В настоящее время обращение с отработавшим ядерным топливом является лимитирующей стадией, то есть определяет перспективы развития атомной энергетики. Во всех странах с атомной энергетикой (кроме, пожалуй, Франции) накоплены колоссальные объемы ОЯТ, и нерешенность данной проблемы ставит под сомнение реализацию дальнейших планов развития атомных проектов.
Российской особенностью является обширная номенклатура накопленного топлива, что связано с историей развития атомной энергетики в нашей стране. Поэтому для решения проблемы ОЯТ необходимо развитие целого ряда уникальных технологий и создание комплекса объектов инфраструктуры.
Сложившаяся в России система обращения с ОЯТ включает хранение, транспортировку и переработку ОЯТ. Хранение осуществляется в приреакторных и пристанционных хранилищах атомных электростанций и исследовательских реакторов, в хранилищах бассейнового типа на двух комбинатах Госкорпорации «Росатом» – ФГУП «ГХК» и ФГУП «ПО «Маяк» – емкостью, соответственно, по 8600 т и 2500 т, а также на судах технологического обслуживания атомного ледокольного флота (ОЯТ транспортных реакторов) и береговых технических базах.
Сегодня на объектах Госкорпорации «Росатом» накоплено, в общей сложности, 22 тыс. т ОЯТ. Ежегодно из реакторов российских АЭС выгружается примерно 650 т отработавшего топлива, при этом перерабатывается не более 15% этого объема.
Для решения проблемы накопленного и вновь образующегося ОЯТ Госкорпорация «Росатом» создает систему обращения с отработавшим топливом, включающую нормативно-правовую, финансово-экономическую и инфраструктурную составляющие. Технологическая схема обращения с ОЯТ различных видов на период до 2030 года представлена на рисунке 1.
Схема обращения с ОЯТ различных видов
В настоящее время основным финансовым механизмом решения накопленных проблем в сфере обращения с ОЯТ, РАО и вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии является Федеральная целевая программа «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года» (ФЦП ЯРБ). С 2015 года начнутся отчисления накоплений в фонд обращения с ОЯТ от юридических лиц-собственников отработавшего топлива (в основном – ОАО «Концерн Росэнергоатом»).
Среди крупных проектов по ОЯТ, реализация которых предусмотрена ФЦП ЯРБ, следует отметить:
- строительство «сухого» хранилища ОЯТ РБМК-1000 и ВВЭР-1000;
- реконструкцию действующего «мокрого» хранилища на ГХК;
- подготовку и обеспечение вывоза с АЭС накопленных объемов ОЯТ;
- комплекс работ по обращению с ОЯТ реакторов типа АМБ (разделка ОТВС и переработка ОЯТ в ПО «Маяк»);
- вывоз и переработку высокообогащенных блоков ДАВ-90, накопленных от работы промышленных реакторов;
- создание опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ на основе инновационных технологий;
- вывоз на переработку на ФГУП «ПО «Маяк» ОЯТ исследовательских реакторов и т.д.
Радиохимическое производство в ПО «Маяк»
Сегодня в России действует единственное радиохимическое производство – комплекс РТ-1 ПО «Маяк», где перерабатывается отработавшее топливо реакторов ВВЭР-440, БН-600, исследовательских и транспортных установок. Технологической схемой является модифицированный ПУРЕКС-процесс. При этом РТ-1 – единственное в мире радиохимическое производство, выделяющее, помимо урана и плутония, еще и нептуний. Таким образом, в остеклованные высокоактивные отходы, предназначенные к дальнейшему захоронению, в России в настоящее время уже не поступают радионуклиды, вносящие наибольший суммарный вклад в долговременную радиотоксичность захораниваемых отходов. Помимо этого, на РТ-1 действует единственная в мире установка фракционирования высокоактивных отходов для выделения нуклидов для производства изотопной продукции. ФЦП ЯРБ предусматривает выполнение мероприятий по обеспечению экологической безопасности, поэтапному снижению и прекращению сбросов жидких радиоактивных отходов ФГУП «ПО «Маяк». К таким мероприятиям относятся следующие:
- разработка стратегических решений по проблемам Теченского каскада водоемов;
- консервация водоемов В-9 (Карачай) и В-17 (Старое болото);
- создание системы общесплавной канализации с отводом очищенных вод в левобережный канал;
- сооружение установок очистки вод спецканализации, средне- и низкоактивных РАО;
- создание комплекса цементирования жидких и гетерогенных САО;
- создание комплекса переработки ТРО и строительство приповерхностного хранилища твердых САО и НАО;
- создание новой печи остекловывания и расширение хранилища остеклованных ВАО;
- создание современной системы радиоэкологического мониторинга.
