Атомная энергетика «без хвоста»
ТЕХНОЛОГИИ / #7_2020
Текст: Ольга ГАНЖУР / Иллюстрация: Влад СУРОВЕГИН / Фото: Росатом
О том, какие технологии для замыкания ядерного топливного цикла предстоит разработать и внедрить в ближайшее время, что такое сбалансированный ЯТЦ и сможет ли ядерная энергетика стать безотходной, мы поговорили с директором отделения по обращению с ОЯТ и РАО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара Владимиром Кащеевым.
Биография эксперта
Владимир Александрович Кащеев родился в 1960 году в Петрозаводске.
В 1983 году окончил Московский инженерно-физический институт (сейчас — НИЯУ МИФИ) по специальности «Теоретическая ядерная физика». В 1984 году поступил на работу во ВНИИНМ, в отдел технологий обращения с РАО. С 1984 по 1997 год работал последовательно в следующих должностях: инженер, научный сотрудник, старший научный сотрудник.
В 1986–1988 годах участвовал в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. В 1989 году защитил кандидатскую диссертацию по проблемам глубокого подземного захоронения РАО (кандидат физико-математических наук). С 1997 по 2010 год работал в частном бизнесе (занимался разработкой и реализацией проектов в области телекоммуникаций).
С 2010 года — директор научно-технологического отделения по разработке и совершенствованию технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО ОАО «ВНИИНМ».
В 2010–2013 годах — член Технического комитета (WATEC) МАГАТЭ по обращению с РАО; в 2011–2014 годах — участник координационного проекта МАГАТЭ по обращению с облученным реакторным графитом. Имеет более 60 публикаций по проблемам обращения с РАО.
В 1983 году окончил Московский инженерно-физический институт (сейчас — НИЯУ МИФИ) по специальности «Теоретическая ядерная физика». В 1984 году поступил на работу во ВНИИНМ, в отдел технологий обращения с РАО. С 1984 по 1997 год работал последовательно в следующих должностях: инженер, научный сотрудник, старший научный сотрудник.
В 1986–1988 годах участвовал в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. В 1989 году защитил кандидатскую диссертацию по проблемам глубокого подземного захоронения РАО (кандидат физико-математических наук). С 1997 по 2010 год работал в частном бизнесе (занимался разработкой и реализацией проектов в области телекоммуникаций).
С 2010 года — директор научно-технологического отделения по разработке и совершенствованию технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО ОАО «ВНИИНМ».
В 2010–2013 годах — член Технического комитета (WATEC) МАГАТЭ по обращению с РАО; в 2011–2014 годах — участник координационного проекта МАГАТЭ по обращению с облученным реакторным графитом. Имеет более 60 публикаций по проблемам обращения с РАО.
Какие глобальные задачи в области обращения с ОЯТ и РАО стоят сегодня перед российской атомной отраслью?
Наша страна выбрала для себя в качестве стратегии развития ядерной энергетики замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ), потому что он позволяет максимально эффективно использовать природные ресурсы и минимизировать количество отходов. Глобальная задача — разработать технологии замыкания ЯТЦ.
Наша страна выбрала для себя в качестве стратегии развития ядерной энергетики замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ), потому что он позволяет максимально эффективно использовать природные ресурсы и минимизировать количество отходов. Глобальная задача — разработать технологии замыкания ЯТЦ.
Зачем нужно его замыкать?
Начальные стадии открытого и замкнутого ЯТЦ одинаковые: добыли природный уран, обогатили, изготовили топливо, поставили в реактор. Во время эксплуатации в реакторе делящиеся материалы топлива выгорают, их становится меньше, при этом в топливе образуются продукты деления. Топливо со временем становится менее эффективным, его выгружают из реактора и ставят свежее. В открытом ЯТЦ отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) после некоторой временнóй выдержки, которая необходима, чтобы снизить его остаточное тепловыделение, подлежит захоронению. И в этом есть своя логика: уж больно грязное это дело — переработка, сложное технически и потенциально опасное для окружающей среды. Американцы, например, считают, что перерабатывать ОЯТ категорически нельзя, а те, кто предлагает это делать, просто лоббируют радиохимическую промышленность. Никак не могут поверить, что перерабатывать можно экологически безопасно и экономически выгодно.
