Вывод из эксплуатации - неизбежная стадия жизненного цикла любого атомного энергоблока или исследовательского реактора. Готовиться к выводу нужно заранее - обеспечить необходимые ресурсы, разработать детальный план и, самое главное, иметь эффективные, надёжные и безопасные технологии для решения всех возникающих при выводе задач.
Быстрые натриевые реакторы пребывают на подступах к промышленному внедрению, но проблема вывода для первых быстрых аппаратов стала уже актуальной.
Идут работы по выводу из эксплуатации на реакторе БН-350 в казахстанском Актау, окончательно остановленном в 2009 году. Давно остановлен японский быстрый реактор "Монджу" с его несчастливой судьбой, ведутся работы по выводу быстрых натриевых аппаратов и в других странах.
В соответствии с Приказом по Минатому №130 от 05.03.1997 года в России полигоном для отработки технологий вывода быстрых натриевых реакторов из эксплуатации является знаменитый обнинский быстрый реактор БР-10 в ГНЦ РФ-ФЭИ, окончательно остановленный в 2002 году после 43 лет эксплуатации.
О том, какие работы проводятся сейчас на БР-10, корреспондентам электронного издания AtomInfo.Ru рассказали специалисты ГНЦ РФ - ФЭИ(входит в научный дивизион Росатома - АО "Наука и инновации") - заместитель начальника отдела по науке и технологиям Владимир Борисович СМЫКОВ и руководитель группы разработок технологии вывода из эксплуатации Александр Александрович ПРОНИН.
От старта до вывода
Быстрый исследовательский реактор БР-10 (до реконструкции в 1973 году - БР-5) был пущен в 1959 году и оставался в строю до 2002 года.
Становлению реактора сопутствовали драматические обстоятельства, а именно - опыт с реактором БР-2 со ртутным теплоносителем в ФЭИ.
За год работы (1956-1957) БР-2 выполнил возложенную на него физическую задачу - установил величину КВ (коэффициент воспроизводства ядерного топлива) = 1,5-2,0, но ртуть загрязнила всё оборудование и оказалась неудачным теплоносителем.
Репутация будущей быстрой программы в нашей стране оказалась под вопросом, и требовалось в сжатые сроки найти новое перспективное и надёжное решение.
Таким решением стало сооружение быстрого натриевого реактора БР-5 на месте демонтированного БР-2. На проектирование и строительство новой установки ушло всего четыре года - срок, в наши дни похожий на фантастику.
На реакторе БР-5/БР-10 на практике были отработаны все элементы технологии натриевого теплоносителя и изучены основные виды топлив для быстрых реакторов. Аппарат зарекомендовал себя с наилучшей стороны, но время неумолимо, и в декабре 2002 года он был переведён в режим окончательного останова.
Но, даже остановившись, свою роль для отечественной быстрой программы реактор не утратил. Теперь на БР-10 накапливается не менее важный пионерский опыт. На нём изучается, как нужно выводить из эксплуатации быстрые натриевые реакторы.
"Реактор БР-10 находится на предварительной стадии вывода из эксплуатации. Мы ведём переработку отработавших жидкометаллических теплоносителей первого и второго контуров. Второе направление - решение проблемы обезвреживания накопленных на БР-10 отработанных холодных ловушек окислов (ХЛО)", - поясняет Владимир Смыков.
Топлива на БР-10 уже нет. Все отработанные ТВС пяти активных зон были перемещены в кассетах в хранилище ядерных материалов, где они стояли в замороженном натрии. Потом кассеты были отмыты от натрия и ОТВС были подготовлены к вывозу на "Маяк" для переработки.
На сегодняшний день, наибольшую актуальность имеют задачи по утилизации натрия, натрий-калия и отработанных холодных ловушек окислов.
Кроме того, есть и специфическая для БР-10 проблема - обращение с ртутью, доставшейся реактору в наследство в результате одного неудавшегося эксперимента. В двух сливных баках с натрий-калием содержание ртути составляет до 7,5% (массовых).
Насколько сложна проблема утилизации натрия, можно убедиться на примере БН-350. На нём с американским участием была создана установка переработки натрия первого контура, но приступить к её эксплуатации пока не удаётся.
Поэтому теплоноситель первого контура БН-350 сдренировали в баки, причём немалая его часть осталась на стенках трубопроводов первого контура в виде отложений. К вопросу обращения с отработанными ХЛО (их 12 штук) на БН-350 пока не приступали - нет технологий.