В ПО «Маяк» проводятся работы по модернизации технологических схем переработки ОЯТ для снижения объемов технологических отходов, а также обеспечения возможности приема и переработки всех типов отработавшего топлива, включая неперерабатывающееся в настоящее время. В среднесрочной перспективе здесь должна быть обеспечена переработка наиболее «проблемных» видов накопленного ОЯТ – АМБ, ЭГП (в случае принятия соответствующего решения), ДАВ, дефектных сборок РБМК и т.д.
Подготовка к переработке ОЯТ АМБ
Одной из наиболее острых проблем в области ядерной и радиационной безопасности является обращение с ОЯТ реакторов АМБ. Два реактора АМБ Белоярской АЭС были остановлены в 1989 году. ОЯТ выгружено из реакторов и в настоящее время хранится в бассейнах выдержки Белоярской АЭС и «мокром» хранилище ПО «Маяк».
Характерные особенности отработавших тепловыделяющих сборок АМБ – наличие около 40 типов топливных композиций и большие габаритные размеры (длина ОТВС около 13 м). Основной проблемой при хранении их на Белоярской АЭС является коррозия чехловых труб кассет и облицовки бассейнов выдержки.
В ФЦП ЯРБ предусмотрен комплекс работ по обращению с ОЯТ АМБ, предусматривающий его переработку в ПО «Маяк». В настоящее время выбраны и обоснованы технологии радиохимической переработки ОЯТ АМБ и технологические регламенты. В 2011 году проведена опытная переработка топлива АМ – аналога ОЯТ АМБ. Разработан проект отделения разделки и пеналирования (ОРП), проведен конкурс на капитальные работы по его созданию (разработка рабочей документации, строительные работы и изготовление оборудования ОРП). Одновременно на Белоярской АЭС проведены мероприятия по безопасному хранению ОЯТ АМБ: установка кассет К17у из углеродистой стали в нержавеющие чехлы, подготовка технических средств для оперативного поиска и устранения течи облицовки бассейнов выдержки, реконструкция вентиляционных систем, подготовка к герметизации смежных с бассейнами помещений. К 2015 году запланировано завершение разработки и проверки технологических решений по разделке кассет с ОТВС в ОРП и радиохимической переработке ОЯТ, монтаж оборудования, пусконаладочные работы и ввод в эксплуатацию отделения разделки и пеналирования в ПО «Маяк».
Макет комплекса разделки ОЯТ АМБ в ПО «Маяк»
Начало разделки и переработки ОЯТ АМБ запланировано на 2016 год. К 2018 году должно быть переработано ОЯТ, хранящееся в бассейне-хранилище ПО «Маяк», в 2020 году планируется полностью освободить бассейны Белоярской АЭС от этого топлива, в 2023 году – завершить его переработку.
