Atomic-Energy.ru

Опытно-демонстрационный центр ГХК: задачи, технологии, перспективы

16 мая 2012
Рис.1. Схема переработки ОЯТ ВВЭР-1000 по базовой технологии на ОДЦ

Реализация программы интенсивного строительства АЭС в перспективе приведет к образованию значительного количества отработавшего ядерного топлива. Решением проблемы ОЯТ, как накопленного в результате предыдущей деятельности, так и вновь образующегося, станет ввод в действие крупного перерабатывающего завода РТ-2. Он должен создаваться на основе передовых технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО и иметь лучшие экономические и экологические показатели по сравнению с действующими радиохимическими заводами.

Радиохимическая переработка, обеспечивающая выделение делящихся нуклидов для рециклирования и иммобилизацию радиоактивных продуктов деления, является оптимальным путем обращения с ОЯТ. Переработка как основной способ обращения с ОЯТ не получила должного признания из-за ряда существенных недостатков, которые проявились за 30 лет эксплуатации двух поколений заводов по переработке ОЯТ. Основные недостатки радиохимической технологии связаны со значительным объемом образующихся жидких НАО и САО на заводах первого поколения. Усилия по совершенствованию технологии переработки позволили существенно сократить объемы образующихся отходов, исключив образование жидких САО. Примером могут служить заводы по переработке ОЯТ второго поколения  во Франции (UP2, 3) и Японии (Роккашо Мура). Однако полностью решить проблему жидких НАО на этих заводах не удалось.

Водная технология переработки ОЯТ – «упрощенный PUREX-пpoцесс», разработанная в России, обеспечивает переработку ОЯТ с замкнутым водооборотом без сброса каких-либо жидких РАО. Для отработки важнейших переделов перспективной технологии и получения практического опыта по обеспечению замкнутого водооборота ведутся работы в рамках программы «Создание опытно-демонстрационного центра (ОДЦ) по переработке ОЯТ на основе инновационных технологий».

Основные цели ОДЦ

Строительство ОДЦ предполагается завершить в 2015 году. В центре планируется отработка следующих вопросов:

  • проверка перспективной технологии переработки ОЯТ с улучшенными экологическими параметрами;
  • проверка новых видов оборудования;
  • отработка перспективных вариантов размещения и обслуживания оборудования для радиохимических производств;
  • испытание передовых методов обращения с технологическими и нетехнологическими РАО;
  • оценка новых методов проектирования и т.д.

После реализации этих целей будут выданы исходные данные для проектирования крупномасштабного радиохимического завода по переработке ОЯТ тепловых реакторов, а ОДЦ приступит к переработке ОЯТ различного типа.

Базовая схема переработки ОЯТ для пилотной установки

В качестве базовой технологии переработки ОЯТ ВВЭР-1000 положена разработанная в Радиевом институте инновационная технология «упрощенный ПУРЕКС-пpoцесс», все ключевые операции которой были проверены на образцах ОЯТ ВВЭР-1000 в горячих камерах Научно-экспериментального комплекса Радиевого института (город Гатчина).

Одной из основных задач данной технологии является получение фракций U+Pu+Np и основного количества урана как целевых продуктов для рециклирования в реакторах на быстрых нейтронах. Другая важнейшая задача заключается в демонстрации предотвращения сбросов в окружающую среду жидких технологических РАО, которая решается путем отгонки трития и других летучих продуктов деления (ПД) на головных операциях­ до растворения ОЯТ. Такой подход позволяет организовать рециклирование воды в рамках схемы, показанной на рисунке 1. Выделенные тритий и летучие ПД вместе с конденсатом от выпарки ВАО отверждаются в специальной цементоподобной матрице.

 

Рис.1. Схема переработки ОЯТ ВВЭР-1000 по базовой технологии на ОДЦ

 

Одной из ключевых операций базовой технологии являются головные операции термохимического вскрытия циркониевой оболочки и волоксидации (окисления) топливной композиции. Термохимическое вскрытие ОТВС осуществляется на установке «Хруст», разработанной ОАО «СвердНИИхиммаш». Лабораторный аналог – установка «мини-Хруст» приведена на рисунке 2.

 

Рис 2. Установка «мини Хруст». Вид нагревателя, ампулы для ОЯТ и пробки

 

Принцип работы данной установки основан на резкой потере прочности циркония под действием высокой температуры (около 1000oС) в азото-кислородной атмосфере. Технико-экономические исследования по сопоставлению различных технологий переработки ОЯТ показали, что использование установки «Хруст» дает значительный экономический эффект по сравнению с традиционной рубкой за счет уменьшения ­габаритов.

