Санкт-Петербургский
«ИнноПлазмаТех» разрабатывает прорывную ионно-плазменную технологию
переработки ядерного топлива и дезактивации облученного графита
22 октября 2024
Ученые предложили принципиально новый подход — ионно-плазменную
технологию — для дезактивации облученного реакторного графита и
переработки отработанного ядерного топлива. Эта технология позволяет
извлечь радиоактивный углерод из графитовых блоков, при этом сохранить
их целостность, существенно сократить объемы вторичных радиоактивных
отходов и снизить класс радиационной опасности графита, что на порядок
уменьшает затраты на его захоронение. Также новый подход будет в
десятки раз дешевле для переработки отработанного ядерного топлива, чем
использующиеся сегодня радиохимические методы. При этом он позволит с
99% эффективностью разделить входящие в топливо компоненты, что даст
возможность повторно использовать часть из них. Результаты
исследования, поддержанногоexternal link, opens in a new tab грантом
Российского научного фонда (РНФ), опубликованыexternal link, opens in a
new tab в двух статьях в журналеexternal link, opens in a new tab
«Ядерная физика и инжиниринг».
Объемы облученного реакторного графита, образовавшегося в процессе
эксплуатации уран-графитовых реакторов, в которых графитовая кладка
служит замедлителем нейтронов, достигают около 260 тысяч тонн в мире и
порядка 60 тысяч тонн в России, при этом оптимальной технологии его
дезактивации пока нет. Наибольшую опасность в облученном графите
представляет углерод-14 с периодом полураспада 5700 лет, поэтому ученые
ищут способ отделять его от других элементов и извлекать из графитовых
блоков для безопасного захоронения. В реакторах углерод-14 образуется
из-за нейтронного облучения азота-14 из азотно-гелиевой смеси и
осаждается на поверхности графитовых блоков.
Исследователи из Общества с ограниченной ответственностью
«ИнноПлазмаТех»external link, opens in a new tab (Санкт-Петербург)
предложилиexternal link, opens in a new tab помещать облученный
графитовый блок в камеру, заполненную аргоновой плазмой, и удалять
углерод-14 за счет распыления ионами аргона с поверхности графита.
Одновременно прогрев графитового блока плазмой до температуры порядка
1700°С приводит к тому, что другие радионуклиды перемещаются из графита
на поверхность, с которой они также удаляются распылением. Преимущество
такой технологии состоит в том, что при ее использовании не образуются
вторичные радиоактивные отходы и не нарушается целостность графитовых
блоков.
Авторы подчеркиваютexternal link, opens in a new tab, что принципы
ионно-плазменной технологии также применимы для переработки
отработанного ядерного топлива. Ежегодно из реакторов российских АЭС
выгружаетсяexternal link, opens in a new tab около 650 тонн
отработанного ядерного топлива, при этом перерабатывается не более 15%,
а остальное — захоранивается. Это объясняется тем, что сегодня
переработка отработанного ядерного топлива требует большого количества
химических процессов, в ходе которых выделяется до 40 химических
элементов — продуктов деления. Кроме того, химические методы неизбежно
приводят к добавлению в отработанное топливо «чистых» реагентов и
образованию значительных объемов вторичных радиоактивных отходов.
Согласно ионно-плазменной технологии, таблетки отработанного ядерного
топлива помещают в разделительную трубу, оснащенную съемными
цилиндрическими вкладышами. Через трубу пропускают инертный газ аргон и
с его помощью проводят плазменное разделение отработанной топливной
таблетки. Температура вдоль трубы постепенно меняется от 2600°С в
месте, где располагается топливная таблетка, до комнатной на конце.
Благодаря градиенту температур и различиям в давлении насыщенных паров,
разные химические элементы «осаждаются» на разных участках
разделительной трубы (съемных вкладышах), поэтому их удается разделить
с точностью не ниже 99%. Это позволит, извлекая вкладыши, получить
разделенные поэлементно компоненты отработанного ядерного топлива.
Некоторые из них, например, уран и плутоний, могут использоваться
повторно, другие — применяться в иных отраслях промышленности
(например, стронций для «долгоиграющих» бета-вольтаических батарей), а
остальные — компактно захораниваться, поскольку вторичные радиоактивные
отходы при этом не образуются.
«Предложенный подход позволит на порядок сократить расходы на вывод из
эксплуатации уран-графитовых реакторов и в десятки раз удешевить
переработку отработанного ядерного топлива, а также сделать ее более
экологичной. Следующим этапом развития ионно-плазменной технологии
станет решение ряда научных и конструкторских задач: разработка и
создание прототипа устройства и проведение работ в условиях,
приближенных к реальным, на объектах ядерной энергетики. Технологию
ионно-плазменной дезактивации мы запатентовали совместно с ГК "Росатом"
и АО "Концерн Росэнергоатом", также начато международное патентование»,
— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна
Петровская, кандидат физико-математических наук, генеральный директор
ООО «ИнноПлазмаТех».