Член-корреспондент РАН Степан Калмыков – о химических технологиях замыкания ядерного топливного цикла. Доклад подготовлен совместно с академиком РАН Борисом Мясоедовым и доктором химических наук Андреем Шадриным
В отличие от других наук ядерные – радиохимия, ядерная физика и многие другие, имеют четкую локализацию во времени, напомнил докладчик. Стартовую позицию следует отнести к марту 1896 года, когда Анри Беккерель доложил о своем открытии высокопроникающих лучей в Парижской Академии наук. Свойство определенных атомов испускать лучи Мария Кюри назвала радиоактивностью, а уран, торий и другие подобные элементы – радиоактивными. На первом этапе, до середины 1930-х годов, были сделаны основные открытия – видов излучений, законов радиоактивного распада. В это время открывались новые частицы и механизмы взаимодействия излучений, появились исследования в области радиобиологии и других наук.
Первым, кто смог оценить важнейшую роль явления радиоактивности в развитии мирового сообщества, был великий отечественный ученый, геохимик, философ Владимир Вернадский. Еще до того как было открыто нейтронно-индуцированное деление ядер, то есть ни о какой искусственной радиоактивности и ядерной энергетике речь еще не шла, у него возник заочный спор с Эрнестом Резерфордом. Английский физик утверждал, что пройдет еще несколько сотен лет до того как фундаментальное открытие – явление радиоактивности – можно будет каким-то образом использовать на пользу человечеству. В то время была популярна шуточная картинка: в парижском салоне источник радия, используемый вместо дров в камине, отапливает весь дом. Понятно, что это было невозможно, но Вернадский уже в 1910 году предвидел: «Перед нами открываются в явлениях радиоактивности источники атомной энергии, в миллионы раз превосходящие все те источники сил, какие рисовались человеческому воображению». Уже тогда Владимир Иванович говорил о том, что процесс изобретений, связанных с использованием радиоактивности в нашей жизни, примет лавинообразный характер. В 1922 году, когда еще не было даже самого сочетания слов «искусственная радиоактивность», он вопрошал: сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на уничтожение.
Быстрым ходом
Первый период в развитии радиохимии – это ее возникновение как самостоятельного направления в химии, тесно связанного с изучением радиоактивности, отметил докладчик. Это этап фундаментальных исследований, время поиска новых радиоактивных элементов и изучения их свойств, основных закономерностей поведения ультрамалых количеств радионуклидов. В этот период получили развитие методы дробной кристаллизации, осаждения, соосаждения, электроосаждения и другие аналитические методы, которые потом в значительной мере использовались на «военном» этапе, – начиная от добычи урана и заканчивая выделением, разделением, концентрированием делящихся элементов из облученного урана. Технологии, которые тогда использовались, может быть, воспринимаются сегодня нами немного с улыбкой, но, тем не менее, это было очень серьёзно. К 1918 году в Европе было уже получено 11,5 граммов радия. В 1923 году был построен первый российский радиевый завод мощностью 1,5 грамма радия в год. В 1931 году в Ухте (Коми) началось строительство первого завода по извлечению радия из подземных вод. Минерализованная вода (3 миллиграмма радия на тысячу кубометров H2O) подавалась от скважин по километровым водотокам из деревянных труб. Радий на тот момент был источником для научных исследований материи, исследований радиоактивности в других отечественных институтах.
Второй, «оружейный», этап в развитии радиохимии (1932-1942 годы) связан с синтезом и исследованием свойств искусственных, синтезированных элементов, открытием плутония и нептуния. Началось развитие радиохимических технологий переработки отработавшего ядерного топлива. В этот период в окружающую среду стало поступать значительное количество радионуклидов. Собственно, тогда и началось взрывообразное развитие ядерных технологий. Достаточно сказать, что с момента фундаментального открытия деления ядер урана нейтронами до создания уран-графитового реактора Энрико Ферми в Чикаго прошло около трех лет, то есть скорости были совершенно феноменальные, которые сегодня нам и не снятся. Понятно, что это взрывообразное развитие стимулировалось возможностью оружейного, военного применения новых материалов и научных открытий.