Газофазная нейтрализация
На БР-10 недренируемые остатки натрия в отдельном оборудовании реактора нейтрализуют с помощью установки ЛУИЗА-РАО, в которой используется технология газофазного окисления - применяется закись азота, известная также как веселящий газ.
Предшественником ЛУИЗА-РАО можно считать технологический стенд ЛУИЗА-Т, построенный на БР-10 на базе лабораторной установки.
Успешную практическую проверку технология газофазного окисления прошла при нейтрализации недренируемых остатков натрия в двух петлях второго контура - баки насосов, воздушные теплообменники, теплообменники натрий-натрий, трубопроводы, сильфонные вентили и другое оборудование петель.
Натрий медленно окисляется, но не "горит" в закиси азота, чем она выгодно отличается от высших окислов азота, являющихся сильными окислителями. Закись азота более инертна, и химический процесс нейтрализации натрия в закиси азота происходит управляемо и при повышенной температуре.
Предложение обнинских специалистов по использованию закиси азота впервые было сделано для французских коллег в центре "Кадараш" в рамках проекта МНТЦ, но французские быстровики оказались иммунными к новым идеям.
А вот в ФЭИ профессор Юрий Ервандович Багдасаров, бывший научный руководитель БР-10 (ныне покойный, к сожалению), сразу оценил все возможные преимущества веселящего газа.
Среди прочего, при его взаимодействии с натрием конечными продуктами реакции получаются газообразный азот и нитратные соли - иными словами, защитная атмосфера и удобрения. В отличие от водных или спиртовых технологий, взрывоопасный водород не образуется. Соли на следующем шаге можно безопасно растворить в воде и удалить из оборудования.
Но Багдасаров и Смыков останавливаться на этом не собирались, их заинтересовала задача очистки на газофазной установке холодных ловушек.
Что из себя представляет ловушка? Это двустенный сосуд объёмом 200 литров с фильтрующей набивкой, в котором медленно циркулирует натрий, охлаждаемый до заданной температуры кипящим за стенкой толуолом.
С точки зрения утилизации, стенки могут выступить в качестве готового контейнера. Нужно только иметь в виду, что пространство между стенками заполнено толуолом, который необходимо удалять перед началом обезвреживания ХЛО (что представляло собой отдельную задачу).
С помощью закиси азота и других газовых смесей обнинские специалисты научились превращать содержимое ХЛО в растворимые соли в безопасном виде, растворять их прямо в ловушке и цементировать.
В такой обезвреженной ловушке все радионуклиды остаются внутри твёрдой матрицы. Следовательно, ловушку можно спокойно отправлять в хранилище на захоронение.
На сегодняшний день все холодные ловушки второго контура БР-10 обезврежены, и при этом не было получено ни одного литра жидких РАО.
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступили в 2016 году. Сначала была успешно обезврежена наименее радиоактивная из них. Сейчас работники БР-10 занялись второй ловушкой первого контура, а всего их за время эксплуатации реактора накопилось 16 штук.
Одна из обезвреженных ловушек второго контура носит теперь статус демонстрационной. Её зацементировали и вырезали окно во внешней стенке. Возможностью прикоснуться к содержимому ловушки с удовольствием воспользовались корреспонденты AtomInfo.Ru.
Управляющая технологическая часть модуля ЛУИЗА-РАО расположена в реакторном зале БР-10 (сами работники называют зал центральным). Модуль готов к обезвреживанию очередной ловушки первого контура, она установлена в защитном боксе.
На обезвреживание ловушек второго контура у ФЭИ уходило до полугода (затраты на собственно процесс, без учёта контрольных, транспортных, дозиметрических и иных вспомогательных операций). Благодаря найденным химико-технологическим приёмам, это время удалось сократить до двух месяцев.
Трёхкратное ускорение станет особенно заметным, когда настанет время браться за обезвреживание ловушек натриевых энергоблоков. Чтобы представить себе масштабы, можно напомнить, что ловушки БН-350 - это конструкции 6 метров в высоту и 1 метр в диаметре, не считая теплоизоляции, в то время как объём ловушек БР-10 составляет всего лишь порядка 200 литров.
"На энергоблоке скорость обезвреживания ловушек будет упираться в полноту предварительного дренирования натрия из ловушки. Чем лучше и полнее мы сможем слить натрий, тем проще и быстрее удастся обезвредить ловушку", - поясняет Владимир Смыков.
Добавим, что проблема точного определения остаточных объёмов натрия в ловушке нетривиальная. На БР-10, по оценкам, в ловушках после дренажа остаётся примерно 10-15% натрия с примесями.