Но есть серьезная проблема: захоронение должно обеспечить изоляцию ОЯТ от мест обитания человека, как минимум, на миллион лет — лишь после этого ОЯТ перестанет представлять опасность для окружающей среды. Наиболее приемлемое решение — использовать для захоронения ОЯТ глубинные геологические формации. Однако никто не дает достоверных прогнозов эволюции геологических массивов на миллионы лет. Поэтому гарантированно изолировать ОЯТ на весь период его потенциальной опасности в современных условиях невозможно.
Еще одна проблема: содержащийся в ядерном топливе уран в реакторе выгорает всего на несколько процентов. Очень хотелось бы его использовать повторно: переработать ОЯТ, выделить делящиеся материалы, снова изготовить из них ядерное топливо для поставки в реактор. И так несколько раз. Тогда урана свежего, который является невозобновляемым природным ресурсом, понадобится гораздо меньше. Вот в России и решили: мы все-таки будем перерабатывать ОЯТ и топливный цикл замыкать.
Начальные стадии открытого и замкнутого ЯТЦ одинаковые: добыли природный уран, обогатили, изготовили топливо, поставили в реактор. Во время эксплуатации в реакторе делящиеся материалы топлива выгорают, их становится меньше, при этом в топливе образуются продукты деления. Топливо со временем становится менее эффективным, его выгружают из реактора и ставят свежее. В открытом ЯТЦ отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) после некоторой временнóй выдержки, которая необходима, чтобы снизить его остаточное тепловыделение, подлежит захоронению. И в этом есть своя логика: уж больно грязное это дело — переработка, сложное технически и потенциально опасное для окружающей среды. Американцы, например, считают, что перерабатывать ОЯТ категорически нельзя, а те, кто предлагает это делать, просто лоббируют радиохимическую промышленность. Никак не могут поверить, что перерабатывать можно экологически безопасно и экономически выгодно.
Но есть серьезная проблема: захоронение должно обеспечить изоляцию ОЯТ от мест обитания человека, как минимум, на миллион лет — лишь после этого ОЯТ перестанет представлять опасность для окружающей среды. Наиболее приемлемое решение — использовать для захоронения ОЯТ глубинные геологические формации. Однако никто не дает достоверных прогнозов эволюции геологических массивов на миллионы лет. Поэтому гарантированно изолировать ОЯТ на весь период его потенциальной опасности в современных условиях невозможно.
Еще одна проблема: содержащийся в ядерном топливе уран в реакторе выгорает всего на несколько процентов. Очень хотелось бы его использовать повторно: переработать ОЯТ, выделить делящиеся материалы, снова изготовить из них ядерное топливо для поставки в реактор. И так несколько раз. Тогда урана свежего, который является невозобновляемым природным ресурсом, понадобится гораздо меньше. Вот в России и решили: мы все-таки будем перерабатывать ОЯТ и топливный цикл замыкать.
Какие технологии для этого нужно разработать?
Нужен целый комплекс технологий. Прежде всего, надо разрабатывать новые, более эффективные виды топлива. Чем дольше топливо может стоять в реакторе и чем основательнее выгорает, тем эффективнее использование делящегося материала. Однако повышение процента выгорания топлива приводит к накоплению в нем тех продуктов деления, которые создают проблемы при переработке ОЯТ.
Раньше ядерное топливо энергетических реакторов было исключительно оксидным урановым, сейчас реакторы на быстрых нейтронах переводят на топливо смешанное уран-плутониевое (mixed-oxide fuel) — МОХ. Оно более эффективно. Также создается нитридное топливо, оно более плотное, чем оксидное, и его теплофизические свойства лучше. Кроме того, начаты работы по созданию уран-плутониевого топлива для традиционных тепловых реакторов.
Далее — технологии переработки. Идеология развития технологий замыкания ЯТЦ — в стремлении отправлять на захоронение как можно меньше веществ, представляющих долговременную экологическую опасность.