В эти годы постоянно открывались новые актиниды (в том числе, в продуктах ядерных взрывов). За исключением последних членов периодической таблицы Менделеева, все они были открыты путем последовательного захвата нейтрона из предыдущих элементов. Открытие дальнейших элементов, включая и трансактиноидные (с атомными номерами 104 и далее), связано уже с более сложными ядерными реакциями. Происходившая тогда гонка первооткрывателей отражает историю создания ускорительной техники, химии атомов, фактически предвосхищает рождение радиохимии, которая дальше была использована во многих областях – в фармацевтике, экологии, контроле качества и т.д.
Предмет нашей особой гордости, отметил Степан Калмыков, это доминирование российского флага в области открытия трансактиноидных элементов: приоритет Объединенного института ядерных исследований в Дубне (в сотрудничестве с другими институтами, в частности, из США) в этой сфере совершенно очевиден.
Третий этап – «мирный атом»; в 1954 году появляется АЭС в Обнинске. Таким образом, технологии, которые создавались для решения оружейных задач, впоследствии использовались и для создания мирной ядерной энергетики.
В замкнутом цикле
Какие основные задачи решаются в атомной энергетике в настоящее время? Первая из них – это совершенствование радиохимической технологии, замыкание ядерного топливного цикла. И не просто замыкание, а формирование двухкомпонентной ядерной энергетики, основанной на тепловых реакторах, которые дают дешевое электричество, и реакторах на быстрых нейтронах, которые способны дожигать радиоактивные отходы, прежде всего долгоживущие, как, например, америций-241. Таким образом, совершенствование радиохимических технологий позволяет решать сразу две задачи: экологическую – ухода от хранения и захоронения долгоживущих отходов, и экономическую.
В связи с этим необходимо разработать технологии переработки ОЯТ используемых тепловых и быстрых реакторов. Эти технологии включают рециклирование делящихся материалов, выделение актинид-лантанидной фракции с последующим разделением америция и кюрия – для трансмутации америция и хранения кюрия до распада; фракционирование РАО с целью выделения короткоживущей фракции, металлов платиновой группы, технеция и других; минимизацию объемов РАО.
Абсолютно большая часть урана в топливной кампании остается недогоревший – его можно вернуть его в энергетику. Это очень важная задача, подчеркнул Степан Калмыков: добыча урана в СССР составляла 16-18 тысяч тонн в год, в России она не достигает и трех тысяч тонн, это всего около 5% мирового производства. В мире сегодня функционируют 450 коммерческих реакторов, которые потребляют в год 67 тысяч тонн урана. Это означает, что производство топлива из природного урана обеспечивает лишь 60% объема его потребления. При этом 93% урана добывается шахтным способом и лишь 7% – методом подземного выщелачивания. Двухкомпонентная атомная энергетика позволяет сократить добычу урана. А то, что уже наработано, следует рециклировать и пустить опять в энергетику.
В настоящее время на Горнохимическом комбинате уже создано производство смешанного оксидного уран-плутониевого топлива для реакторов на быстрых нейтронах, использование которого позволяет переработать отработавшее «горючее». Там же создается опытно-демонстрационный центр для испытания новых технологий.
Рассматриваются новые технологии, связанные с выделением и утилизацией долгоживущих минорных актинидов (америций, кюрий, нептуний). Каким будет их дожиг – в гетерогенных или гомогенных реакторах, является предметом обсуждения; но в любом случае мы уходим от того, чтобы хранить долгоживущие продукты миллионы лет. Степан Калмыков напомнил, что в Европе, чтоб лицензировать хранилища радиоактивных и высокорадиоактивных отходов, нужно гарантировать миллион лет безопасного хранения. Понятно, что такие гарантии не могут быть действительно даны, и создание подобных инженерных систем – крайне дорогая задача.
