РАО и стекло

В научных институтах и на предприятиях «Росатома» отрабатывают новые технологии переработки ОЯТ

Сегодня для остекловывания радиоактивных отходов в «Росатоме» используют печи прямого электрического нагрева. Им нет равных по производительности, однако ремонтировать их нельзя, а кроме того, возникает много проблем при выводе их из эксплуатации. Для будущего радиохимического завода ученые предлагают в качестве альтернативы индукционные плавители. Разбираемся в преимуществах и недостатках инновации.

Завод будущего

В свете амбициозных планов «Росатома» по развитию двухкомпонентной атомной энергетики необходимо организовать эффективную переработку облученного ядерного топлива (ОЯТ), чтобы решить проблемы ядерного наследия и обеспечить потребности быстрых реакторов в плутонии. К 2030 году объем переработки ОЯТ должен достигнуть 1000 тонн в год.

Для достижения этой цели запланированы различные мероприятия, включая реконструкцию радиохимического завода на ПО «Маяк» и запуск новых очередей опытно-демонстрационного центра на Горно-химическом комбинате. Однако и этих мощностей недостаточно. Руководство отрасли поставило перед радиохимиками задачу создания нового завода большой производительности по переработке ОЯТ с использованием лучших инновационных технологий, которые сейчас отрабатываются в научных институтах и на отраслевых предприятиях.

«В «хвосте» процесса переработки должно быть организовано кондиционирование радиоактивных отходов — приведение их к форме, пригодной для окончательного захоронения. Во всем мире признают самой эффективной формой для захоронения высокоактивных отходов от переработки ОЯТ остекловывание — включение их в стеклоподобные матрицы, — говорит заместитель генерального директора — директор научно-технологического отделения по обращению с ОЯТ и РАО Бочваровского института Владимир Кащеев. — Поскольку проектная производительность создаваемого завода по переработке ОЯТ высокая, то понадобятся аппараты для остекловывания радиоактивных отходов тоже большой производительности».

Проверенные временем

Для остекловывания РАО на радиохимическом заводе ПО «Маяк» с 1980-х годов успешно используют печи прямого электрического нагрева. По производительности им нет равных — 300–350 м³ стекла в год. В электропечах азотнокислый раствор высокоактивных РАО с некоторыми добавками смешивают с жидким флюсом на основе ортофосфорной кислоты. В результате формируется алюмофосфатное стекло, содержащее компоненты РАО. Нагрев расплава в печи до температуры около 1100 °С происходит за счет пропускания электрического тока через расплав (прямой электрический нагрев). Затем расплав сливается в 200-литровые бочки-контейнеры. Их охлаждают, размещают по три штуки в пеналы и направляют на долговременное контролируемое хранение в специальное хранилище.

Но у эксплуатирующихся на «Маяке» печей есть серьезный недостаток. Они неремонтопригодны. Нельзя заменить отдельный вышедший из строя узел или агрегат: все оборудование находится в закрытом каньоне, куда людям из-за высокой активности перерабатываемых отходов доступ строго воспрещен. Печь включают один раз и эксплуатируют в непрерывном режиме. Подтвержденный ресурс работы печи — порядка пяти лет. Не решен вопрос утилизации оборудования электропечей после выработки ресурса: после остановки процесса плавления в печах остается высокоактивное стекло, поэтому демонтировать их людям нельзя, а роботов пока не научили.

«Кроме того, эти печи пока используются только для синтеза алюмофосфатного стекла, тогда как в других странах для остекловывания радиоактивных отходов для утилизации высокоактивных РАО используется боросиликатное стекло: оно более радиационно стойкое и позволяет включать большее количество отходов в матрицу. Переход на боросиликатное стекло также стоит в числе приоритетных задач радиохимиков “Росатома”», — подчеркивает Владимир Кащеев.

Электромагнитное тепло

В качестве альтернативы электропечам ученые «Росатома» разрабатывают индукционные плавители с холодным и горячим тиглями. Над «горячей» технологией работают в Радиевом институте им. В. Г. Хлопина. При индукционной плавке в горячем тигле последний нагревают до температуры 1100–1150 °С электромагнитным полем. Тигель передает свое тепло загруженной в него стеклофритте с добавками РАО, таким образом формируется расплав стекла с включенными РАО. Недостатком «горячей» технологии является короткое время службы тигля из-за высокой температуры процесса и контакта с агрессивной средой расплава.

Индукционные плавители с холодным тиглем (ИПХТ) более 30 лет разрабатывает Бочваровский институт. Плавление производится в аппарате с водоохлаждаемыми металлическими стенками, температура которых поддерживается на уровне 50–70 °С. Электромагнитное поле через зазоры в тигле проникает непосредственно в расплав стекла. «Преимущество этого способа в том, что на внутренних холодных стенках тигля образуется тонкий слой нерасплавленного стекла — так называемый гарнисаж, который не позволяет контактировать расплаву стекла с конструкционным материалом тигля. Этот слой защищает оборудование от коррозии, обеспечивая высокий ресурс работы оборудования, — объясняет начальник отдела Бочваровского института Дмитрий Сунцов. — Прогнозный срок эксплуатации плавителя — более 10 лет. А фактический его ресурс мы еще не знаем. Конечно, нельзя исключать ухудшение эксплуатационных свойств плавителя в результате накопления в рабочем объеме тигля электропроводных продуктов (например, содержащихся в РАО от переработки ОЯТ платиноидов). Или возможные аварии, связанные с потерей охлаждения тигля. В любом случае выработавший ресурс или аварийный тигель легко заменяется с использованием манипуляторов».

