Выделяй и разделяй

Одна из самых сложных задач проекта «Про­рыв» — создать оптимальную технологию об­ращения с ОЯТ. Специалисты «Маяка» вместе с учеными из Радиевого института, РАН и МГУ сделали важнейший шаг к ее решению: научи­лись извлекать из отработанного топлива и раз­делять самые потенциально опасные элемен­ты — америций и кюрий.

В природе ни тот ни другой не встречаются, эти трансплу­тониевые элементы образуются в результате ядерной реакции, в частности в атомных реак­торах при облучении топлива. При переработке ОЯТ остают­ся в рафинатах, то есть отходах, которые подлежат остекловы­ванию и длительному хране­нию — несколько тысяч лет. Ученые давно задумывались: хо­рошо бы выделить америций и кюрий. Без них так долго хра­нить ВАО не придется. А если их еще и разделить, америций можно сразу вернуть в топлив­ный цикл, включив в состав ре­генерированного топлива для реакторов на быстрых нейтро­нах. С кюрием посложнее — его надо выдержать примерно 70 лет: за это время он превра­тится в плутоний и тоже мо­жет быть возвращен в топлив­ный цикл.

Ад и бред

Научную концепцию выделе­ния из отработанного топлива америция и кюрия и их разде­ления разработали еще в нача­ле 1950-х годов американцы, ко­торые эти элементы впервые и синтезировали. Однако при попытке разделить америций и кюрий в лабораторных усло­виях физики-ядерщики столк­нулись с большими трудностя­ми: у элементов одинаковые заряды (+3) и очень похожие химические свойства.

УЧЕНЫЕ ДАВНО ЗАДУ­МЫВАЛИСЬ: ХОРОШО БЫ ВЫДЕЛИТЬ АМЕРИЦИЙ И КЮРИЙ. БЕЗ НИХ ТАК ДОЛГО ХРАНИТЬ ВАО НЕ ПРИДЕТСЯ. А ЕСЛИ ИХ ЕЩЕ И РАЗДЕЛИТЬ, ТО МОЖНО ВЕРНУТЬ В ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ
Ученые так с этим измучились, что по­началу хотели назвать аме­риций и кюрий pandemonium и delirium, что в переводе с ла­тыни означает «ад» и «бред».

Первая промышленная тех­нология выделения и разделе­ния америция и кюрия из рас­творов от переработки ОЯТ водо-водяных реакторов была создана лишь в прошлом году, и не в Америке, а в России. Ее уже испытали на «Маяке». Это­му предшествовала большая и сложная работа коллективов Института физической химии и электрохимии РАН, МГУ, Ра­диевого института и «Маяка».

Точный расчет и научный эксперимент

Экстракционную технологию совместного выделения амери­ция и кюрия из ВАО с использо­ванием тетраоктилдиамида ди­гликолевой кислоты (ТОДГА) разработали под научным руко­водством Радиевого института ученые центральной заводской лаборатории «Маяка».

Стендовые испытания на мо­дельных растворах подтвердили ее работоспособность: степень извлечения составила 99,9 %.

Следующий этап — разделе­ние — осваивали в цехе № 3 ра­диохимического завода комби­ната. Также участвовали ученые МГУ, у которых уже были тео­ретические наработки по вы­делению и разделению амери­ция и кюрия. «Команда МГУ смоделировала, а потом и син­тезировала 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 и 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».

Ученые МГУ свои предполо­жения проверили на имитаци­онных растворах с использо­ванием микроконцентраций америция. Задача маяковцев со­стояла в том, чтобы на весовых количествах америция и кюрия проверить истинность научных расчетов. Выяснилось, что при подборе определенных условий можно добиться очень хорошего коэффициента разделения аме­риция и кюрия.

Руководил работами спе­циалист Института физиче­ской химии и электрохимии РАН Олег Харитонов. «Радие­вый институт разработал на­учные подходы к реализации этой технологии, — говорит Юрий Ворошилов, руководи­тель группы ЦЗЛ. — Разделение на фракции америция и кюрия происходило на каскаде хрома­тографических колонн. Резуль­тат — фракция америция весом 65 г и фракция кюрия, 9 г».

Все только начинается

На недавнем совещании в «Рос­атоме», которое проводил за­меститель главы дирекции по ЯОКу, директор департамента промышленности ядерных бое­припасов Андрей Егоров, работу ученых и специалистов «Маяка» по извлечению трансплутоние­вых элементов из высокоактив­ных отходов оценили очень вы­соко. Но впереди еще много дел. Необходимы дополнительные исследования по разделению америция и кюрия в укрупнен­ном и опытно-промышленном масштабе. Эти работы заплани­рованы на 2017 – 2019 годы.

Кстати

Америций и кюрий входят в список самых дорогих веществ в мире, их используют в особо важных областях, в том чис­ле в промышленности и медицине. В мире спрос на кюрий многократно превышает предложение. Получение доста­точного количества кюрия способно решить проблему про­изводства компактных и чрезвычайно мощных космиче­ских реакторов, ядерных авиадвигателей.