Повышая градус

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.

— 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.

— 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.