Еще одно достоинство ИПХТ — компактность. Благодаря отсутствию традиционной для печного оборудования футеровки, ИПХТ гораздо меньше, чем электропечи прямого электрического нагрева. Поэтому при необходимости они легко заменяются с помощью робототехнических устройств. «В рамках проектного направления «Прорыв» мы создали полномасштабный макет опытно-промышленной установки остекловывания жидких высокоактивных отходов от переработки ОЯТ и уже проработали вопросы дистанционной замены отдельных узлов плавителя: датчиков контроля и управления процессом плавки стекла, индуктора, корзины плавителя», — говорит Дмитрий Сунцов.

Борьба за производительность

В производительности ИПХТ серьезно уступают большим электропечам прямого нагрева — таковы законы физики. «Производительность плавителя растет пропорционально площади зеркала расплава, — рассказывает Владимир Кащеев. — То есть если внутренний диаметр тигля увеличить в два раза, то производительность плавителя вырастет в четыре. Но существует ограничение на внутренний диаметр ИПХТ — 750−800 мм. При большем внутреннем диаметре возникают проблемы с обеспечением равномерного прогрева расплава стекла в объеме аппарата». Так что, по предварительным оценкам, даже самый мощный ИПХТ будет в два-три раза менее производительным, чем большая печь прямого электрического нагрева. Впрочем, конструкция аппаратов совершенствуется, и есть надежда на создание аппаратов с более высоким КПД. Кроме того, вопрос производительности можно решить дублированием линий плавления с ИПХТ, поскольку, как отмечалось выше, ИПХТ более компактны по сравнению с печами прямого нагрева.

За время работы над ИПХТ в Бочваровском институте конструкции плавителей и вспомогательных узлов установки плавления серьезно оптимизированы, и сейчас создаваемые плавители легко адаптируются под конкретные задачи отраслевых предприятий. «Например, Сибирскому химическому комбинату потребовался аппарат для включения в боросиликатное стекло среднеактивных жидких отходов от переработки уранового регенерата, — вспоминает Дмитрий Сунцов. — Предложенный изначально уже готовый аппарат, созданный под задачи проектного направления «Прорыв», с диаметром тигля 250 мм оказался недостаточно производительным, и мы очень быстро разработали аппарат на 300 мм. Без изменения конструкции: просто увеличили плавитель и индуктор и подкорректировали настройки ВЧ-генератора».

Для модуля переработки отработавшего нитридного уранплутониевого топлива, который планируется строить в Северске в рамках проектного направления «Прорыв», в Бочваровском институте был сконструирован, изготовлен и запущен в эксплуатацию в 2015 году полномасштабный макет опытно-промышленной установки остекловывания с уже упоминавшимся выше ИПХТ диаметром 250 мм, но в связи с проектным увеличением производительности модуля переработки был разработан и в начале 2025 года запущен в опытную эксплуатацию аппарат с диаметром тигля 400 мм. Соответственно, для будущего радиохимического завода большой производительности по переработке ОЯТ разрабатываются установки с ИПХТ максимально возможной производительности с сохранением основных подходов и особенностей конструкции, оптимизированной и проверенной на аппаратах меньшего размера.

Печам на «Маяке» почет

«Специалисты ПО «Маяк» пока не могут рассматривать ИПХТ как альтернативу печам прямого электрического нагрева и считают необходимым развивать это направление в качестве дополнения к освоенной уже технологии остекловывания, — говорит Михаил Ремизов, ведущий инженер-технолог центральной заводской лаборатории ПО «Маяк». — Низкая производительность ограничивает применение данной технологии для большинства генерируемых на предприятии жидких высокоактивных отходов».

«В таком подходе есть рациональное зерно. Если бы промышленные предприятия без должной проверки внедряли новые типы оборудования, наверное, у них возникали бы определенные проблемы с выполнением плана», — поясняет Владимир Кащеев.

Тем не менее планы использования ИПХТ на «Маяке» есть. Например, рассматривается использование ИПХТ диаметром 500 мм для остекловывания жидких радиоактивных отходов химико-металлургического производства. «Преимущество ИПХТ — возможность переработки отходов сложного состава с высокой концентрацией коррозионно-активных компонентов при большой вариабельности температурного диапазона варки стекла», — отмечает Михаил Ремизов.

«Если мы на действующих заводах докажем эффективность и безопасность наших плавителей, то они очень пригодятся будущему радиохимическому заводу большой производительности, помогут сделать его современным и экологичным», — уверен заместитель генерального директора — директор научно-технологического отделения по обращению с ОЯТ и РАО Бочваровского института Владимир Кащеев.