Тем более что многие вещества, содержащиеся в ОЯТ, могут использоваться в различных отраслях промышленности и в медицине. В этом году в Росатоме стартовал проект «Сбалансированный ЯТЦ». В рамках этого проекта предполагается разрабатывать технологии выделения отдельных групп веществ (фракций) на стадии переработки ОЯТ с учетом последующего специфического обращения с каждой выделенной фракцией. Так называемая фракция короткоживущих продуктов деления (цезий, стронций) после выделения части изотопов для целей медицины может быть направлена на захоронение в могильник РАО, изолирующие свойства которого учитывают относительно короткое время потенциальной опасности выделенных изотопов.
Отдельные элементы фракций редкоземельных и благородных продуктов деления после дополнительной очистки от радиоактивных изотопов могут (в зависимости от степени очистки) эффективно использоваться в некоторых отраслях промышленности. То есть развитие технологий фракционирования при переработке ОЯТ открывает перспективы использования извлеченных из ОЯТ продуктов, способствует снижению объемов и радиотоксичности образующихся РАО.
Многое атомщики умеют и сейчас. Например, ОЯТ ряда тепловых и быстрых энергетических, а также исследовательских реакторов уже давно перерабатывают на ПО «Маяк» с выделением урана и плутония.
Нужен целый комплекс технологий. Прежде всего, надо разрабатывать новые, более эффективные виды топлива. Чем дольше топливо может стоять в реакторе и чем основательнее выгорает, тем эффективнее использование делящегося материала. Однако повышение процента выгорания топлива приводит к накоплению в нем тех продуктов деления, которые создают проблемы при переработке ОЯТ.
Раньше ядерное топливо энергетических реакторов было исключительно оксидным урановым, сейчас реакторы на быстрых нейтронах переводят на топливо смешанное уран-плутониевое (mixed-oxide fuel) — МОХ. Оно более эффективно. Также создается нитридное топливо, оно более плотное, чем оксидное, и его теплофизические свойства лучше. Кроме того, начаты работы по созданию уран-плутониевого топлива для традиционных тепловых реакторов.
Далее — технологии переработки. Идеология развития технологий замыкания ЯТЦ — в стремлении отправлять на захоронение как можно меньше веществ, представляющих долговременную экологическую опасность.
Тем более что многие вещества, содержащиеся в ОЯТ, могут использоваться в различных отраслях промышленности и в медицине. В этом году в Росатоме стартовал проект «Сбалансированный ЯТЦ». В рамках этого проекта предполагается разрабатывать технологии выделения отдельных групп веществ (фракций) на стадии переработки ОЯТ с учетом последующего специфического обращения с каждой выделенной фракцией. Так называемая фракция короткоживущих продуктов деления (цезий, стронций) после выделения части изотопов для целей медицины может быть направлена на захоронение в могильник РАО, изолирующие свойства которого учитывают относительно короткое время потенциальной опасности выделенных изотопов.
Отдельные элементы фракций редкоземельных и благородных продуктов деления после дополнительной очистки от радиоактивных изотопов могут (в зависимости от степени очистки) эффективно использоваться в некоторых отраслях промышленности. То есть развитие технологий фракционирования при переработке ОЯТ открывает перспективы использования извлеченных из ОЯТ продуктов, способствует снижению объемов и радиотоксичности образующихся РАО.
Многое атомщики умеют и сейчас. Например, ОЯТ ряда тепловых и быстрых энергетических, а также исследовательских реакторов уже давно перерабатывают на ПО «Маяк» с выделением урана и плутония.
То есть все полезное уже можно вернуть?
Возникает вопрос: что считать полезным? ОЯТ содержит широкий спектр стабильных и нестабильных изотопов. Как отмечалось выше, есть благородные металлы: платина, палладий, рутений, есть редкоземельные элементы. Радиохимики научились выделять благородные и редкоземельные металлы при переработке ОЯТ. В природе эти вещества редко встречаются и стóят очень дорого. Если обеспечить высокую степень очистки этих элементов от радиоактивных изотопов при переработке ОЯТ, то можно заместить природные ресурсы и сократить количество отходов.
