Замыкай и обращайся

Стратегия развития «Росатома» предполагает, что к 2050 году ядерная энергетика в России станет двухкомпонентной. Замкнутый ядерный топливный цикл станет реальностью. Одна из основных задач замыкания — ​сокращение радиоактивных отходов. У ученых уже есть концепция обращения с ОЯТ и РАО в двухкомпонентной системе.

Текст: Марина Полякова Фото: Евгений Фадин

Замкнутый цикл предполагает переработку ОЯТ. Эксплуатирующие организации ждут от ученых технологий, которые не вызовут удорожания топлива. Другие требования — ​исключить глубинное захоронение РАО и дожигать минорные актиниды. Уже есть ряд технологий, которые позволят максимально приблизиться к этим условиям, говорит главный эксперт ВНИИНМ, научный руководитель — ​главный технолог центра ответственности «Разработка базовых технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО» проектного направления «Прорыв» Андрей Шадрин.
Переработка ОЯТ не будет экономически эффективна без вовлечения плутония в топливный цикл. Ученые рассматривают несколько видов плутониевого топлива для замыкания ЯТЦ: РЕМИКС — ​для тепловых реакторов, СНУП — ​для быстрых, а МОКС годится для обоих вариантов, хотя нитрид все же предпочтительнее для бридеров. «Технологические заделы и производственные мощности «Росатома» позволят в период до 2035 года на промышленном уровне продемонстрировать замыкание ядерного топливного цикла в нескольких вариантах», — ​говорит Андрей Шадрин.
Совсем отказаться от глубинного захоронения РАО пока технически невозможно, но можно существенно сократить их объем. Специалисты ВНИИНМ провели анализ отходов, образующихся при переработке топлива реакторов ВВЭР‑1000. «В РАО поступает некоторое количество недоизвлеченных при переработке ОЯТ урана и плутония, а также минорные актиниды и продукты деления, — ​рассказывает директор научно-технологического отделения по обращению с ОЯТ и РАО ВНИИНМ, научный руководитель частного проекта «РАО» в проектном направлении «Прорыв» Владимир Кащеев. — ​Для снижения опасности распространения радионуклидов при хранении, транспортировке и захоронении РАО включаются в твердые инертные матрицы. Для высокоактивных отходов наиболее распространенной матрицей является стекло определенного химического состава — ​алюмоборфосфатное или боросиликатное». Для обеспечения надежной изоляции РАО от окружающей среды для каждого вида нестабильных изотопов (элементов топливной композиции, минорных актинидов, продуктов деления) нормативами определен минимальный объем матричного материала.
Недоизвлеченные при переработке ОЯТ ВВЭР‑1000 остатки урана, плутония и минорные актиниды при захоронении требуют матрицу незначительного объема (около 1 см³ стекла на 1 кг ОЯТ). «Основной объем матрицы нужен для утилизации продуктов деления, так как они оказывают наибольшее повреждающее воздействие на матричный материал», — ​объясняет Владимир Кащеев.
Ученые считают целесообразным при переработке разделять вещества, содержащиеся в ОЯТ, на фракции, а затем с каждой разбираться отдельно. Для начала предлагается извлечь топливные компоненты (уран, плутоний и, возможно, нептуний) для повторного использования. Некоторые продукты деления, например благородные металлы, можно было бы тоже использовать, однако существующие способы их очистки до норм неограниченного использования пока экономически непривлекательны. Но ученые совершенствуют эти технологии.
Большие перспективы в ядерной медицине имеют многие изотопы, образующиеся при переработке ОЯТ. Их тоже учатся извлекать.
Отдельный вид РАО от переработки ОЯТ — ​конструкционные материалы топливных сборок (каркасы ТВС, оболочки твэлов). Ученые предлагают компактизировать их путем переплавки или прессования. Из 1 кг такого ОЯТ можно сделать всего 60–70 см³. «Серьезный вопрос — ​снижение наведенной активности конструкционных материалов, — ​говорит Владимир Кащеев. — ​Следует вести научно-исследовательские разработки по поиску новых материалов с меньшей нарабатываемой активностью».
Ключевой задачей остается извлечение при переработке ОЯТ минорных актинидов с целью их сжигания в быстрых реакторах. «На сегодняшний день разработаны и в пилотном варианте проверены на реальном ОЯТ технологии выделения и разделения америция и кюрия, — ​рассказывает Андрей Шадрин. — ​В лабораторном масштабе проверены технологии получения ядерного топлива для быстрых реакторов с америцием. Необходима демонстрация этих технологий на промышленном уровне. Это может быть сделано в БН‑600 и БН‑800, на мощностях по переработке ОЯТ на «Маяке» и в исследовательских камерах ОДЦ на Горно-химическом комбинате». С кюрием все сложнее, дожигать его в таблеточном топливе пока не получается из-за сложности изготовления топлива и тепловыделяющих сборок. Ученые предлагают отправлять кюрий на длительное хранение до распада короткоживущих изотопов (50–70 лет), затем выделять образовавшийся при их распаде плутоний, а оставшиеся долгоживущие изотопы уже отправлять на дожигание, например, в жидкосолевые реакторы или захоранивать.
Выделение цезия и стронция привело бы к уменьшению объема РАО, подлежащих глубинному подземному захоронению, в три раза. Технически это вполне реализуемо. Однако найти применение всем их изотопам пока не удается, а время их выдержки для существенного снижения затрат на захоронение (использования приповерхностного захоронения вместо глубинного геологического) — ​порядка 300 лет. В связи со значительными затратами на длительное хранение и трудностью обоснования безопасности (на первых этапах хранения эти отходы высокоактивные) выделение фракции щелочных и щелочноземельных металлов в современных условиях нецелесообразно.