Анна Петровская, «ИнноПлазмаТех»: «От сухой дезактивации к безотходному замыканию ЯТЦ: ионно-термическая технология переработки ОЯТ»

Ионно-плазменные технологии научно-исследовательской компании из Санкт-Петербурга «ИнноПлазмаТех» (резидент Фонда «Сколково») продолжают развиваться для решения ключевых задач атомной отрасли: вывода из эксплуатации реакторных установок, дезактивации внутриконтурного оборудования, замыкания ядерного топливного цикла и решения проблемы переработки ОЯТ. Успешно завершив ряд исследований по разработке ионно-плазменной дезактивации в рамках грантов Российского научного фонда (РНФ) и Фонда содействия инновациям (ФСИ), научный коллектив «ИнноПлазмаТех» разрабатывает принципиально новый технологический подход – «сухую» ионно-плазменную технологию переработки ОЯТ.

На основе полученных научных результатов физические принципы ионно-плазменной технологии дезактивации, разрабатываемой научным коллективом, могут быть использованы для разработки «сухой» ионно-термической технологии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Потенциал разрабатываемой технологии способен переформатировать экономику замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). О деталях новой технологии, возможном использовании в проекте «ПРОРЫВ», дальнейшим планам по научно исследовательской деятельности в интервью Научно-деловому порталу «Атомная энергия 2.0» рассказала генеральный директор ООО «ИнноПлазмаТех» к.ф.-м.н. Анна Станиславовна Петровская.

— Анна Станиславовна, здравствуйте! Последний раз мы подробно общались почти год назад, когда «ИнноПлазмаТех» активно развивала технологию ионно-плазменной дезактивации в рамках гранта РНФ. С какими результатами компания подошла к сегодняшнему дню, и почему вы решили обратить внимание на переработку ОЯТ?

— Здравствуйте! За прошедшее время наша команда проделала колоссальную исследовательскую работу. Мы не просто подтвердили работоспособность ионно-плазменной технологии в инертном газе (аргон) для безводной дезактивации металлоконструкций и реакторного графита, но и успешно доложили полученные результаты на ключевых площадках Госкорпорации «Росатом» — во ФГУП «РАДОН», АО «ТВЭЛ», АО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина», ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова» в рамках Всероссийского лектория от Российского научного фонда в октябре 2025 и апреле 2026 года. Наш доклад на техническом совещании в МАГАТЭ в Вене в августе 2024 года вывал интерес у экспертов атомной отрасли.

Развитие ионно-плазменного подхода для решения задач атомной отрасли в нашей научно-исследовательской компании началось с решения проблемы дезактивации реакторных установок, в частности реакторного графита и металлоконструкций (внутриконтурного оборудования), посредством развития принципиально нового подхода, исключающего образование жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Нами экспериментально получено подтверждение работоспособности технологии на необлученных образцах реакторной стали с осажденным слоем шпинелей, моделирующих физико-химические свойства реальных сложных отложений в форме оксидов на внутренней поверхности внутриконтурного оборудования Научные результаты освящены сайте Российского научного фонда и в издании «Коммерсантъ». Также, первые шаги в подобных исследованиях выполнены на образцах титанового сплава, используемого в парогенераторах реакторов. Полученные результаты были доложены в НИТИ им. А.П. Александрова в рамках Всероссийского лектория Российского Научного Фонда.