Некоторые изотопы цезия и стронция востребованы в ядерной медицине. Технологии эффективного выделения цезия и стронция уже разработаны. На «Маяке» работала промышленная установка по выделению цезия для производства рентгеновских источников. Только надо понимать, что каждая дополнительная операция в радиохимии стоит денег и приводит к образованию вторичных отходов. Просто извлекать что-либо слишком накладно. Нужно, чтобы был подтвержденный спрос на эту продукцию.
Возникает вопрос: что считать полезным? ОЯТ содержит широкий спектр стабильных и нестабильных изотопов. Как отмечалось выше, есть благородные металлы: платина, палладий, рутений, есть редкоземельные элементы. Радиохимики научились выделять благородные и редкоземельные металлы при переработке ОЯТ. В природе эти вещества редко встречаются и стóят очень дорого. Если обеспечить высокую степень очистки этих элементов от радиоактивных изотопов при переработке ОЯТ, то можно заместить природные ресурсы и сократить количество отходов.
Некоторые изотопы цезия и стронция востребованы в ядерной медицине. Технологии эффективного выделения цезия и стронция уже разработаны. На «Маяке» работала промышленная установка по выделению цезия для производства рентгеновских источников. Только надо понимать, что каждая дополнительная операция в радиохимии стоит денег и приводит к образованию вторичных отходов. Просто извлекать что-либо слишком накладно. Нужно, чтобы был подтвержденный спрос на эту продукцию.
Есть в ОЯТ что-то безусловно вредное?
Минорные актиниды (америций, кюрий, нептуний) — очень неприятные вещества. Сейчас разрабатываются технологии, которые позволят при переработке топлива их выделять. В нашем институте в прошлом году был проведен эксперимент, подтвердивший возможность выделения америция и кюрия достаточно высокой чистоты при переработке ОЯТ. Но это пока хотя и укрупненная, но лишь экспериментальная проверка существующей методики, которую надо дорабатывать до уровня промышленной технологии.
Предположим, мы выделили минорные актиниды — и что делать с ними дальше? Можно включить в состав топлива и организовать их дожигание. Но тепловые реакторы для этого не годятся. В быстрых реакторах дожигать можно, но это недостаточно эффективно: актиниды сгорают, однако нарабатываются новые. Расчеты показывают, что гораздо лучше для этой цели подойдут жидкосолевые реакторы. Они представляют большой интерес для ученых не как наработчики электроэнергии, хотя энергию они тоже нарабатывают, а прежде всего как дожигатели минорных актинидов. Сейчас разрабатывается экспериментальный жидкосолевой реактор, его планируется построить на Горно-химическом комбинате.
Минорные актиниды (америций, кюрий, нептуний) — очень неприятные вещества. Сейчас разрабатываются технологии, которые позволят при переработке топлива их выделять. В нашем институте в прошлом году был проведен эксперимент, подтвердивший возможность выделения америция и кюрия достаточно высокой чистоты при переработке ОЯТ. Но это пока хотя и укрупненная, но лишь экспериментальная проверка существующей методики, которую надо дорабатывать до уровня промышленной технологии.
Предположим, мы выделили минорные актиниды — и что делать с ними дальше? Можно включить в состав топлива и организовать их дожигание. Но тепловые реакторы для этого не годятся. В быстрых реакторах дожигать можно, но это недостаточно эффективно: актиниды сгорают, однако нарабатываются новые. Расчеты показывают, что гораздо лучше для этой цели подойдут жидкосолевые реакторы. Они представляют большой интерес для ученых не как наработчики электроэнергии, хотя энергию они тоже нарабатывают, а прежде всего как дожигатели минорных актинидов. Сейчас разрабатывается экспериментальный жидкосолевой реактор, его планируется построить на Горно-химическом комбинате.
Получается, что ядерная энергетика может быть безотходной?