Приятные и полезные особенности технологии обезвреживания ловушек, разработанной в ФЭИ - рабочий температурный диапазон, 250-350°C, и хорошая управляемость процесса.
Достичь этого удалось не сразу. Например, в самом первом опыте на лабораторном стенде ЛУИЗА импульс температуры на старте процесса составлял до 1500°C.
"Натрий в азотистых окислительных средах - хитрое химическое вещество. У него есть неприятные соединения, например, гипонитрит натрия. На первых порах в нашем процессе он нарабатывался и разлагался при температуре 350°C, но мы сочли это не самым хорошим решением, потому что это реакция экзотермическая", - рассказывает Владимир Смыков.
Справиться с этой и другими проблемами помогли специально подобранные газовые смеси на основе закиси азота, причём работа по их выбору не прекращается, а её результаты защищаются патентами.
Вот и сейчас в ФЭИ готовится к подаче заявка на очередной патент. Рассказывать о его содержании, естественно, пока рано, но можно отметить, что предлагаемое в нём решение по нейтрализации остатков натрия будет эффективным и по-настоящему остроумным.
Ртутная специфика
Специфическая проблема вывода реактора БР-10 - присутствие ртути в сплаве Na-K. Всего на реакторе осталось примерно 9 кубометров сплава NaKHg, причём если в одной половине запасов сплава содержание ртути невелико (0,02%), то в другой половине оно составляет 7,5%.
Перед утилизацией сплав натрий-калий необходимо в обязательном порядке очистить от ртути. Происходит это на модуле ГЕТТЕР.
"Технологию очистки мы разработали сами - это фильтрация сплава NaKHg через фильтры, набитые металлической стружкой магния. На выходе мы получаем чистый натрий-калий, а ртуть накапливается в фильтрующих картриджах в виде устойчивого интерметаллического соединения ртути с магнием", - рассказывает Владимир Смыков.
Отработанные фильтры со ртутью планировалось заливать эвтектическим сплавом свинец-висмут (самое простое и первое приходящее на ум решение).
Но в ФЭИ в рамках НИОКР разработали и альтернативное решение - растворение в азотной кислоте с последующим осаждением ртути в виде нерастворимого вещества - киновари HgS (кстати, это природное соединение ртути, используемое как сырьё для получения ртути в промышленных масштабах).
Работа по очистке от ртути уникальная, то есть, в иных выражениях, разовая. Стоит ли тратить силы на поиск альтернативных вариантов? Не проще ли залить свинцом-висмутом?
"Может быть, и так", - соглашается Владимир Смыков, но сразу же возражает. - "Отработавшая фильтрующая набивка радиоактивна. По существующим нормативам, радиоактивные вещества с примесью веществ первого класса опасности в хранилища не принимают".
Поэтому и появился альтернативный вариант с химическим выделением ртути в виде нерастворимого природного соединения (киновари). Киноварь не активна, и её можно отправлять на обычные специализированные предприятия, которые занимаются утилизацией ртутьсодержащих отходов.
На случай аварийной разгерметизации, модуль ГЕТТЕР установлен внутри шатровой системы из нержавеющей стали. Вентилятор внутри шатра всасывает воздух из помещения и вытягивает его в спецвентиляцию. В случае выхода ртути демеркуризации подлежит только сам шатёр, а не весь большой зал.
"Внизу стоит загрузочный бак с NaKHg, а на этом уровне две 100-литровые ёмкости - бак-дозатор и бак-приёмник", - приводит технические подробности Александр Пронин.
"Мы передавливаем дозу сплава в бак-дозатор и пропускаем её через картриджи. Очищенный металл (натрий-калий) накапливается в баке-приёмнике, откуда мы можем дистанционно выдавать его в модуль МАГМА-ТФО для утилизации. Температурный режим очистки от ртути (порядка 400°C) поддерживается за счёт нагревателей", - уточняет Александр Александрович.
Отработанный картридж снимает оператор, поэтому, чтобы человек не переоблучался, картридж закрывают секционной свинцовой защитой.
Утилизация натрия
Первый вариант проекта вывода БР-10 из эксплуатации был готов накануне его окончательного останова в 2002 году. Но на тот момент готовых технологий обращения с отработавшим жидкометаллическим теплоносителем не имелось.
"Предложения были. Лаборатория, которой я тогда руководил, провела стендовые исследования. Мы настаивали на отказе от водных и спиртовых технологий, потому что они приводят к большому выделению водорода", - вспоминает Владимир Смыков.