Получив экспериментальное подтверждение возможности ионного и термического распыления отложений и осаждения распыленного слоя отложений на электродах-коллекторах родилась идея о переходе от очистки поверхностей к объемной сепарации сложных многокомпонентных систем. Здесь речь идет о переработке ОЯТ, атомизации таблетки ОЯТ или ее фрагмента в укороченном разряде инертного газа (аргона) и последующем осаждении на пластинах коллекторах, установленных внутри диффузионной разделительной трубы. Важно отметить, что существующие радиохимические подходы для переработки ОЯТ, преимущество приводят к образованию ЖРО. Традиционная радиохимия сегодня держится на гидрометаллургии, в частности на знаменитом Пьюрекс-процессе, а также на пирохимической сепарации в расплавах. Но у них есть фундаментальные лимиты — многостадийность, высокая стоимость, сложность оборудования и образование огромных объемов вторичных жидких радиоактивных отходов (РАО). Это обостряет проблему безопасного хранения отходов вблизи мегаполисов. Мы же предлагаем принципиально иной, физический, абсолютно «сухой» метод атомизации и разделения элементов.

— Каково современное состояние исследований по данной проблеме, какие основные направления исследований в мировой науке и научные конкуренты?

— Разработка новых технологий для переработки ОЯТ направлена прежде всего на эффективное решение актуальной проблемы - создание замкнутого ядерного топливного цикла, что сделает атомную энергетику возобновляемой и решит проблему накопления ОЯТ и радиоактивных отходов.

В России система обращения с ОЯТ включает его хранение, транспортировку и переработку. Хранение осуществляется в приреакторных и пристанционных хранилищах атомных электростанций и исследовательских реакторов.

Например, на предприятиях ФГУП «Железногорский ГХК» и ФГУП ПО «Маяк» (ГК «Росатом») хранится 8600 т и 2500 т. Отходов, соответственно. Всего на объектах ГК «Росатом» накоплено более 24 тыс. т ОЯТ и более 350 тыс. т в хранилищах других стран с ядерной энергетикой и вооружением. Ежегодно из реакторов российских АЭС выгружается примерно 650 т отработавшего топлива, при этом перерабатывается не более 15 % этого объема.

Способы переработки ОЯТ можно классифицировать как водные (висмут-фосфатный, в основе которого лежит окислительно-восстановительный процесс ацетатного осаждения уранил-триацетата урана, экстракция аминами, аква-фтор-процесс и др.) и неводные (возгонка фторидов, плавка-рафинирование с селективным окислением, электролиз в солевых расплавах).

К неводным технологиям переработки ОЯТ относят переработку ОЯТ в расплавах солей, либо в газовой фазе, либо в расплавах металлов. Для выделения или очистки раствора ОЯТ от продуктов деления используют, например, пирометаллургический, пироэлектрохимический, газофторидный методы. В промышленном масштабе, главным образом, реализована только гидрометаллургическая технология (Пьюрекс-процесс) переработки ОЯТ тепловых реакторов, которая была разработана и запатентована в конце 40-х годов в США и освоена для переработки облучённого природного урана в оружейных целях. В основе технологии лежит жидкостная экстракция с использованием экстрагента (раствора трибутилфосфата).

Например, в России сейчас действует комплекс РТ-1 ПО «Маяк», на котором перерабатывается ОЯТ реакторов ВВЭР-440, БН-600, исследовательских и транспортных установок. Технологической схемой является модифицированный Пьюрекс-процесс. Стоит отметить, что технологии переработки ОЯТ включающие перевод ОЯТ в фазу растворов и расплавов, приводят к увеличению объемов РАО и дополнительных сложностей в реализации многостадийного процесса переработки. Известные технологии плазменной сепарации ОЯТ в плазменных центрифугах, варианты технологии плазмо-оптической масс-сепарации, применение ионно-циклотронного резонанса для плазменной переработки ОЯТ и РАО требуют сложных конструкционных особенностей установок. Кроме этого, существующие технологии являются достаточно дорогостоящими и не решают проблему эффективно. В частности, если говорить о разделении изотопов ОЯТ в плазменной центрифуге можно отметить следующие трудности: низкая селективность разделения отдельных изотопов. Разделение в плазменных центрифугах производится на легкую и тяжелую массовые группы изотопов с атомными массами 150 и 240, соответственно. В группу изотопов тяжелых изотопов кроме изотопов U235, 236, 238 входят и другие тяжелые изотопы, например, Pu238, 239, Сm244, Am241, 243. Таким образом, для извлечения изотопа U235 из полученного тяжелого осадка потребуется еще одна стадия с привлечением других методов. Также в плазменной центрифуге сложности возникают в правильном учете столкновительных процессов в плазме, вносящих изменение в концентрации ионов, атомов, электронов, что вносит искажения в механизмы разделения ионов.