Принципиально такая возможность не исключена, но до этого еще далеко. Пока мы ориентируемся на то, что какие-то отходы в ЗЯТЦ все же будут. Существует такое понятие — "время достижения радиационной эквивалентности" природного сырья, использующегося для фабрикации ядерного топлива, и образующихся РАО. Его в начале 1990-х годов прошлого века с подачи Евгения Адамова сформулировали ученые И. Х. Ганев и А. В. Лопаткин.
Для нужд атомной энергетики мы извлекаем уран из недр Земли. Образующиеся радиоактивные отходы тоже в перспективе отправятся в недра. Время, за которое захораниваемые отходы достигают той же потенциальной биологической опасности, что и уран, извлекаемый из недр, — это и есть время достижения радиационной эквивалентности. По истечении этого времени можно будет сказать, что мы вернули изначальный баланс природе.
Принципиально такая возможность не исключена, но до этого еще далеко. Пока мы ориентируемся на то, что какие-то отходы в ЗЯТЦ все же будут. Существует такое понятие — "время достижения радиационной эквивалентности" природного сырья, использующегося для фабрикации ядерного топлива, и образующихся РАО. Его в начале 1990-х годов прошлого века с подачи Евгения Адамова сформулировали ученые И. Х. Ганев и А. В. Лопаткин.
Для нужд атомной энергетики мы извлекаем уран из недр Земли. Образующиеся радиоактивные отходы тоже в перспективе отправятся в недра. Время, за которое захораниваемые отходы достигают той же потенциальной биологической опасности, что и уран, извлекаемый из недр, — это и есть время достижения радиационной эквивалентности. По истечении этого времени можно будет сказать, что мы вернули изначальный баланс природе.
Сколько же времени займет достижение радиационной эквивалентности?
Если мы будет захоранивать минорные актиниды, то время достижения радиационной эквивалентности будет порядка 100 тыс. лет, а если мы их извлечем при переработке ОЯТ и дожжем, то уже 300−500 лет. Если еще поработать над совершенствованием технологий фракционирования при переработке ОЯТ, то, возможно, удастся сформировать такой состав РАО, для которого время достижения радиационной эквивалентности будет еще короче. Хотелось бы добраться до времени порядка 50−70 лет, сравнимого со временем функционирования современных промышленных предприятий атомной энергетики. То есть задача-максимум при обосновании ЗЯТЦ — предложить эффективные решения возникающих проблем атомной энергетики (в том числе экологических), не перекладывая их на плечи последующих поколений.
Если мы будет захоранивать минорные актиниды, то время достижения радиационной эквивалентности будет порядка 100 тыс. лет, а если мы их извлечем при переработке ОЯТ и дожжем, то уже 300−500 лет. Если еще поработать над совершенствованием технологий фракционирования при переработке ОЯТ, то, возможно, удастся сформировать такой состав РАО, для которого время достижения радиационной эквивалентности будет еще короче. Хотелось бы добраться до времени порядка 50−70 лет, сравнимого со временем функционирования современных промышленных предприятий атомной энергетики. То есть задача-максимум при обосновании ЗЯТЦ — предложить эффективные решения возникающих проблем атомной энергетики (в том числе экологических), не перекладывая их на плечи последующих поколений.
Мы говорим о захоронении, но ведь пока в мире никто ядерные отходы не захоранивает — почему?
Выше мы уже обсуждали вопрос обоснования долговременной безопасности. Сегодня долговременная безопасность предлагаемых технологий захоронения ОЯТ и высокоактивных РАО считается недостаточно обоснованной. Над этим работают ученые. В Красноярском крае, в Нижнеканском массиве строится подземная лаборатория, которая будет исследовать воздействие отходов на геологические формации, изучать гидрогеологический режим, теплофизические свойства массива. Если результаты исследований это позволят, то на базе лаборатории построят первый в РФ глубинный подземный могильник РАО.
