радиационно и термически устойчивые смазочные материалы, прорабатываются оптимальные компоновочные решения по размещению пирохимического оборудования и манипуляторов внутри камер.

— Каковы перспективы коммерциализации пирохимической технологии?

— Пирохимическая технология позиционируется в качестве составной части комбинированной технологии переработки ОЯТ РБН, в связи с чем ее коммерциализация возможна в общем пакете объектов, реализующих концепцию атомной энергетики нового поколения на основе РБН и ЗЯТЦ. Полагаю, что вопрос о коммерциализации станет актуальным после получения референции — опыта эксплуатации МП ОДЭК. Также возможна коммерциализация в рамках совместного создания головного ПЭК за рубежом в странах с развитой атомной энергетикой и намерениями реализовывать замкнутый ЯТЦ.

— Можете оценить интерес и вовлеченность молодых специалистов в работы по проекту «ПИРО»?

— Интерес есть, и весьма значительный, ведь речь идет о работе по реализации атомного проекта мирового уровня с практически гарантированными возможностями научного и карьерного роста. Отмечу, что тесные связи между ИВТЭ УрО РАН и Уральским федеральным университетом (УрФУ) обеспечивают особо благоприятные условия для привлечения кадров к работам по проекту «ПИРО». В частности, научный руководитель проекта «ПИРО» Юрий Зайков одновременно является научным руководителем ИВТЭ УрО РАН и заведующим кафедрой физтеха УрФУ, что позволяет проводить штучный отбор и специализацию будущих пирохимиков, начиная с их студенчества (дипломные работы) и аспирантуры.

Также предполагается организовать системную подготовку молодых специалистов в филиале МИФИ в Северске с перспективой последующего принятия на работу в АО «СХК» и в организации — соисполнители проекта «ПИРО». Предварительные договоренности по этому вопросу имеются. Важным элементом кадровой политики является ознакомление специалистов с ключевыми результатами деятельности по тематике проекта «ПИРО» на регулярных научно-технических семинарах, проводимых на базовых предприятиях — ИВТЭ УрО РАН, СХК, УрФУ и ГНЦ НИИАР. Как правило, в этих семинарах участвуют порядка 100, а иногда и более специалистов, задействованных или интересующихся работами по тематике ПН «Прорыв», что способствует получению информации и налаживанию контактов по интересующим вопросам.

— Как обстоят дела с разработкой и использованием пирохимической технологии за рубежом?

— Максимум, что было достигнуто за рубежом, — это создание в США опытно-промышленного комплекса по пирохимической переработке металлического ОЯТ и разработка проекта пирохимического завода, который так и не был построен. Также можно упомянуть создание и эксплуатацию в Республике Корея исследовательского пирохимического комплекса PRIDE в KAERI. Следует отметить, что в последнее время интерес к пирохимическим технологиям увеличился, в частности, есть информация о намерениях создать пирохимические производства в КНР.

Основные организации, участвующие в выполнении работ по проекту «ПИРО»

Выполнение проекта «ПИРО» осуществляется путем кооперации деятельности организации разных ведомств со следующими зонами ответственности. Научно-техническое управление и общая координация работ: ИВТЭ УрО РАН, АО «Прорыв». Разработка технологии: АО «ГНЦ НИИАР», УрФУ, АО «СХК». Конструирование оборудования: ООО НПФ «Сосны», АО «ГНЦ НИИАР», ЦНИИ РТК (в части роботизации), РХТУ (в части ЛСГО). Разработка керамических технологий: ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ», АО «Уралинтех». Экспериментальная база: АО «ГНЦ НИИАР» (работы с ДМ и ограниченными количествами ОЯТ) и АО «СХК» (технологии инертных камер, испытания макетов пирохимических установок). Обращение с РАО от пирохимических операций: АО «ВНИИНМ».

Подробности

— Происходящие события обусловили необходимость импортозамещения, сталкивается ли с этой проблемой ваш проект?

— С этой проблемой мы столкнулись в текущем году, когда были заморожены запланированные ранее заказы на некоторые комплектующие, необходимые для выполнения госконтрактов по проекту «ПИРО» в 2022 году. На настоящий момент проработаны варианты их замены при сохранении требуемой функциональности. Есть уверенность, что риски можно компенсировать собственными разработками. А также есть понимание, что применительно к будущим работам следует ориентироваться на отечественных производителей или, если это будет признано целесообразным, на организацию собственных производств.

— Может быть, не совсем корректный вопрос: что будет, если пирохимическая технология «не получится»? Как это отразится на планах ПН «Прорыв» в части пуска МП ОДЭК?

— Относительно технологической реализуемости пирохимической технологии сомнений нет. Пирохимическая схема основана на фундаментальных знаниях в области высокотемпературной электрохимии в солевых расплавах и результатах испытаний опытного оборудования на имитаторах ОЯТ РБН (в том числе плутонийсодержащих), которые будут продолжаться вплоть до пуска МП ОДЭК в эксплуатацию. Далее, на стадии ее освоения в производственных условиях МП ОДЭК, будут уточнены материальные балансы и технологические параметры пирохимических процессов, отдельные элементы оборудования. Отмечу, что с учетом новизны внедряемой в МП ОДЭК комбинированной технологии в ТЗ на ПН «Прорыв» допускается возможность продления выдержки ОЯТ перед переработкой с одного до трех лет, что позволит временно перерабатывать ОЯТ по гидрометаллургической схеме в период, пока будет осваиваться пирохимический передел. Так что имеются все необходимые условия для реализации комбинированной схемы переработки ОЯТ РБН в МП ОДЭК и получения референтных данных для ее планируемого использования в МП ПЭК.