У ФЭИ к водороду особый счёт. В ноябре 1979 года на одном из институтских стендов, располагавшемся в отдельном здании, при регенерации нерадиоактивной штатной холодной ловушки - то есть, при её отмывке с помощью пароводяной технологии - прогремел взрыв. У здания снесло крышу и разрушились стены.
В Обнинске, к счастью, обошлось без жертв. А вот во Франции на реакторе "Рапсодия" (центр "Кадараш") при взрыве в ходе переработки спиртовой технологией (этилкарбитоль) остатков натрия в одном из баков погибли люди.
Эти события укрепили специалистов ФЭИ в той мысли, что необходимо разрабатывать безопасные и надёжные технологии без выделения водорода.
Почти четверть века назад, а точнее, 22 года назад, научно-конструкторская команда ФЭИ под руководством профессора Владимира Михайловича Поплавского (ныне покойный, к сожалению) начала сотрудничать с уральскими металлургами.
Задача решалась интересная - создание высокотемпературной печи с натриевым охлаждением для выплавки чугуна из отходов крупномасштабной металлургии.
Владимир Смыков работал в этом проекте на протяжении нескольких лет и занимался расчётами и обоснованиями шлакового режима этой печи. По ходу работы у него и родилась идея установки МИНЕРАЛ, а затем и МАГМА-ТФО для утилизации натрия.
ТФО в названии установки расшифровывается как "твёрдофазное окисление". Для утилизации отработавшего натрия (отхода) используется отход из другой отрасли, а именно, гранулированный шлак медеплавильного производства "Карабашмеди".
В результате работы установки МАГМА-ТФО натрий преобразуется в твёрдый камень. Утилизация не сопровождается образованием жидких РАО и практически отсутствует выделение водорода. Для сравнения, в водных технологиях при растворении 1 кг натрия получается до 500 литров водорода.
"В отличие от водной технологии, твёрдофазное окисление позволяет кондиционировать щелочные металлы в одну стадию, почти без выделения водорода(сейчас на модуле МАГМА-ТФО выделяется только 0,3-0,5%, благодаря специальной подготовке шлака. - Прим.AtomInfo.Ru).
Кроме того, не требуется предварительная очистка от 137Cs и других долгоживущих изотопов.
В результате образуется минералоподобный продукт, который не требует дальнейшей переработки и может направляться на длительное хранение или захоронение".
"Сегодня у нас действует опытно-промышленная установка по переработке отработавшего натриевого теплоносителя", - говорит Смыков.
"Прямо сейчас мы перерабатываем натрий второго контура, заканчиваем переработку второй тонны натрия. Он более-менее чистый, но в нём есть тритий. Когда с ним завершим, то перейдём к натрию первого контура без ртути, потом перейдём к переработке очищенного от ртути сплава натрий-калий", - поясняет Владимир Борисович.
"Принцип работы установки простой. Реакционную ёмкость заполняют шлаком (на первых порах его сеяли на фракции, потом перестали), ставят в печь и подают порциями натрий. Мы сделали на ёмкостях по три патрубка для того, чтобы сразу дозировать подачу на разную глубину", - вступает в беседу Александр Пронин.
Внутри реакционной ёмкости происходит самопроизвольная экзотермическая химическая реакция, температура поднимается до 1000-1200°C. На выходе получается спёк, тот самый твёрдый камень. После чего он остывает, а затем прямо в ёмкости может быть вывезен в хранилище. Всё оборудование модуля МАГМА-ТФО - отечественное.
За одну загрузку МАГМА-ТФО перерабатывает 50-60 литров натрия. Для примера, в январе-феврале 2017 года на установке было переработано около 240 литров натрия.
Всего в распоряжении МАГМА-ТФО есть три печи. Корреспонденты AtomInfo.Ru попали на установку в тот период, когда в одной из них остывала очередная партия утилизированного натрия. На момент съёмки температура внутри упала уже до 750°C, и до наружной поверхности печки можно было дотронуться рукой.
За кажущейся простотой технологии утилизации натрия скрывается, на самом деле, немалый труд обнинских специалистов по решению возникавших на каждом этапе технических задач. Об одной из них напомнил Александр Пронин.
"Когда шлак разогревается, выделяется водород из-за наличия в шлаке "конституционно-связанной" примеси воды. Естественно, в намного меньших количествах, чем в водных методах, но выделяется. Мы нашли способ, как эту воду предварительно удалить из шлака. Поэтому в нашей технологии на момент подачи натрия в шлак вода в шлаке уже отсутствует, и водорода в защитном газе образуется очень мало", - говорит Александр Александрович.