Выше мы уже обсуждали вопрос обоснования долговременной безопасности. Сегодня долговременная безопасность предлагаемых технологий захоронения ОЯТ и высокоактивных РАО считается недостаточно обоснованной. Над этим работают ученые. В Красноярском крае, в Нижнеканском массиве строится подземная лаборатория, которая будет исследовать воздействие отходов на геологические формации, изучать гидрогеологический режим, теплофизические свойства массива. Если результаты исследований это позволят, то на базе лаборатории построят первый в РФ глубинный подземный могильник РАО.
Сейчас высокоактивные отходы остекловывают, для захоронения эта технология подойдет?
Пока лучше стекла ничего не придумали. Пункт глубинного захоронения РАО в Нижнеканском массиве проектируется именно под остеклованные РАО «Маяка». В мире для иммобилизациии высокоактивных РАО от переработки ОЯТ используют боросиликатное стекло, а у нас пока — алюмофосфатное. Дело в том, что в топливе для атомных подводных лодок много алюминия. И лодочное топливо, и топливо с АЭС исторически перерабатывают на «Маяке».
Чтобы не строить два завода по остекловыванию, стали использовать универсальный состав стекла, подходящей для РАО от переработки обоих видов ОЯТ. Но опытно-демонстрационный центр на ГХК, где в перспективе будут перерабатывать топливо ВВЭР, ориентирован уже на боросиликатное стекло: оно более плотное, выдерживает большие радиационные нагрузки — можно в меньшее количество стекла поместить больше отходов.
Пока лучше стекла ничего не придумали. Пункт глубинного захоронения РАО в Нижнеканском массиве проектируется именно под остеклованные РАО «Маяка». В мире для иммобилизациии высокоактивных РАО от переработки ОЯТ используют боросиликатное стекло, а у нас пока — алюмофосфатное. Дело в том, что в топливе для атомных подводных лодок много алюминия. И лодочное топливо, и топливо с АЭС исторически перерабатывают на «Маяке».
Чтобы не строить два завода по остекловыванию, стали использовать универсальный состав стекла, подходящей для РАО от переработки обоих видов ОЯТ. Но опытно-демонстрационный центр на ГХК, где в перспективе будут перерабатывать топливо ВВЭР, ориентирован уже на боросиликатное стекло: оно более плотное, выдерживает большие радиационные нагрузки — можно в меньшее количество стекла поместить больше отходов.
Кстати, в этом опытно-демонстрационном центре ОЯТ уже будут разделять продукты переработки?
К сожалению, на ОДЦ не предусмотрена пока технология фракционирования. Но его будут запускать двумя очередями: сначала — исследовательские горячие камеры, затем — основная цепочка. В камерах можно попробовать использовать инновационные технологии. Возможно, если разработанные к тому времени технологии фракционирования хорошо себя покажут, основную цепочку перенастроят под них.
На Сибирском химкомбинате в рамках проекта «Прорыв» строится опытно-демонстрационный энергокомплекс с реактором БРЕСТ-ОД‑300. Вот там, на модуле переработки топлива, уже предусмотрено выделение минорных актинидов: америция, кюрия и нептуния.
К сожалению, на ОДЦ не предусмотрена пока технология фракционирования. Но его будут запускать двумя очередями: сначала — исследовательские горячие камеры, затем — основная цепочка. В камерах можно попробовать использовать инновационные технологии. Возможно, если разработанные к тому времени технологии фракционирования хорошо себя покажут, основную цепочку перенастроят под них.
На Сибирском химкомбинате в рамках проекта «Прорыв» строится опытно-демонстрационный энергокомплекс с реактором БРЕСТ-ОД‑300. Вот там, на модуле переработки топлива, уже предусмотрено выделение минорных актинидов: америция, кюрия и нептуния.
Но там же будут работать не только с нитридом?
Технологии переработки оксидного и нитридного ОЯТ различаются незначительно. Создаваемый на площадке Сибирского химкомбината модуль переработки ОЯТ рассчитан на работу как с нитридным, так и с оксидным ОЯТ.
Технологии переработки оксидного и нитридного ОЯТ различаются незначительно. Создаваемый на площадке Сибирского химкомбината модуль переработки ОЯТ рассчитан на работу как с нитридным, так и с оксидным ОЯТ.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2020