Среди методов разделения изотопов наиболее селективным является лазерное разделение изотопов, требующее дорогостоящих вложений и сложных экспериментальных установок. Лазерное разделение изотопов урана основано на различии в спектрах поглощения лазерного излучения изотопами атомарного урана (Atomic vapor laser isotope separation) или изотопомерами гексафторида урана (Molecular laser isotope separation / Separation of Isotopes by Laser Excitation). Разделение тяжелых изотопов при помощи лазера на основе селективной многофотонной диссоциации молекул интенсивным ИК излучением требует высокой энергоемкости процесса , поскольку для диссоциации молекулы UF6 необходимо поглощение до 50 квантов ИК-излучения на длине волны 16мкм. Отсутствие высокоэффективных и мощных лазерных систем, перестраиваемых по частоте, в области длин волн 16мкм затрудняет проведение работ в этом направлении.

И так, среди основных направлений исследований и конкурирующих методов в разработке методов переработки ОЯТ можно выделить:

1. Технологии переработки включающие перевод ОЯТ в фазу растворов и расплавов с последующей переработкой. Недостатками данных методов является увеличение объемов РАО, сложность многостадийность в реализации, низкая технико-экономическая эффективность, экологическая небесопастность.
2. Группа способов переработки ОЯТ на основе технологии плазменной сепарации ОЯТ в плазменных центрифугах, технологии плазмо-оптической масс-сепарации, применение ионно-циклотронного резонанса. Среди недостатков можно отметить сложность в реализации и низкую эффективность. Например, в плазменной центрифуге низкая селективность за счет разделения ОЯТ только на легкую и тяжелую массовые группы изотопов с атомными массами 150 и 240, соответственно. Кроме этого, при разделении ОЯТ в плазменной центрифуге сложности возникают в правильном учете столкновительных процессов в плазме.
3. Лазерное разделение изотопов требует дорогостоящих вложений и сложных экспериментальных установок.

— В чем физическая суть ионно-термической технологии? Расскажите подробнее, как именно происходит разделение элементов отработавшего топлива? Какая технико-экономическая эффективность вашей технологии по сравнению с существующими?

— Научная новизна нашего подхода заключается в сепарации ОЯТ с помощью укороченного разряда в среде инертного газа (аргона) с селективным отделением и осаждением на системе электродов-коллекторов, размещенных внутри диффузионной разделительной трубы, высокоактивных осколков деления в одну стадию. Метод находится на стыке ядерного топливного цикла, физики плазмы, электрофизических устройств и материаловедения.

Физический принцип действия технологии основан на атомизации твердого ОЯТ под действием ионного и термического распыления в укороченном разряде высокого давления в потоке инертного газа-носителя (аргона). Под действием этого разряда происходит испарение таблеток ТВЭЛ, а именно, разрушение кристаллической решетки и испарение топливной матрицы: полная атомизация урана, трансурановых элементов и накопленных осколков деления.