Предварительная подготовка шлака (высушивание, прокалка и другие операции) производится в отдельном цехе.
"А вот напоминание о другой проблеме, которую нам также пришлось решать. Слева вы видите одну из первых реакционных ёмкостей. Когда мы только начали с ними работать, то внезапно выяснилось - по трубкам, через которые выбрасываются газы, пошёл натрий. При 1100°C давление паров натрия становится очень большим", - показывает Александр Пронин.
Пары натрия вылетали в холодную трубу и оседали на её стенках, вплоть до полного забивания сечения. Поэтому трубу дополнили горячей ловушкой, в которой вылетающие пары натрия улавливаются. А на память обнинским специалистам осталась реакционная ёмкость с выпуклой за счёт воздействия паров натрия крышкой.
Научное руководство
"Почему было принято решение о создании полигона для отработки технологий вывода быстрых натриевых реакторов именно здесь, на БР-10? Уместно провести аналогию с матушкой-природой", - рассуждает Владимир Смыков.
"Законы генетики можно исследовать на слонах с периодом размножения два года, а можно на мушках-дрозофилах с периодом размножения несколько суток. Разница в скорости изучения очевидна, а законы генетики и для слонов, и для мушек одинаковы", - говорит Владимир Борисович.
Так и в случае быстрых реакторов. Конечно, можно было бы устроить полигон по отработке технологий вывода на энергетическом реакторе, но это обошлось бы "Росатому" во многие миллиарды. Намного дешевле и удобнее вести отработку на маленьком реакторе, где принципиальные проблемы точно такие же, как и на энергетических аппаратах.
Естественно, предлагаемые технологии должны быть не просто надёжными и безопасными, но пригодными к масштабированию для последующего переноса на энергоблоки с энергетическими быстрыми реакторами.
В общей сложности, на БР-10 за годы его эксплуатации скопилось порядка 18 кубометров отработавших жидкометаллических теплоносителей общей активностью более 40 ТБк. Этот объём разделен на четыре примерно равных части - натрий первого контура, натрий второго контура и два варианта сплава NaKHg.
Утилизация таких объёмов вполне осуществима с использованием опытно-промышленных установок, на основе которых в дальнейшем могут быть сделаны установки промышленных масштабов.
"Наука даёт метод (НИР). Если метод был признан и доказал свою эффективность и безопасность, то на его базе разрабатываются различные способы его практической реализации (НИОКР). На последнем этапе из разработанных способов выбирается наиболее подходящий, и на его базе создаются технологии", - напоминает Смыков.
БР-10 как полигон для отработки технологий вывода из эксплуатации быстрых натриевых реакторов позволяет в полной мере ощутить, что такое научное руководство и в чём заключаются функции научного руководителя.
Именно ФЭИ как научный руководитель быстрой натриевой программы разбирался с тем, какие эффекты скрывались за первыми неудачными попытками утилизировать натрий - например, почему у первой реакционной ёмкости при проведении ТФО на стенде МИНЕРАЛ-30 лопнула как после гильотинирования донная часть и почему неоднократно не выдерживал металл (аустенитная нержавеющая сталь), из которого изготавливались реакционные ёмкости?
Почему оказалась пригодной для реакционных ёмкостей простая углеродистая сталь? Каким способом наиболее эффективно и безопасно подавать натрий в шлак? Эти и другие технологические проблемы были решены на стендах МИНЕРАЛ-3, МИНЕРАЛ-30 и МИНЕРАЛ-50.
Весь этот путь отражён в научных отчётах ГНЦ РФ-ФЭИ по созданию технологии ТФО РАО щелочных металлов.
Даже простой вывод трубы для отвода газов из реакционной ёмкости претерпел около 20 изменений!
"Слово "надёжность" включает в себя множество мелочей и деталей, но все они должны быть пройдены и прощупаны", - напоминает Смыков. Именно этим и занимается обнинский институт как научный руководитель, и без его работы надёжной, эффективной и безопасной технологии вывода быстрых натриевых реакторов из эксплуатации создать невозможно.
В России на Белоярской АЭС успешно эксплуатируется в течение 37 лет быстрый натриевый реактор БН-600, там же в 2015 году вступил в строй его младший брат БН-800, планируется создание и строительство новых быстрых натриевых аппаратов - БН-1200.
В ФЭИ уверены, что всем отечественным БН уготована долгая и плодотворная жизнь. Ну а когда для них наступит пора уходить на покой, то технологии, разработанные в Обнинске на БР-10, позволят пройти этот важный этап как можно более гладко и с меньшими затратами.