Варианты окончательного решения вопроса ОЯТ ЭГП
Единственный вид ОЯТ, для обращения с которым на настоящий момент завершающей стадии не принято решения – топливо реакторов ЭГП (Билибинская АЭС). Как и ОЯТ АМБ, оно также является длинномерным, состав топливной композиции близок к составу одной из модификаций топлива АМБ, поэтому данный вид ОЯТ можно переработать в ПО «Маяк» после начала работы ОРП, то есть после 2016 года. Однако очень большая удаленность Билибинской АЭС, отсутствие инфраструктуры извлечения и удаления ОЯТ с площадки станции и адекватной транспортной инфраструктуры в районе ее расположения обуславливают крайне высокие затраты на реализацию данного проекта. В то же время вечная мерзлота в районе расположения Билибинской АЭС создает для организации пункта окончательной изоляции РАО и ОЯТ благоприятные условия, такие как:
- использование естественного теплофизического барьера;
- отсутствие во вмещающей геологической среде воды в свободном состоянии, что препятствует миграции радионуклидов из хранилища в окружающую среду;
- замедление окислительно-восстановительных реакций в вечномерзлых породах, что увеличивает время работоспособности инженерных барьеров.
В рамках ФЦП ЯРБ проработаны варианты вывоза ОЯТ с площадки Билибинской АЭС на переработку:
- автотранспортом в морской порт Черский, далее морским транспортом в Мурманск, затем железнодорожным транспортом в ПО «Маяк»;
- автотранспортом в аэропорт Кепервеем, далее воздушным транспортом в аэропорт «Емельяново», затем железнодорожным транспортом в ПО «Маяк».
Еще один вариант предусматривает сооружение в непосредственной близости от площадки Билибинской АЭС опытно-промышленного объекта подземной изоляции скважинного или штольневого типа («Безопасность ядерных технологий и окружающей среды», №2-2012, с. 133-139). Всесторонне обоснованный выбор в пользу одного из вариантов обращения с ОЯТ ЭГП должна принять в течение 2012 года рабочая группа, в которую входят представители Госкорпорации «Росатом», Чукотской администрации, организаций атомной отрасли – разработчиков транспортно-технологических схем обращения с ОЯТ ЭГП, экспертной организации Ростехнадзора (НТЦ ЯРБ).
Обращение с облученными блоками ДАВ
В настоящее время на Сибирском химическом и Горно-химическом комбинатах накоплен большой объем облученных блоков ДАВ-90, содержащих высокообогащенный уран. Они хранятся в бассейнах выдержки реакторных заводов с 1989 года. Ежегодные обследования состояния оболочек блоков ДАВ-90 показывают наличие коррозионных дефектов.
Госкорпорация «Росатом» приняла решение о вывозе блоков ДАВ-90 на переработку в ПО «Маяк». Разработана и изготовлена партия транспортно-упаковочных контейнеров, отвечающих всем современным требованиям безопасности, ведутся работы по подготовке и оснащению необходимым оборудованием узлов загрузки-выгрузки на СХК, ГХК и ПО «Маяк», по комплектации партий блоков ДАВ для транспортирования на переработку. В 2012 году должны быть проведены полномасштабные испытания транспортно-технологической схемы вывоза ДАВ-90 в ПО «Маяк», включая «горячие» испытания.
Удаление ОЯТ РБМК с площадок АЭС
Наибольший объем накопленного ОЯТ составляет топливо РБМК-1000, которое вплоть до 2011 года не вывозилось с АЭС. Для удаления основного объема накопленного ОЯТ РБМК-1000 с площадок станций предусматривается:
- создание на Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС комплексов по разделке ОТВС;
- организация на АЭС буферных площадок «сухого» хранения ОЯТ в контейнерах двухцелевого назначения с последующим вывозом на ГХК;
- строительство на ГХК «сухого» хранилища.
В апреле 2012 года состоялся вывоз первого эшелона ОЯТ РБМК на «сухое» хранение.
В настоящее время эксплуатация комплекса по разделке ОТВС на Ленинградской АЭС идет в штатном режиме.