Затем распыленные атомы в потоке инертного газа претерпевают пространственное разделение вдоль разделительной системы за счет дифференциации температур насыщенных паров различных элементов. Каждый элемент конденсируется строго в своей температурной зоне вдоль заданного градиента на специальных съемных электродах-коллекторах внутри диффузионной разделительной трубы. Поскольку аргон химически нейтрален и не образует соединений с атомами ОЯТ, процесс протекает практически без образования вторичных РАО, а опасные продукты деления локализуются на компактных коллекторах для последующего безопасного захоронения. Расскажу подробнее о конкурентных преимуществах нашего метода по сравнению с существующими подходами на основе аналитической оценки, полученной нашим коллективом. Традиционный PUREX-процесс требует перевода ОЯТ в жидкую фазу, при этом не все химические соединения, входящие в ОЯТ, легко переходят в эту форму (нерастворимы). Для селективного разделения до 40 различных элементов из продуктов деления ОЯТ необходимо проведение аналогичного числа химических реакций и аппаратных реакторов. Эта технология также приводит к лавинообразному росту объемов вторичных жидких радиоактивных отходов (ЖРО) — до 5–10 м³ на одну тонну ОЯТ. Ионно-термическая технология переработки ОЯТ (также называемая нами ИТ-ТР) является «сухим» способом разделения без образования ЖРО, т.к. использование инертного газа-носителя (аргона), не вступающего в химические соединения с атомами ОЯТ, исключает образование вторичных ЖРО. Отработанное топливо из ТВЭЛ атомизируется и поэлементно раздельно осаждается в твердой форме на съемных вкладышах-коллекторах в разделительной диффузионной трубе, что значительно упрощает технологию (в один этап в одной установке), требует расходов в основном на электроэнергию (мы оценивали себестоимость разделения 1 кг ОЯТ в $20), снижает объемы вторичных РАО в десятки раз, радикально минимизирует радиационные риски и упрощает экологическое лицензирование. Проведенные теплофизические расчеты изменения парциальной концентрации паров вдоль разделительной трубы показывают, что технология обеспечивает извлечение ценных компонентов (урана, плутония и других элементов) с чистотой не ниже 99%.

В работе опубликованной в научном журнале Ядерная физика и инжиниринг 2024, том 15, № 6, с. 624–630 приведены результаты расчетов температурных диаграмм элементного разделения СНУП и МОКС -топлива. На полученных диаграммах демонстрируется очищение урана и плутония от большинства продуктов деления МОКС и СНУП отработанного топлива с чистотой не ниже 99%.

Рис. 1. Температурная диаграмма элементного разделения СНУП-топлива, облученного в реакторе БН-600

Рис. 2. Температурная диаграмма элементного разделения МОКС-топлива, облученного в реакторе ВВЭР-440

Рис. 3. Температурная диаграмма элементного разделения МОКС-топлива, облученного в реакторе ВВЭР-1000

Сравнение с методом разделения ОЯТ в плазменных центрифугах. Сепарация в плазменных центрифугах обеспечивает разделение ОЯТ только на две фракции элементов (с массами в районе 150 amu и 240 amu). Недостатком здесь является то, что разделение ионов по массе в электрических и магнитных полях обладает низкой селективностью из-за процессов перезарядки ионов, столкновительной передачи возбуждения и влияния объемного заряда в плазме. Так что окончательное поэлементное разделение ОЯТ этим методом все равно требует применения других, более селективных методов.

Несколько слов о технико-экономических показателях ионно-термической технологии переработки ОЯТ. Сюда прежде всего стоит отнести вопрос капитальных затрат и логистики. Классический PUREX-процесс требует строительства заводов стоимостью в миллиарды долларов, что экономически рентабельно только при больших объемах переработки. Это заставляет транспортировать ОЯТ со всей страны на централизованные объекты (ПО «Маяк», ГХК), при этом стоимость сложной логистики составляет значительную часть операционных затрат. Ионно-термическая технология может быть реализована в виде компактных модульных установок (габаритами с морской контейнер), которые можно размещать непосредственно на пристанционных площадках АСММ или береговых базах перезарядки, что снижает затраты на логистику ОЯТ на 30–40%.

