Переработка будущего: от модели до предприятия
Перспективы развития радиохимических технологий
«Росатом» реализует комплексную отраслевую программу «Развитие радиохимического направления». В планах — модернизировать действующие мощности, построить новый завод и к началу 2040-х годов выйти на переработку свыше тысячи тонн ОЯТ в год. Что уже сделано учеными и инженерами и как им помогает «цифра»?
Программный документ
Разработку комплексной программы работ по радиохимическому направлению инициировала госкорпорация «Росатом». «В 2022 году на Радиевый институт им. В. Г. Хлопина (входит в Научный дивизион «Росатома») была возложена функция главной отраслевой научной организации по радиохимическим технологиям в гражданской части, — вспоминает Дмитрий Рябков, заместитель генерального директора Радиевого института по науке. — Эта функция потребовала разработки программы НИОКР. Помимо отраслевых организаций, в ее формировании принимали участие ведущие вузы, а также институты Российской академии наук».
К концу 2024 года программу утвердили. Основные ее цели — обеспечить научно-технологическую и производственную базу для двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым топливным циклом, решить проблему накопления отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также расширить присутствие госкорпорации на международном рынке переработки ОЯТ. «Мировые запасы ОЯТ составляют порядка 360 тыс. тонн, и активное строительство АЭС российского дизайна за рубежом дает России уникальный шанс закрепить свой лидерский статус на мировом рынке ядерных решений», — подчеркнул заместитель генерального директора госкорпорации «Росатом» по машиностроению и индустриальным решениям Андрей Никипелов.
«Чтобы достичь заявленных целей, в программе сформировано три блока решений, — говорит Дмитрий Рябков. — Первый блок нацелен на техническое перевооружение завода РТ-1 на ПО «Маяк», чтобы обеспечить переработку до 400 тонн ОЯТ в год. Второй блок — это ввод в эксплуатацию и поэтапный выход на проектную мощность опытно-демонстрационного центра (ОДЦ) по переработке ОЯТ на Горно-химическом комбинате (ГХК) производительностью 220 тонн в год. И третий блок — это создание нового завода по переработке топлива большой производительности — 400 тонн в год».
Три кита переработки
Радиохимический завод ПО «Маяк» готовится к масштабной модернизации. «Мы работаем над проектом дополнительного отделения фильтрации аффинажа, — сообщил заместитель гендиректора Радиевого института по науке. — Новый узел позволит устранить то узкое место в технологической цепочке, которое ограничивало производительность РТ-1. В этом году головная проектная организация, Центральный проектно-технологический институт (ЦПТИ, входит в «ТВЭЛ»), должна выпустить проект для экспертизы».
В прошлом году на ГХК ввели в эксплуатацию вторую очередь ОДЦ — промышленный модуль (первый, запущенный в 2015 году, был лабораторным). «Идут наладка и испытания смонтированного оборудования. В следующем году начнется отработка инновационной технологии», — рассказал Дмитрий Рябков. Обновленный РТ-1 и ОДЦ должны выйти на полную мощность в 2029 году.
На конец будущего десятилетия запланирован пуск нового завода большой производительности. Команда этого масштабного проекта формируется. «Уже определены головная проектная организация — ЦПТИ, головная научная организация — Радиевый институт. Сейчас определяются организации, исполняющие функции главного технолога и главного конструктора, — отметил Дмитрий Рябков. — Институт Бочвара с участием Радиевого института и ряда других организаций разработал исходные данные и материальные балансы технологической схемы нового завода. ЦПТИ в рамках обоснования инвестиций определил три площадки, где экономически выгодно можно разместить этот объект: ПО «Маяк», Сибирский химический комбинат (СХК) и ГХК. Выбор предстоит сделать до конца 2026 года и далее перейти к этапам проектирования».
Завод в перспективе
Уже известно, что новый завод будет модульным, чтобы легче наращивать мощность. Предприятие сможет перерабатывать ОЯТ как тепловых, так и быстрых реакторов. Технологическая схема изменится по сравнению с применяемой на ПО «Маяк». В частности, добавится головная высокотемпературная операция волоксидации (объемного окисления) отработавшего топлива, которая сделает переработку эффективнее и безопаснее. Кроме того, на заводе обязательно внедрят фракционирование радионуклидов, что оптимизирует объемы и состав образующихся радиоактивных отходов.
«Мы должны извлечь из ОЯТ ценные энергетические компоненты, прежде всего уран и плутоний, чтобы запустить их обратно в топливный цикл и обеспечить потребности в сырье энергосистем четвертого поколения, — подчеркнул директор по государственной политике в области РАО, ОЯТ и вывода из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов госкорпорации «Росатом» Василий Тинин. — А параллельно — извлечь множество компонентов, которые можно использовать и в ядерной медицине, и в промышленности, и в горнорудных изысканиях».