Комплекс разделки отработавшего топлива предназначен для приемки ОТВС из пристанционного хранилища, разделения ОТВС на два пучка твэлов (ПТ), установки ПТ в ампулы, загрузки ампул в дистанционирующий чехол МБК и загрузки чехла в контейнер. Безопасность работы обеспечивает технология ампулирования отдельных пучков твэлов перед загрузкой в контейнер. Ампула имеет ядерно безопасную геометрию и является для ПТ защитной оболочкой, не позволяющей ОЯТ выйти из нее, как в процессе разделки ОТВС в камере, так и при длительном хранении. Конструкция ампулы, а также схема транспортирования и хранения ПТ в индивидуальной оболочке обеспечивают:
- предотвращение просыпей ОЯТ при транспортных операциях в камере разделки ОТВС;
- снижение тяжести последствий возможных аварийных падений, как самих ампул, так и чехла с ампулами с ПТ при работах в отделении разделки;
- снижение тяжести последствий при возможных аварийных падениях контейнера при его транспортировке.
Дефектное ОЯТ РБМК, которое не может быть размещено на «сухое» хранение, в ближайшие годы будет перерабатываться в ПО «Маяк». В 2011 году реализован «пилотный» проект, продемонстрировавший возможность доставки и переработки ОЯТ РБМК по штатной технологии с получением товарной урановой продукции («Безопасность ядерных технологий и окружающей среды», №2-2012, с. 142-145).
Хранение ОЯТ на Горно-химическом комбинате
Создаваемое централизованное «сухое» хранилище ОЯТ на ГХК представляет собой сооружение камерного типа.
Проектные решения камерного хранилища предусматривают два контролируемых физических барьера:
- герметичный (сварной) пенал (высотой 4 м для 30 ПТ топлива РБМК-1000 и высотой 5 м для трех ОТВС ВВЭР-1000);
- узел хранения (труба), герметизируется сваркой.
Охлаждение узлов хранения обеспечивается естественной конвекцией: ОЯТ РУ РБМК-1000 – с поперечной, ОЯТ РУ ВВЭР-1000 – с продольной подачей воздуха.
В 2011 году состоялся ввод в эксплуатацию пускового комплекса для хранения ОТВС РБМК-1000 вместимостью 9200 т по UO2. В 2015 году будут запущены еще один модуль «сухого» хранилища для ОТВС РБМК-1000 на 15870 т UO2, а также «сухое» хранилище для ОТВС ВВЭР-1000 вместимостью 8600 т UO2.
В настоящее время ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 после трех лет выдержки в приреакторных бассейнах размещается в централизованном «мокром» хранилище ГХК, вместимость которого увеличена до 8600 т. Для дальнейшего увеличения емкости хранения ОЯТ ВВЭР-1000 предполагается создание контейнерного хранилища.
На Горно-химическом комбинате, помимо централизованных хранилищ ОЯТ, создается завод по фабрикации МОКС-топлива для быстрого реактора БН-800. Планируется строительство подземной лаборатории для исследований в области геологической изоляции высокоактивных и долгоживущих РАО, а также опытно-демонстрационного центра по отработке инновационных технологий переработки ОЯТ (в перспективе – крупного радиохимического перерабатывающего завода).
Опытно-демонстрационный центр
Создаваемый в настоящее время опытно-демонстрационный центр (ОДЦ) предназначен для отработки в промышленном масштабе новых подходов к переработке ОЯТ с минимизацией образования жидких радиоактивных отходов, эффективным отделением на головных операциях 3Н и 129I для исключения этих нуклидов из сбросных потоков, получением достоверных исходных данных для проектирования крупномасштабного перерабатывающего комплекса. Будут изучены возможности переработки ОЯТ в режиме «заказа потребителя», то есть с задаваемыми заказчиком номенклатурой и качеством продуктов регенерации.