Оценка операционных затрат показывает следующую картину. Согласно открытым данным, стоимость переработки ОЯТ и его последующего кондиционирования существующими методами достигает 2 000 USD за 1 кг. При параметрах разработанного для ионно-термической технологии переработки устройства с укороченным разрядом (давление аргона (0.1–1) атм., скорость потока (1–10) м/с, плотность тока (1–5) A/см², напряжение на разрядном промежутке (100–1000) В), операционные расходы переработки ОЯТ нашим методом оцениваются всего в 20 USD за 1 кг (производительность одной трубки — порядка 1 кг/сутки, в установке до 100 разделительных трубок). Одним из ключевых преимуществ кроме отсутствия ЖРО является универсальность процесса к типу ТВС. Гидрометаллургия жестко привязана к химической формуле матрицы топлива (ВВЭР/РБМК). В свою очередь, плазменный разряд высокого давления разрушает любую кристаллическую решетку и атомизует (посредством ионного и термического распыления) фрагменты топливных таблеток вне зависимости от их исходного состава. Можно сказать, что технология является «всеядной» и одинаково эффективна для перспективного смешанного нитридного (СНУП), оксидного (МОКС) топлива.

В наших оценках мы проводим сводную аналитическую таблицу 1 сравнения эффективности подходов переработки ОЯТ относительно нашей технологии.

Табл. 1. Сравнение эффективности подходов переработки ОЯТ.

Таким образом, предлагаемая ионно-термическая технология обладает выраженными преимуществами перед PUREX-процессом по критериям себестоимости и объема капитальных затрат, экологической безопасности (отсутствие ЖРО), стоимости переработки (20 USD/кг против 2000 USD/кг), технологической простоты за счет переработки в один технологический шаг и масштабируемой применимости в разных сегментах (от малой до гигаваттной атомной энергетики) за счет пристанционной переработки.

Кроме прямого назначения переработки ОЯТ технология имеет дополнительный коммерческий потенциал (попутное извлечение ценных изотопов). Технология позволяет селективно извлекать чистые изотопы, если они являются единственными составляющими определенного химического элемента из ОЯТ, например стронций в отработанном топливе присутствует только в форме изотопа стронция 90 Sr без примеси гамма-излучателей, что дает возможность в едином технологическом цикле формировать автономные вакуумные бета-вольтаические батареи с удельной выходной мощностью ~0.1 Вт/г и сроком службы до 30 лет. Про разработку бета-вольтаических батарей наша компания готова рассказать более подробно в отдельной статье для портала Атомная энергия 2.0.

— Насколько этот проект соотносится с практической реализацией концепции «быстрой» энергетики и отраслевым проектом «ПРОРЫВ», а также направлениями ГК «Росатом»?

— Соответствие стопроцентное. Разрабатываемая технология напрямую содействует реализации Национального проекта технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии» в части замыкания ядерного топливного цикла. Проект может внести непосредственный вклад в реализацию стратегического отраслевого направления «ПРОРЫВ» ГК «Росатом» по созданию технологий ЗЯТЦ на базе реакторов на быстрых нейтронах (в частности, для модуля переработки ОЯТ в составе Опытно-демонстрационного энергокомплекса ОДЭК с реактором БРЕСТ-ОД-300).

Но здесь важно понимать фундаментальную научно-инженерную логику, которая часто ускользает от поверхностного анализа. Сегодня много говорят о реакторах на быстрых нейтронах как о спасении и будущем мировой энергетики. Однако сами по себе быстрые реакторы — это лишь половина уравнения. Чтобы они работали по-настоящему эффективно, раскрывая свой колоссальный потенциал, критически необходимо, чтобы сопутствующая технология переработки ОЯТ была столь же высокоэффективной, скоростной и компактной.

Без радикального повышения эффективности и упрощения переработки быстрая энергетика просто захлебнется в колоссальных объемах циркулирующих ядерных материалов или упрется в экономическую нецелесообразность многостадийных радиохимических процессов. Наша сухая плазменная сепарация как раз призвана решить эту глубинную проблему. За счет рециклирования и многократного возвращения регенерированного урана в топливный цикл технология способна увеличить сырьевую базу атомной энергетики в 100 раз, превращая её в возобновляемый источник энергии.