Кроме того, в процессе фракционирования планируют выделять минорные актиниды: нептуний, америций и кюрий, чтобы минимизировать объем высокоактивных отходов. «Америций должен пойти на дожигание в быстрых реакторах. Судьба кюрия пока определяется, — объясняет Дмитрий Рябков. — Еще одна выделяемая фракция — так называемая цезий-стронциевая. В перспективе планируется предлагать зарубежным партнерам услугу переработки ОЯТ с возвращением заказчикам радиоактивных изотопов цезия и стронция с периодом полураспада около 30 лет. Этой фракции не требуется глубинное захоронение, ее можно безопасно хранить на относительно небольших глубинах».
Радиоактивные отходы (РАО) на заводе предполагается остекловывать, но не в громоздких неразбираемых печах — оборудование должно быть малогабаритным, ремонтопригодным и чтобы после выработки ресурса его можно было легко демонтировать. Рассматривается индукционное плавление в холодном или горячем тигле.
«Поженить» химию и математику
В разработке радиохимических технологий, проектировании оборудования и производств атомщикам сегодня помогают цифровые технологии. В эту область атомной науки они пришли позже, чем в другие направления. «Есть мнение, что химию моделировать слишком сложно. Физика и математика всегда были ближе, чем химия и математика. Так исторически сложилось», — считает ведущий эксперт Института Бочвара Ольга Шмидт.
Заместитель директора, директор направления радиохимии частного учреждения «Наука и инновации» Андрей Шадрин добавляет: «При написании физической модели программисты опираются на известные константы и постоянные. В химии, в особенности в водных растворах, мы упираемся в низкоскоростные процессы, в кинетику. У нас реакции могут протекать часами. Возьмем термодинамические расчеты. Термодинамика — наука точная, она показывает, возможно некое событие или невозможно в конкретной точке. Но она не дает однозначного ответа, когда оно произойдет. Берем понятный любому пример. Москва, апрель, температура +10 °C. И посреди улицы лежит гора снега! В каждой конкретной точке все корректно, так как температура в точке не +10 °C. Но нас интересует система в целом. А ее состояние зависит от скорости подвода тепла в точку: снег не тает мгновенно, он превращается в воду постепенно. Так вот, как правило, для радиохимических процессов кинетические зависимости не определены. Никто этим всерьез не занимался. Радиохимических заводов в мире мало, эксперименты весьма дорогие: сложный пробоотбор, высокотехнологичные приборы… Вот и возникает разрыв. Написать модель можно, но с очень большими предположениями».
Тем не менее жизнь заставила ученых «поженить» радиохимию и математическое моделирование. В начале 2000-х годов институт «Росатома» в Снежинске предложил программный комплекс для разработки технологической схемы будущего ОДЦ. «Вручную считать каждый узел долго, есть большой риск ошибок. Математики-программисты из Снежинска обратились к нам, радиохимикам, с предложением автоматизировать этот процесс, — вспоминает Ольга Шмидт. — Результатом стал виртуальный радиохимический завод — программный комплекс «ВИЗАРТ» (от «виртуальный завод радиохимических технологий»), который мы закончили разрабатывать уже в проектном направлении «Прорыв».
Завод в компьютере
«Прорыв» серьезно стимулировал развитие моделирования в радиохимии. В рамках проекта на Сибирском химкомбинате (СХК) создается опытно-демонстрационный энергокомплекс с быстрым реактором БРЕСТ-ОД-300, модулем фабрикации смешанного нитридного уранплутониевого топлива и модулем переработки (МП) ОЯТ.
«На старте было много неопределенности и технологических развилок. Пробовать все варианты экспериментально — времени, денег и людей не хватит. Надо моделировать, — рассказывает заместитель генерального директора — директор отделения разработки технологий обращения с ОЯТ и радиоактивными отходами (РАО) Института Бочвара Владимир Кащеев. — «Прорыв» — проект мультидисциплинарный. Физики давно хорошо понимают практическую пользу математического моделирования, опыт химиков в этой сфере существенно меньше, поэтому использование цифровых технологий поначалу воспринималось ими настороженно. Конструкторы оборудования и проектировщики поначалу сопротивлялись цифровизации. Но опыт показал: когда хотя бы часть команды убеждена в необходимости использования моделирования для достижения цели и научный руководитель активно поддерживает цифровизацию, неуверенность и сопротивление преодолеваются».
«При проектировании МП ОДЭК у технологического оборудования и технологических процессов появились виртуальные модели оборудования и узлов, которые используются для анализа, оптимизации и управления производственными процессами. Созданный специалистами снежинского ядерного центра «Росатома» при активном взаимодействии с химиками-технологами Института Бочвара программный комплекс «ВИЗАРТ» позволяет проверять, как технологические участки модуля переработки будут работать в системе», — рассказывает Ольга Шмидт.