Поджимаем хвосты
Для уменьшения количества отходов могут быть использованы самые разные радиохимические способы, на каждой стадии переработки топлива. Это, например, «железный» ПУРЭКС-процесс, предусматривающий экстракцию америция. Вместо азотной кислоты, которая является высаливателем, добавляют нитрат железа, который сильно уменьшает объемы, кислотность и объемы вторичных отходов. За счет этого получается большой выигрыш в экономике, в объеме радиоактивных отходов.
По проектному направлению «Прорыв» предусматривается комбинированная и пирохимическая технология сепарации переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах. Низкое время выдержки ОЯТ, до переработки, высокое содержание актинидов и продуктов деления в ОЯТ реакторов БН требует «сухой» технологии переработки ОЯТ или «сухих» головных операций. Выбран окончательный вариант технологической схемы пирохимической переработки МОКС+СНУП ОЯТ в составе комбинированной (ПИРО+ГИДРО) технологии.
Речь идет о том, что топливо будет намного более горячим, с большим количеством продуктов деления, с накопившимся плутонием, и те традиционные методы ПУРЭКС-процесса, о которых сказано выше, перестают действовать. Поэтому на головной стадии предполагаются неводные методы разделения, а уже в «хвостах» этих технологических процессов, когда растворы будут не такими высокоактивными, надо использовать гидрометаллургические переделы и переработки.
Разделяй и властвуй
Над чем еще сегодня работают химики? К числу современных методов, которые ученые из Росатома, РАН и вузов стараются внедрить на самых разных стадиях ядерного топливного цикла, относится, например, использование СВЧ-излучения для изготовления ядерного топлива – «таблеток». Речь идет о получении керамических порошков диоксида урана и диоксида U, Pu из азотнокислых растворов или прекурсоров, с последующим спеканием таблеток для приготовления уранового и смешанного топлива. Такие же эксперименты проводятся с нитридным топливом, которое будет использовано в энергетике нового поколения; по своим характеристикам оно отвечает действующим требованиям.
Важнейшая, интереснейшая научная задача, которая решается сейчас организациями Росатома и РАН – это разделение очень близких по химическим свойствам элементов, практически одинаковых: америция и кюрия. Они имеют идентичные степени окисления и радиус; разделить их очень сложно. Если использовать трибутилфосфат, который применяется в ПУРЭКСе, это 100-200 ступеней экстракционного каскада, то есть огромные объемы работы, вторичных отходов и всего, что с этим связано. Один из методов, предлагаемых для реализации, это ионообменный, с использованием дигликольамина в качестве элюентов, он позволяет получить чистые фракции америция и кюрия. Кюрий, короткоживущий элемент, распадается в плутоний, а долгоживущий америций дожигается в реакторах БН.
В 2016 году в ПО «Маяк» была введена опытно-промышленная установка по отверждению РАО в магний-калий-фосфатную матрицу. Создание минералоподобных матриц для отверждения РАО – это окончание, финал ядерного топливного цикла. В данном случае образование и отверждение матрицы происходит при комнатной температуре с образованием малорастворимых фосфатов радионуклидов и металлов отходов. Преимущества метода: возможность отверждения РАО различного химического и радионуклидного состава (в том числе содержащих летучие радионуклиды); отсутствие необходимости в создании и эксплуатации высокотемпературной установки (как в случае остекловывания); физико-химические свойства матрицы, включая скорость выщелачивания актинидов, отвечают НП-019-15 для стекла, получаемого при температурах не менее 1000 градусов.
Химические технологии сегодня лежат в основе не только ядерного топливного цикла, но и ядерной медицины, экологии, вывода из эксплуатации объектов накопленного ядерного наследия. В последней сфере следует выделить разработку композиций из природных материалов, обладающих высокими сорбционными возможностями и диффузией, – системы противомиграционных барьеров на основе бентонитовых глин.
Императивные требования к разрабатываемым в настоящее время химическим технологиям в атомной отрасли – их безопасность, экологическая приемлемость, экономическая эффективность.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам доклада)