Среди потенциальных технологических партнеров атомной отрасли в контуре ГК «Росатом» по перспективам внедрения результатов и развития данного проекта мы видим ряд организаций (в частности, ниже приведенные), с которые в ближайшее время планируем начать переговоры о сути технологии и направить материалы проекта для научно-технической экспертизы:

• НИКИЭТ (Научно-исследовательский и конструкторский институт имени Н. А. Доллежаля). Институт является ключевым участником и главным конструктором реакторной установки в стратегическом проекте «Прорыв» по ЗЯТЦ.
• НИТИ имени А. П. Александрова (Научно-исследовательский технологический институт, г. Сосновый Бор, входит в контур «Росатома») занимается комплексными испытаниями и научно-технологическим сопровождением высокоэффективных энергетических установок, а также решением задач в сфере обращения с ОЯТ и РАО. Наше сотрудничество мы видим в плоскости развития ионно-плазменных методов дезактивации элементов контура и переработки отработавшего топлива. Результаты этих исследований ранее уже докладывались нами на площадке института в рамках Всероссийского лектория РНФ и находятся в открытом доступе.
• АО «ТВЭЛ». АО «ТВЭЛ» отраслевой интегратор выбран нами в силу того что в нем занимаются задачей по производству инновационного уран-плутониевого топлива. Именно на заводах ТВЭЛ (например, на Сибирском химическом комбинате или Горно-химическом комбинате) из урана и плутония, извлеченных при переработке ОЯТ, собирают новое свежее топливо: МОКС-топливо и СНУП-топливо (смешанное нитридное уран-плутониевое).

В рамках стратегического проекта «Прорыв» в Северске АО «ТВЭЛ» курирует создание уникального Опытно-демонстрационного энергокомплекса (ОДЭК). Уникальность этого объекта заключается в реализации пристанционного ядерного топливного цикла. На одной площадке будут интегрированы три ключевых элемента: инновационный реактор на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300, модуль фабрикации/рефабрикации ядерного топлива и модуль переработки. Такой подход позволяет перерабатывать отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) и возвращать регенерированные материалы в оборот в виде свежих тепловыделяющих сборок (ТВС) непосредственно на месте, что кардинально минимизирует межобъектную логистику облученных материалов.

— К каким именно направлениям научно-технологического развития Российской федерации относится ваш проект?

— Тематика проекта строго интегрирована в государственную систему приоритетов, утвержденную Указом Президента Российской Федерации № 529 от 18 июня 2024 года. Проект напрямую вносит вклад в развитие важнейших наукоемких технологий по двум ключевым направлениям:

1. Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика.
2. Технологии создания энергетических систем с замкнутым топливным циклом.

Кроме того, проект полностью соответствует направлению Н2 Стратегии научно-технологического развития РФ (Указ Президента РФ № 145 от 28 февраля 2024 года). Это направление регламентирует переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения. Наша технология закладывает фундаментальные физические принципы именно для такого перехода.

— Какие планы на ближайшее время у научно-исследовательской компании «ИнноПлазмаТех» по продвижению проекта по разработке технологии ионно-термической переработки ОЯТ и ионно-плазменной технологии дезактивации ЯЭУ?

Ближайшие планы научно-исследовательской компании «ИнноПлазмаТех» по продвижению технологии направлены на интересы атомной отрасли, прежде всего на нашего ключевого потенциального индустриального заказчика и партнера — Госкорпорацию «Росатом».

