Как замыкают ядерный топливный цикл.
В Институте высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук под руководством члена-корреспондента РАН Юрия ЗАЙКОВА создается высокотемпературная электрохимическая (другое название - пирохимическая, от греческого pyr - «огонь») технология переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) реакторов на быстрых нейтронах в рамках проекта «Прорыв» госкорпорации «Росатом».
Напомним, что проект этот направлен на создание первой в мировой практике технологической платформы атомной отрасли с замкнутым ядерным топливным циклом, позволяющим вырабатывать электроэнергию без накопления ядерных отходов. Что постепенно сделает систему автономной, независимой от внешних поставок энергоресурсов, позволит полностью исключить возникновение тяжелых аварий на АЭС.
Вся биография Ю.Зайкова, в мае 2025 года избранного членкором РАН, так или иначе связана с атомным проектом. В Институте электрохимии УНЦ АН СССР (ныне - ИВТЭ УрО РАН) он прошел путь от младшего научного сотрудника до директора. В сфере его интересов - термодинамика и кинетика электродных процессов, а также разработка новых электрохимических технологий получения кремния, алюминия, кальция, свинца и сплавов на их основе. Сейчас он научный руководитель ИВТЭ УрО РАН и направления пирохимической переработки ОЯТ проекта «Прорыв».
– Как ваш институт стал участником этого беспрецедентного проекта?
– В апреле 2021 года ГК «Росатом» и Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН заключили госконтракт на создание технологии и оборудования для пирохимической переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах. К тому времени в нашем институте имелись значительный теоретический задел, хорошая экспериментальная база, высококвалифицированные сотрудники.
Сегодня ИВТЭ УрО РАН - научный координатор работ по пирохимии в сотрудничестве со многими НИИ Росатома, академическими институтами и другими научными учреждениями. Оригинальная технология с использованием расплавленных солей для переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах планируется к реализации на площадке Сибирского химического комбината (Северск, Томская область) в соответствующем модуле строящегося опытно-демонстрационного энергетического комплекса с инновационной реакторной установкой БРЕСТ-ОД-300 (энергосистемы IV поколения). Реакторы на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем гораздо безопаснее и экономичнее реакторов предыдущего поколения. В них ядерное горючее - плутоний - нарабатывается в том же количестве, в каком и сгорает. Выделенные из ОЯТ делящиеся материалы идут на изготовление новых партий топлива для реактора - таким образом цикл замыкается.
– Почему появилась необходимость в разработке именно пирохимической технологии переработки ОЯТ?
– Топливо тепловых реакторов подвергается гидрометаллургической переработке. Топливо реакторов на быстрых нейтронах перерабатывать в водных средах нельзя, вернее, это можно делать только после длительной выдержки, что экономически невыгодно. Поэтому мы используем расплавленные соли - хлориды лития, калия и их смеси: солевые расплавы очень стойки к радиационному воздействию. Прежде всего из ОЯТ нужно выделить продукты деления. При этом самые долгоживущие радиоактивные вещества в составе регенерированного топлива (минорные актиниды) возвращаются в реактор, где происходит их сжигание.
Пирохимическим способом можно перерабатывать ОЯТ со сроком выдержки до одного года, при этом обеспечивается высокая и регулируемая избирательность при разделении делящихся материалов и продуктов деления. Благодаря использованию пирохимической технологии существенно сокращаются как жидкие, так и твердые радиоактивные отходы, предназначенные для захоронения. А расплавленные соли можно применять многократно после их регенерации непосредственно в аппаратах для переработки ОЯТ. Быстрые реакторы позволяют максимально использовать энергетический потенциал природного урана, а применение пирохимической технологии для переработки ОЯТ - реализовать замкнутый ядерный топливный цикл.
– Какие результаты получены на сегодняшний день?
– Уже разработана оригинальная схема пирохимической переработки ОЯТ. На реальном ОЯТ совместно с коллегами из АО «ГНЦ НИИАР» (Димитровград) отработаны головные операции пирохимической технологии для отделения топлива от оболочки твэла - тепловыделяющего элемента реактора. Проведена сквозная проверка пиротехнологии на имитаторах, содержащих соединения урана и плутония на базе АО «СХК» (Северск). Определены коэффициенты очистки урана от продуктов деления. Отработаны операции остекловывания отходов пиротехнологии на макете полномасштабной установки (АО «ВНИИНМ», Москва).
Монтаж реакторной установки четвертого поколения БРЕСТ-ОД-ЗОО в Северске. Источник: Росатом
Многие эксперименты, приближенные к условиям эксплуатации, мы проводим на промышленных предприятиях, прежде всего на площадках Сибирского химического комбината. Там есть уникальный комплекс «Инертная камера» для испытаний пирохимического оборудования и инженерных систем для создания и поддержания инертной среды высокой чистоты.
Впервые отработаны операции дистанционного монтажа и обслуживания пирохимических установок с помощью манипулятора и средств видеонаблюдения. Поскольку новые технологии связаны с переработкой высокоактивных материалов, для обслуживания этих процессов создаются радиационностойкие роботизированные комплексы. Эти задачи мы решаем совместно с ГНЦ РФ ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (Санкт-Петербург).
Наше взаимодействие с ГК «Росатом» осуществляется по многим направлениям. Так, ИВТЭ УрО РАН принимает участие в проекте создания жидкосолевого ядерного реактора, направленного на максимально эффективное использование энергетического потенциала радионуклидов в замкнутом ядерном топливном цикле. По заказу АО «Чепецкий механический завод» и ГК «Росатом» наши специалисты разрабатывают уникальные технологии получения порошковых и керамических материалов на основе диоксида циркония. Так что это сотрудничество всерьез и надолго.
Беседу вела Елена ПОНИЗОВКИНА
Обложка: основное оборудование для инновационной реакторной установки БРЕСТ-ОД-300, изготовленное машиностроителями Росатома. Источник: https://proryv2020.ru
