В Северске в 2030 году планируют запустить последнюю очередь опытно-демонстрационного энергокомплекса — модуль переработки топлива. Это должно быть полностью автоматизированное, безлюдное производство. Во ВНИИНМ готовят почву для роботизации на новых исследовательских установках.
Переработка облученного нитридного топлива реактора БРЕСТ-ОД‑300 — сложный процесс. Некоторые стадии, например растворение, экстракционная очистка, уже хорошо освоены промышленностью в ходе переработки топлива действующих реакторов. Но есть ряд инновационных технологий. Чтобы перевести их из лабораторного формата в опытно-промышленный, специалисты ВНИИНМ и проектного направления «Прорыв» спроектировали исследовательский стенд. Он состоит из аппарата электрохимического растворения, кристаллизатора, установки СВЧ-денитрации и робототехнического комплекса (РТК).
«На стенде мы должны показать работоспособность трех процессов в связке, — объясняет Константин Двоеглазов, ведущий научный сотрудник ВНИИНМ. — Все установки непрерывного действия, полностью автоматизированы и спроектированы так, чтобы управляться дистанционно. Ремонт и периодическое обслуживание — при помощи РТК».
Эксперименты будут проходить с урансодержащими имитаторами. В этом году в институте опробуют каждую установку по отдельности, подберут оптимальные режимы. На следующий год запланирован сквозной эксперимент: в течение суток все три узла и РТК будут работать вместе непрерывно.
Чтобы извлечь ядерные материалы из традиционного уранового топлива, достаточно химического растворения. Для уранплутониевого топлива нужна дополнительная, электрохимическая стадия.
«Фактически мы выщелачиваем ядерные материалы, в частности плутоний, из остатков, которые образуются при химическом растворении, — рассказывает Константин Двоеглазов. — Шнековым дозатором в аппарат загружается либо пульпа, содержащая твердые соединения плутония, либо порошок диоксида плутония. Они смешиваются в определенной пропорции с азотной кислотой и катализатором — двухвалентным серебром. Включается электрический ток — и процесс пошел».
Масштаб экспериментальной установки — 1:10. Во ВНИИНМ работают на имитаторах ядерных материалов, в прошлом году на аппарате провели первую серию экспериментов. Основное оборудование смонтировано и опробовано, осталось оснастить рабочее место оператора в соседнем помещении и проверить в рабочем режиме систему газоочистки.
Полученный на предыдущей стадии раствор нитрата уранила по трубопроводам поступает на упаривание, превращается в густой плав и попадает в кристаллизатор — колонну, заполненную раствором азотной кислоты.
«По сути, это труба небольшого диаметра, — говорит Елизавета Филимонова, старший научный сотрудник ВНИИНМ. — Вокруг нее — еще одна труба, поделенная на секции — рубашки. По рубашкам циркулируют теплоносители разной температуры. Так мы организуем температурный профиль кристаллизации. Исходный раствор горячий — около 70 °C. Мы должны постепенно охладить его до температуры кристаллизации — чуть ниже нуля».
Внизу колонны кристаллы встречает промывной поток азотной кислоты. Аппарат кристаллизации во ВНИИНМ — опытно-промышленный, он может очищать от продуктов деления 30 т нитрата уранила в год.
Установка предназначена для получения оксидов актинидов либо напрямую из их азотнокислых растворов, либо из кристаллов нитратов шестивалентных актинидов. Для этого есть три зоны, в которые непрерывно подается СВЧ-излучение.
«В первой зоне раствор упаривается. Во второй происходит денитрация, то есть разрушение нитрата уранила до оксида урана, — рассказывает Константин Двоеглазов. — В третьей — прокаливание при температуре 600–700 °C в аргоно-водородной смеси». Конечный продукт переработки — диоксид урана. Он выгружается в приемные контейнеры. Заполненные контейнеры робот отсоединяет и ставит на стеллаж. После пробоотбора и анализа диоксид можно отдавать на рефабрикацию топлива.
На исследовательском стенде во ВНИИНМ оксид урана будет передаваться на установку растворения и демонстрировать полный цикл гидрометаллургической переработки в непрерывном режиме.