Для эффективного продвижения проекта в контуре атомной отрасли в ближайшее время запланировано следующе этапы:

Верификация научно-технического задела для Росатома (2027–2028 гг.). Основным барьером для внедрения любых прорывных физических методов в атомной отрасли необходимость строгой фундаментальной верификации. Нашим коллективом сейчас подана заявка «Разработка ионно-термической технологии переработки отработанного ядерного топлива» на грант РНФ по программе МОНГ - малых отдельных научных групп на 2027–2028 годы. Грант РНФ рассматривается нами как критически важный инструмент для закрытия научно-технических рисков поисковой стадии (НИР). Результаты математического моделирования и экспериментов на нерадиоактивных сплавах-имитаторах станут физическим доказательством работоспособности технологии по разделению элементов.

Для выполнения экспериментальных работ по ионно-плазменному и термическому распылению модельных многоэлементных нерадиоактивных образцов- сплавов в ООО «ИнноПлазмаТех» имеется экспериментальная установка: разборная высоковакуумная камера с окошками и электрическими вводами, турбомолекулярным насосом для откачки инертных газов, системой напуска инертных и других газов из баллонов с натекателями, датчиками для контроля вакуума и давления рабочей газовой смеси.

Рис.4. Лабораторный стенд в научно-исследовательской компании ООО «ИнноПлазмаТех»

Сотрудничество с предприятиями ГК «Росатом». Развитие сотрудничества ООО «ИнноПлазмаТех» и АО «Росатом РДС» (отраслевого интегратора Госкорпорации «Росатом») опирается на успешный опыт применения ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ЯЭУ. Кроме того, оно базируется на фундаментальных результатах проекта РНФ № 24-29-00321 по разработке технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ. На следующих этапах мы рассматриваем интеграцию в Единый отраслевой тематический план (ЕОТП).

Научный задел, академическое и отраслевое позиционирование.

В настоящий момент у нас имеется задел по предварительным полученным результатам. В частности, по разработке ионно-термической технологии переработки ОЯТ есть публикации в СМИ, научные публикации в отраслевых журналах (Ядерная физика и инжиниринг 2024, том 15, № 6, с. 624–630, Nuclear Engineering and Design, Volume 386, January 2022, 111561,

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111561) и доклады на конференциях (результаты впервые докладывались на отраслевой научно-технической конференции ГК "Росатом" – Замыкание топливного цикла ядерной энергетики на базе реакторов на быстрых нейтронах, Сборник аннотаций докладов, стр.56, 28 – 29 октября 2021 г.)

В настоящий момент нами проведены расчеты параметров ионно-термической технологии для условий переработки отработанного уран-оксидного топлива реакторов ВВЭР-1000. На основе верифицированных открытых данных по составу ТВС № 1476 Балаковской АЭС получены температурные диаграммы элементного разделения состава ОЯТ при селективности разделения 99%. Рассчитаны диапазоны парциальных давлений и температур элементов топливной композиции. Данная работа подана в форме доклада на конференцию ФизикА-СПб-2026 и в форме рукописи научной статьи, где она уже успешно прошла рецензирование. Основные результаты представлены на рисунке 5 и таблице 2.

Рис.5. Температурная диаграммы элементного разделения состава ОЯТ из ТВС № 1476 АЭС Балаково-2 при селективности разделения 99% (k = 100)

Табл.2. Диапазоны парциальных давлений и температур элементов топливной композиции состава ОЯТ из ТВС № 1476 АЭС Балаково-2 при селективности разделения 99% (k = 100).

На рисунке 5 приведены температурная диаграммы элементного разделения состава ОЯТ из ТВС № 1476 АЭС Балаково-2, отображающие диапазоны температур осаждения радионуклидов. Соответствующие парциальные давления данным температурным интервалам осаждения элементов приведены в таблице 2.

