Никто не делал этого до нас

все статьи
11

30 мая 2017

Госкорпорация «Росатом» реализует в отрасли амбициозный проект «Прорыв».

Он направлен на создание новой технологии с замкнутым ядерным топливным циклом, решение проблем отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО).

По мнению руководства Госкорпорации «Росатом», результатом «Прорыва» должно стать создание конкурентоспособного продукта, обеспечивающего лидерство российских технологий в мировой атомной энергетике.

Современный замкнутый ядерный топливный цикл, выражаясь научным языком, должен включать в качестве одной из основных стадию селективного извлечения трансплутониевых элементов из высокоактивных отходов (ВАО) для их превращения в оксиды с последующей трансмутацией до стабильных нуклидов в ядерном реакторе на быстрых нейтронах. Основными трансплутониевыми элементами, которые необходимо извлечь из ВАО и отделить от редкоземельных элементов, являются америций (Am) и кюрий (Cm). Кроме того, необходимо разделить америций и кюрий, что является сложнейшей технологической задачей фракционирования ВАО в виду их равных зарядов (+3) и очень близких химических свойств.

Америций и кюрий входят в список самых дорогих веществ в мире, их используют в особо важных областях ядерных технологий, в том числе в промышленности и медицине. В мире спрос на кюрий многократно превышает предложение. Получение достаточных количеств кюрия способно решить проблему производства компактных и чрезвычайно мощных космических реакторов, самолётов с ядерными двигателями. И к этой мечте человечество уверенно приближается, причём не без участия ПО «Маяк». В 90-е годы на предприятии также пытались выделить способом экстракции эти металлы, но тогда результаты оказались намного ниже ожиданий.

«Ад» и «бред»

В основе любого прорыва лежит идея. Научная концепция выделения из отработавшего ядерного топлива америция и кюрия с их последующим разделением была разработана ещё несколько десятилетий назад, в начале 50-х годов прошлого столетия. Американские физики-ядерщики при разделении америция и кюрия в лабораторных условиях столкнулись с большими трудностями. И это они хотели отразить в первоначальных названиях элементов «пандемониум» и «делириум», что в переводе с латыни означает «ад» и «бред».

В прошлом году на «Маяке» были проведены успешные промышленные испытания технологии выделения и разделения америция и кюрия из растворов от переработки отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР. Подчеркнём, что в условиях действующего производства разделение америция и кюрия было проведено впервые в мире. Но этому предшествовала большая и сложная работа коллективов учёных Института физической химии и электрохимии РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова, Радиевого института им. В. Г. Хлопина и специалистов ПО «Маяк».

Кюрий превращается...

В природе ни америций, ни кюрий не встречаются, эти элементы получаются только в реакторах при облучении ядерного топлива. При переработке ОЯТ эти радиоактивные элементы остаются в рафинатах, то есть в отходах, которые подлежат остекловыванию с последующим длительным хранением. И это мировая практика. Но из-за больших периодов полураспада и высокой радиотоксичности америция и кюрия даже в остеклованном виде отходы переработки ОЯТ будут представлять опасность в течение нескольких тысяч лет. Выделение америция и кюрия при переработке ОЯТ существенно снизило бы опасность для окружающей среды, а их разделение с получением чистой фракции америция позволило бы вовлечь его в топливный цикл, включив в состав регенерированного топлива, с целью выжигания в реакторах на быстрых нейтронах. Кюрий же должен быть отделён от америция, помещён на выдержку, а после примерно 70 лет выдержки за счёт распада он превращается в плутоний, то есть может быть также возвращён в топливный цикл.

Точный расчёт и научный эксперимент

Под научным руководством специалистов Радиевого института совместно с учёными ЦЗЛ ПО «Маяк» была разработана экстракционная технология совместного выделения америция и кюрия из ВАО с использованием тетраоктилдиамидадигликолевой кислоты (ТОДГА). Проведенные на ПО «Маяк» стендовые испытания на модельных растворах подтвердили работоспособность данной технологии. Степень извлечения америция составила 99,9%, а коэффициент очистки америция от редкоземельных элементов превысил 100.

Следующим этапом стали опытные операции в цехе № 3 радиохимического завода ПО «Маяк», научное руководство которых осуществлял один из специалистов Института физической химии и электрохимии РАН доктор химических наук Олег Харитонов.

— Радиевый институт разработал научные подходы к реализации данной технологии, — говорит Юрий Ворошилов, руководитель группы технологической лаборатории ЦЗЛ. — После этого экспериментальные работы были проведены на промышленной сорбционно-хроматографической установке. Разделение на фракции америция и кюрия происходило на каскаде хроматографических колонн. На данной установке при определённых условиях выделили индивидуальные концентраты кюрия и америция. Результат — фракция америция весом в 65 граммов и фракция кюрия в 9 граммов.

Наверное, нет смысла подробно описывать все химические реакции, происходящие на разных этапах этой сложной технологии. Будет достаточно сказать, что путь к успеху был непростым и лежал через тщательное научное исследование проблемы.

В 2015 году к работе в рамках программы «Прорыв» присоединились учёные МГУ. Доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАН Степан Калмыков с группой учёных, которые также были привлечены к проекту «Прорыв», предложили апробировать в условиях «Маяка» теоретические результаты своих исследований по выделению и разделению америция и кюрия.

— Командой МГУ были первоначально смоделированы, а затем синтезированы специальные экстрагенты, которые обладают селективными экстракционными свойствами в отношении америция и кюрия, — объясняет руководитель технологической лаборатории ЦЗЛ, кандидат химических наук Александр Машкин. — С использованием синтезированного экстрагента, а также специально вводимой добавки достигается достаточно высокий коэффициент разделения пары Am/Cm. То есть предложенная система позволяет эффективно экстрагировать один из элементов, при этом второй элемент экстрагируется в значительно меньшей степени, что и позволяет в конечном итоге разделить эти элементы с очень близкими химическими свойствами.

Учёными МГУ данные положения были проверены на имитационных растворах и с использованием микроконцентраций америция. Задача «маяковцев» состояла в том, чтобы на весовых количествах америция и кюрия проверить истинность их научных расчётов. Проведённые на «Маяке» работы показали, что при определённом подборе условий можно добиться очень значительного результата по разделению америция и кюрия. Достигнут результат, свидетельствующий о том, что в изученных условиях коэффициент разделения пары Am/Cm может достигать величины 6,8.

Всё только начинается

На последнем совещании в Росатоме, которое проводил заместитель директора Дирекции по ЯОК — директор департамента промышленности ядерных боеприпасов Андрей Егоров, была дана высокая оценка работе учёных и специалистов ПО «Маяк» по извлечению трансплутониевых элементов из высокоактивных отходов. На повестке дня — продолжение исследований по этой теме. Госкорпорация заинтересована в промышленных технологиях экстракционного/сорбционного разделения актинидов. Необходимо будет провести дополнительные исследования в укрупнённом и опытно-промышленном масштабе по разделению америция и кюрия. Эти работы будут выполнены в 2017–2019 годах.

По материалам газеты «Вестник Маяка» № 13, г. Озёрск, 17 апреля 2017 года
Светлана Сыромолотова