Ученые Томского политеха предложили новый метод переработки отработавшего ядерного топлива

Проблема нехватки объемов для хранения ОЯТ является актуальной для всех стран, развивающих атомную энергетику. Так, по оценкам исследователей, сегодня в России на площадках АЭС и в хранилищах радиохимических заводов размещено около 16 000 тонн ОЯТ. При этом ежегодный прирост хранящегося топлива достигает 850 тонн.

Добавим, существует два основных варианта обращения с ОЯТ: хранение и переработка. Первый способ, который бывает двух типов: сухое хранение (в вентилируемых помещениях) и влажное (под водой) — является более дешевым. Однако переработка, хоть и предполагает серьезные денежные и энергозатраты, является более современным и экологичным способом обращения.

В Томском политехе предложили модернизировать существующий способ переработки ОЯТ. Стандартный процесс предполагает фрагментирование ОЯТ, растворение в азотной кислоте, экстракционное извлечение из раствора урана и плутония и производство на их основе MOX-топлива для АЭС. Оставшиеся без урана и плутония отходы переработки ОЯТ (ОП ОЯТ) представляют собой водно-солевые растворы высокой активности, включающие целый ряд радиоактивных продуктов деления изотопа уран-235 (платиноиды, РЗЭ) и других металлов. По действующей технологии эти отходы выпаривают, добавляют химические реагенты (силикаты, фосфаты, бораты и другие) и направляют на операцию остекловывания с последующим захоронением в виде «брикетов». Однако у существующего способа есть ряд недостатков.

«ОП ОЯТ в отличие от радиоактивных отходов несут в себе определенную ценность — то, что входит в его состав, может быть востребовано в будущем. „Брикеты“, которые получаются в процессе остекловывания, конечно, занимают меньший объем и не содержат уран и плутоний, однако содержат изотопы очень ценных металлов платиновой группы — палладия, родия и рутения, которые являются продуктами деления. Но проблема в том, что из „брикетов“ их потом просто не извлечь», — говорит он.

Доцент кафедры технической физики добавляет, что ученые ТПУ предлагают использовать низкотемпературную плазму для иммобилизации отходов переработки ОЯТ. Причем технология политехников позволяет не только встроиться в уже существующий процесс переработки, но и удешевить его.

«Основой технологии переработки ОЯТ на радиохимических заводах является PUREX-процесс, в котором экстракцию урана и плутония из водно-солевых растворов осуществляют трибутилфосфатом (ТБФ) с использованием различных органических разбавителей (керосин, очищенные углеводороды и другие), которые под действием радиоактивного облучения с течением времени теряют свою эффективность и превращаются в горючие отходы переработки ОЯТ (ГОП ОЯТ). Нами разработан процесс совместной плазменной иммобилизации горючих и негорючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме в расплавах хлоридов металлов (натрий, калий), стойких к радиационному облучению. В итоге получается горючая композиция, которая обрабатывается в воздушной плазме при температуре не менее 1 200 °С. На выходе мы получаем своеобразный расплав, который собирается в специальные емкости, затвердевает и отправляется на хранение.

По прошествии необходимого времени из субстанции можно будет извлечь химическими способами металлы платиновой группы. Для сравнения: с одной тонны ОЯТ образуется до 2 килограммов рутения, до 1,5 килограмма палладия и до 0,5 килограмма родия», — поясняет политехник.

Отметим, к несомненному достоинству технологии ученых Томского политеха относится уменьшение стоимости за счет сокращения количества операций, объема емкостного оборудования, затрат на химические реагенты и электроэнергию. Исследования с использованием плазменного комплекса ведутся в ТПУ с 2013 года. Работы подкреплены госзаданием «Наука», федеральной целевой программой. При этом плазменный комплекс, созданный в вузе, может быть использован для выполнения различных заданий. «На этой же установке можно получать нанопорошки из ОЯТ. После экстракции урана и плутония в образующемся растворе остаются редкие элементы, например, иттрий или цирконий. После переработки в плазме можно получать нанопорошки оксидов данных элементов. Плазма сама по себе является очень универсальным инструментом, несмотря на то, что она достаточно хорошо исследована, наблюдать ее широкое применение в промышленности нам пока не приходится», — подчеркивает физик. Политехниками уже проведена отработка лабораторной пробы на плазмохимическом комплексе. Эксперименты проводились не на реальном ОЯТ, но на моделях, которые полностью имитируют физико-химические свойства сырья. Кроме того, учеными ТПУ уже разработаны мобильный плазменный комплекс, который при необходимости можно модернизировать под нужды предприятия, и стационарная установка."Это многоцелевой комплекс, который можно использовать для решения различных задач. Мы готовы к тому, чтобы проводить работы с использованием ОЯТ, открыты для сотрудничества с предприятиями ядерной промышленности.