После термохимического разрушения оболочки при температуре около 500oС, кристаллическая решетка UO2 разрушается с образованием U3O8, топливо рассыпается, и тритий легко отгоняется с последующим улавливанием на операции газоочистки и включением в специальную матрицу.

Вид оболочек после разрушения и топлива после волоксидации приведен на рис 3. и 4.

 

Рис.3. Охрупченные оболочки

 

Рис.3. Охрупченные оболочки

 

Последующая операция – растворение волоксидированного ОЯТ в азотной кислоте – происходит гораздо быстрее, чем неокисленного топлива на основе UO2. При этом получают раствор с высокой концентрацией урана, использование которого позволяет резко сократить количество высокоактивного рафината первого экстракционного цикла до небольшого объема, что значительно упрощает последующую выпарку. Извлечение из рафината первого экстракционного цикла циркония, образующего осадки на выпарке ВАО, позволяет значительно упростить обращение с РАО. С другой стороны, сокращение объема высокоактивного рафината позволяет уменьшить объем конденсата на выпарке ВАО и направить на отверждение небольшой объем цементоподобной матрицы. В результате этого удается создать предпосылки для прекращения сброса жидких РАО в окружающую среду и организовать замкнутый водооборот (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема экстракционной переработки ОЯТ

 

Обращение с РАО

Схема ОДЦ построена таким образом, что кубовый остаток от выпарки САО направляется на выпарку ВАО. Это позволяет перевести среднеактивные отходы за счет концентрирования и уменьшения объема в категорию ВАО и затем отправить на остекловывание в боросиликатное стекло по одностадийному процессу.

В таблице приведен состав технологических РАО, образующихся при переработке ОЯТ ВВЭР-1000, за исключением металлических деталей ОТВС. Видно, что при переработке ОЯТ по базовой технологии ОДЦ предполагается образование только отвержденных технологических отходов, а та вода, которая содержится в конденсате от упаривания САО, рециклируется.

 

Таблица 1. Состав технологических РАО, образующихся при переработке ОЯТ ВВЭР-1000 и объем рециклируемой воды для базовой технологии ОДЦ

 

Наименование

Количество

1

Объем боросиликатного стекла (при 15% включении по сумме оксидов)

0,15 м3

2

Объем отвержденных САО в цементоподобную композицию, включающая конденсат от упаривания ВАО

1,9 м3

3

Объем рециклируемой воды, в т.ч.

               после упаривания САО

               после денитрации

8,8 м3

2,8 м3

6,0м3

 

Проектирование ОДЦ

ОДЦ предполагается разместить на площадке ФГУП ГХК (город Железногорск  Красноярского края) в непосредственной близости от существующего «мокрого» хранилища ОЯТ ВВЭР-1000 и строящегося «сухого» хранилища ОЯТ РБМК. Наличие инфраструктуры позволит значительно сократить расходы на создание ­центра.

Основой центра станет пилотная установка с годовой производительностью 100 т, обеспечивающая полный цикл переработки ОЯТ. В состав ОДЦ также войдут исследовательские камеры для отработки инновационных процессов и технологий на реальных образцах в укрупненном лабораторном масштабе (возможны эксперименты с «сухими» технологиями, а также со сверхкритической флюидной экстракцией),  хранилище остеклованных ВАО, узел переработки нетехнологических РАО и ряд других объектов. С учетом расположенного рядом Нижнеканского гранитоидного массива, пригодного для глубинного захоронения отвержденных ВАО, формируется уникальный центр по всему циклу обращения с ОЯТ, не имеющий аналогов в мире.

В ОДЦ, с учетом современных подходов, будет реализовано камерное размещение оборудования, обеспечивающее его дистанционное обслуживание и замену, что создаст предпосылки для сокращения нетехнологических отходов.

Заключение

Широкое использование ключевых инновационных операций (вскрытия ОЯТ, растворения, переработки, обращения с РАО и т.д.) позволяет существенно интенсифицировать переработку ОЯТ и даже сократить общее количество технологических переделов, что положительно скажется на экономических показателях ОДЦ. Так, при проведении технико-экономических исследований по сравнению технологий для ОДЦ, было выявлено, что при использовании «упрощенного ПУРЕКС-процесса» затраты на организацию переработки ОЯТ в 1,6 раза меньше, чем при использовании традиционной технологии ПУРЕКС.

Реализация заложенных подходов позволит ОДЦ стать прототипом российского завода третьего поколения с улучшенными экономическими и экологическими показателями.

Авторы

И.А. Масленников, к.т.н., Ю.С. Федоров, д.х.н., А.Ю. Шадрин, д.х.н., Б.Я. Зильберман, д.т.н., В.Ф. Сапрыкин, В.И. Безносюк, Д.В. Рябков
НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина»
 
А.В. Хаперская
(ГК «Росатом»)