Политехники предлагают использовать ОЯТ
Ученые кафедры технической физики Томского политехнического университета предложили новый метод переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), который позволит, во-первых, снизить энергозатраты, а, во-вторых, поможет извлекать из отходов ценные и благородные металлы — палладий, родий и рутений.
Проблема нехватки объемов для хранения ОЯТ является актуальной для всех стран, развивающих атомную энергетику. Так, по оценкам исследователей, сегодня в России на площадках АЭС и в хранилищах радиохимических заводов размещено около 16 000 тонн ОЯТ. При этом ежегодный прирост хранящегося топлива достигает 850 тонн.
Добавим, существует два основных варианта обращения с ОЯТ: хранение и переработка. Первый способ, который бывает двух типов: сухое хранение (в вентилируемых помещениях) и влажное (под водой) — является более дешевым. Однако переработка, хоть и предполагает серьезные денежные и энергозатраты, является более современным и экологичным способом обращения.
По словам ассистента кафедры технической физики Ивана Новоселова, в Томском политехе предложили модернизировать существующий способ переработки ОЯТ. Стандартный процесс предполагает фрагментирование ОЯТ, растворение в азотной кислоте, экстракционное извлечение из раствора урана и плутония и производство на их основе MOX-топлива для АЭС. Оставшиеся без урана и плутония отходы переработки ОЯТ (ОП ОЯТ) представляют собой водно-солевые растворы высокой активности, включающие целый ряд радиоактивных продуктов деления изотопа уран-235 (платиноиды, РЗЭ) и других металлов. По действующей технологии эти отходы выпаривают, добавляют химические реагенты (силикаты, фосфаты, бораты и другие) и направляют на операцию остекловывания с последующим захоронением в виде «брикетов». Однако у существующего способа есть ряд недостатков.
– ОП ОЯТ в отличие от радиоактивных отходов несут в себе определенную ценность — то, что входит в его состав, может быть востребовано в будущем. «Брикеты», которые получаются в процессе остекловывания, конечно, занимают меньший объем и не содержат уран и плутоний, однако содержат изотопы очень ценных металлов платиновой группы — палладия, родия и рутения, которые являются продуктами деления. Но проблема в том, что из «брикетов» их потом просто не извлечь, — говорит он.
Доцент кафедры технической физики Александр Каренгин добавляет, что ученые ТПУ предлагают использовать низкотемпературную плазму для иммобилизации отходов переработки ОЯТ. Причем технология политехников позволяет не только встроиться в уже существующий процесс переработки, но и удешевить его.
– Основой технологии переработки ОЯТ на радиохимических заводах является PUREX-процесс, в котором экстракцию урана и плутония из водно-солевых растворов осуществляют трибутилфосфатом (ТБФ) с использованием различных органических разбавителей (керосин, очищенные углеводороды и другие), которые под действием радиоактивного облучения с течением времени теряют свою эффективность и превращаются в горючие отходы переработки ОЯТ (ГОП ОЯТ). Нами разработан процесс совместной плазменной иммобилизации горючих и негорючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме в расплавах хлоридов металлов (натрий, калий), стойких к радиационному облучению. В итоге получается горючая композиция, которая обрабатывается в воздушной плазме при температуре не менее 1 200 °С. На выходе мы получаем своеобразный расплав, который собирается в специальные емкости, затвердевает и отправляется на хранение.
По прошествии необходимого времени из субстанции можно будет извлечь химическими способами металлы платиновой группы. Для сравнения: с одной тонны ОЯТ образуется до 2 килограммов рутения, до 1,5 килограмма палладия и до 0,5 килограмма родия, — поясняет политехник.
Отметим, к несомненному достоинству технологии ученых Томского политеха относится уменьшение стоимости за счет сокращения количества операций, объема емкостного оборудования, затрат на химические реагенты и электроэнергию. Исследования с использованием плазменного комплекса ведутся в ТПУ с 2013 года. Работы подкреплены госзаданием «Наука», федеральной целевой программой. При этом плазменный комплекс, созданный в вузе, может быть использован для выполнения различных заданий.
– На этой же установке можно получать нанопорошки из ОЯТ. После экстракции урана и плутония в образующемся растворе остаются редкие элементы, например, иттрий или цирконий. После переработки в плазме можно получать нанопорошки оксидов данных элементов. Плазма сама по себе является очень универсальным инструментом, несмотря на то, что она достаточно хорошо исследована, наблюдать ее широкое применение в промышленности нам пока не приходится, — подчеркивает Иван Новоселов.
Политехниками уже проведена отработка лабораторной пробы на плазмохимическом комплексе. Эксперименты проводились не на реальном ОЯТ, но на моделях, которые полностью имитируют физико-химические свойства сырья. Кроме того, учеными ТПУ уже разработаны мобильный плазменный комплекс, который при необходимости можно модернизировать под нужды предприятия, и стационарная установка.
– Это многоцелевой комплекс, который можно использовать для решения различных задач. Мы готовы к тому, чтобы проводить работы с использованием ОЯТ, открыты для сотрудничества с предприятиями ядерной промышленности. Возможно, предприятия подстегнет готовящийся указ президента РФ, по которому хранение ОЯТ станет экономически невыгодным. Поэтому компании будут заинтересованы в технологиях переработки, — подытожил Александр Каренгин, уточнив, что доклад, посвященный данной проблеме, был представлен на международной конференции «Изотопы: технологии, материалы и применение», прошедшей недавно в Томском политехе.
Наталья КАРОКОРСКОВА.