В процессе разработки ОДЦ происходит воссоздание современной научно-технологической базы для развития радиохимической промышленности и повышения уровня компетенции проектных и конструкторских организаций. На создаваемом ОДЦ будут отрабатываться инновационные технологии, в первую очередь, основанные на водных методах переработки (упрощенный ПУРЕКС-процесс, переработка с использованием кристаллизационной очистки урана, экстракционное фракционирование высокоактивных отходов, другие водные процессы) а также неводный метод переработки – флюидная экстракция. Технологическая схема основной технологической линии ОДЦ обеспечит замкнутый по воде технологический цикл и уменьшение объемов РАО для захоронения. Разрабатываемый ОДЦ является многофункциональным и включает: «базовую» технологическую линию, обеспечивающую отработку технологии полного цикла переработки ОЯТ, с производительностью от 100 т ОЯТ в год; исследовательские камеры для отработки отдельных операций новых технологий переработки ОЯТ, с производительностью от 2 т до 5 т ОЯТ в год; аналитический комплекс; узел переработки нетехнологических отходов; хранилище U-Pu-Np продуктов; хранилище ВАО; хранилище САО.
Из около 1000 единиц разрабатываемого для ОДЦ нестандартного оборудования около четверти – абсолютно новое оборудование, не имеющее аналогов. Для новых типов оборудования проводятся работы по его отработке на полномасштабных макетах на специально созданных «холодных» стендах. В настоящее время разработан проект ОДЦ, разрабатывается рабочая документация, подготовлена площадка строительства, проводятся конкурсы, идут работы по созданию нестандартного оборудования и закупка стандартного оборудования. К 2015 году планируется создать пусковой комплекс ОДЦ со строительством всего здания и коммуникаций в полном объеме и оборудованием исследовательских камер для старта отработки технологий в 2016 году.
Проект здания ОДЦ на ГХК
Перспективы переработки ОЯТ на ГХК
На основе выбранных и отработанных в промышленном масштабе экологически и экономически оптимизированных инновационных технологий к 2025 году планируется создать крупномасштабный перерабатывающий радиохимический завод. Это предприятие совместно с производством топлива для быстрых реакторов и объектом окончательной изоляции отходов переработки ОЯТ предоставит возможность решить проблему как накопленного топлива, так и ОЯТ, которое будет выгружаться из существующих и планируемых к созданию АЭС.
Как в опытно-демонстрационном центре, так и на крупномасштабном производстве на ГХК предполагается перерабатывать ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 и большую часть ОТВС РБМК-1000. Продукты регенерации будут использоваться в ядерном топливном цикле, уран – в производстве топлива для реакторов на тепловых нейтронах, плутоний (совместно с нептунием) – для быстрых реакторов. При этом темпы переработки ОЯТ РБМК будут зависеть от востребованности продуктов регенерации (как урана, так и плутония) в ядерном топливном цикле.
Подходы, описанные выше, легли в основу «Программы создания инфраструктуры и обращения с ОЯТ на 2012-2020 годы и на период до 2030 года», утвержденную в ноябре 2011 года («Безопасность ядерных технологий и окружающей среды», №2-2012, с. 40-55).
Автор
Хаперская Анжелика Викторовна,
Госкорпорация "Росатом"
Политика Госкорпорации «Росатом» в области обращения с отработавшим ядерным топливом, изложенная в отраслевой Концепции по обращению с ОЯТ (2008 год), основывается на базовом принципе – необходимости переработки ОЯТ для обеспечения экологически приемлемого обращения с продуктами деления и возврата в ядерный топливный цикл регенерированных ядерных материалов. Высший приоритет при обращении с ОЯТ отдается обеспечению ядерной и радиационной безопасности, физической защиты и сохранности ядерных материалов на всех стадиях обращения с топливом, невозложению чрезмерного бремени на будущие поколения. Стратегическими направлениями в этой области являются:
- создание надежной системы контролируемого хранения ОЯТ;
- развитие технологий переработки ОЯТ;
- сбалансированное вовлечение продуктов регенерации в ядерный топливный цикл;
- окончательная изоляция (захоронение) образующихся при переработке радиоактивных отходов.