«На любом заводе есть множество зациклованных узлов, и схема взаимодействия между ними нелинейная. Есть потоки с возвратными продуктами, — объясняет Андрей Шадрин. — Посмотрим на примере человеческого организма. Когда вы лечите печень, таблетки и процедуры оказывают влияние и на все остальные органы. На заводе ровно то же самое. Занимаешься одним процессом, а это влияет на несколько других. Пытаться оптимизировать отдельно работу каждого узла бессмысленно. Оптимизировать можно только систему в целом».
В «Прорыве» «ВИЗАРТ» решает три основные группы задач: расчет материального баланса, в том числе в зависимости от времени и с учетом эволюции нуклидных составов материального потока; моделирование отдельных технологических процессов и аппаратов для обоснования и оптимизации технологических режимов; расчет ключевых показателей технологических линий с учетом характеристик оборудования и различных режимов. Комплексные технологические процессы, такие как переработка ОЯТ, представляются в виде сложной схемы, состоящей из технологических переделов, связей между ними и технологических продуктов, которые передаются от передела к переделу.
Развитие «ВИЗАРТ»
«После того как мы научились считать автоматически материальный баланс последовательности технологических операций, поняли, что можем строить и циклограммы работы технологического оборудования — это важно для проектировщиков радиохимических производств, так как позволяет оценивать реальную производительность оборудования и технологических цепочек в целом, — рассказывает Андрей Шадрин. — Так началась разработка программного комплекса «ВИЗАРТ-РДМ», где РДМ — это регенерация делящихся материалов».
Новая версия виртуального радиохимического завода поможет оценивать все этапы переработки ОЯТ, анализировать состав и количество реагентов, объем образующихся отходов, параметры технологических операций и специфические для радиохимических процессов характеристики. На сегодня разработана структура «ВИЗАРТ-РДМ», заканчивается разработка программного обеспечения.
«”ВИЗАРТ” был заточен под индивидуального пользователя, «ВИЗАРТ-РДМ» — уже многопользовательская программа, размещенная на защищенном сервере, с правом доступа каждого разработчика, — добавляет Андрей Шадрин. — Две версии «ВИЗАРТ» друг от друга независимы. Идея одна и та же, но программы абсолютно разные, у них разная архитектура».
Разработчики продолжают совершенствовать обе версии, модернизируя алгоритмы, повышая скорость обработки данных, упрощая интерфейс и формы представления результатов. «Сейчас «ВИЗАРТ» выгружает расчетную схему в виде электронных таблиц. Мы хотим заменить их на мнемосхемы — наглядные графические изображения устройств, — поясняет Андрей Шадрин. — На каждом аппарате — всплывающая иконка. Нажимаешь и можешь увидеть, что там в данный момент происходит, какой процесс протекает. В общем, меняем форму представления результата на понятную заводским технологам. Программа будет стоять на удаленном сервере в Москве или Петербурге, и к ней будут подключены предприятия, участвующие в проектировании радиохимических производств».
Сегодня все создаваемые радиохимические объекты «Росатома» проектируются и модернизируются с применением цифровых инструментов. Если в «Прорыве» цифровизация коснулась только деятельности ученых и технологов, то теперь эти технологии вынуждены осваивать и конструкторы, и проектировщики. «Технологи Сибирского химического комбината полюбили пользоваться результатами расчетов в “ВИЗАРТ”», — делится Ольга Шмидт.
«Специалисты ГХК, которые отрабатывают новую технологию на ОДЦ, часто к нам обращаются, — приводит пример Андрей Шадрин. — Когда решают производственные проблемы, просят нас оценить, как то или иное изменение на отдельном технологическом узле скажется на всей схеме завода. Мы надеемся, что в ближайшие годы специалистам комбинатов не придется прибегать к чьей-то помощи: «ВИЗАРТ» станет настолько дружественным, что они смогут его эффективно использовать самостоятельно».
Проект национального значения
«Цифровые технологии в радиохимии будут развиваться, только если новые заводы будут строиться. Если мы затянем процесс, будем продолжать до бесконечности разработки на бумаге, то и созданные цифровые инструменты канут в Лету», — предостерегает Владимир Кащеев.
По словам Дмитрия Рябкова, сейчас основное бремя финансирования комплексной отраслевой программы по радиохимии несет заказчик работ — Топливная компания «Росатома». Планируется, что часть работ будут включены в новый федеральный проект по радиохимии, которым хотят расширить нацпроект «Новые атомные и энергетические технологии». «Такой объект «Росатому» не потянуть без участия государства, — считает ученый. — Многое будет зависеть от того, как быстро ключевые радиохимические задачи «Росатома» будут включены в нацпроект».