Из рисунка 5 видно, что ионно-термическая технология позволяет отделить уран от продуктов отработанной топливной композиции. Что касается плутония, то диапазоны температур его осаждения на диаграмме частично перекрываются с неодимом и кюрием. Для технологических задач это является преимуществом: плутоний умышленно не выделяется в чистом виде. Такое совместное осаждение полностью соответствует международным критериям защищенности топливного цикла от нераспространения. Полученная смесевая фракция урана, плутония и редкоземельных элементов (в частности, неодима) оптимально подходит для последующего вовлечения в рефабрикацию свежего ядерного топлива. Также наличие области перекрытия осаждения плутония Pu и неодима Nd, может быть использовано для легирования фабрикуемого топлива. На рисунке 1 продемонстрировано выделение америция в отдельную фракцию, что имеет решающее значение для переработки ОЯТ, так как этот нуклид является источником интенсивного альфа- и гамма-излучения, создающего высокую дозовую нагрузку на персонал. Кроме того, значительное тепловыделение америция ограничивает возможности компактного захоронения и изоляции радиоактивных отходов. Для переработки ОЯТ из ТВС № 1476 АЭС Балаково-2 расчет показал возможность отделить уран от продуктов отработанной топливной композиции. Выполнение аналогичного расчета будет представлять интерес для переработки транспортного ОЯТ, поскольку отсутствие ЖРО и разделение элементов топливной композиции ОЯТ в форме твердого осадка позволяет в перспективе реализовать концепт мобильного модуля на базе каскада диффузионных разделительных трубок, способного осуществлять переработку ОЯТ перспективных реакторных установок на месте их расположения.

Также мы планируем представить наши научные результаты по ионно-плазменной технологии дезактивации и переработки ОЯТ на крупных и отраслевых конференциях отрасли и ядерной физики. Одним из ближайших мероприятий (сентябрь 2026 года) станет участие в Конференции «ЯДРО-2026». Это, пожалуй, главная и старейшая академическая площадка в России для обсуждения ядерно-физических технологий. Наш коллектив традиционно представляет свои доклады на этой авторитетной академической конференции. Напомню, что на «Ядро-2021» наш доклад был признан экспертами NuPECC одним из лучших. Также по материалам конференции Ядро-2026 будет подготовлена статья в научный журнал Известия РАН. Серия физическая.

— Каковы долгосрочные планы «ИнноПлазмаТех» в случае поддержки со стороны РНФ? Какие конкретно задачи планируется решить в рамках этого двухлетнего цикла в случае вашей победы?

— Грант РНФ для нас — это критически важный мостик от фундаментальной идеи к прикладным опытно-конструкторским работам (ОКР). К моменту завершения проекта в 2028 году, в случае поддержки со стороны Фонда, мы рассчитываем иметь на руках верифицированную физическую модель и эскизный проект установки. Параллельно мы уже ведем переговоры с нашим потенциальным стратегическим заказчиком ГК «Росатом», в мае 2026 года состоялась рабочее совещание ООО «ИнноПлазмаТех» с АО «Росатом РДС», на котором обсуждались направления развития технологии ионно-плазменной дезактивации.

После завершения научно-исследовательского этапа мы планируем привлекать коммерческое финансирование через инструменты Единого отраслевого тематического плана (ЕОТП) Росатома, а также по программам «СТАРТ» и «Коммерциализация» Фонда содействия инновациям, где у нас уже есть успешный опыт завершения первого этапа. Наша конечная цель — создание импортоопережающего промышленного оборудования, не имеющего прямых аналогов по уровню селективности и компактности. Внедрение таких систем позволит радикально повысить экологическую безопасность атомных городов, таких как Сосновый Бор под Санкт-Петербургом, за счет минимизации радиационной нагрузки на пункты захоронения отходов.

Наша заявка на конкурс РНФ подана и зарегистрирована, это поисковый НИР, нацеленный на решение масштабных комплексных задач. В соответствии с разработанной программой исследований, в ходе выполнения проекта будут решены ряд задач по теоретическому моделированию процессов ионно-плазменного и термического распыления твердых сплавов в укороченном разряде инертного газа, расчет распределения поля температуры в диффузионной разделительной трубе для определения оптимальных рабочих параметров технологии, расчет температурных диаграмм разделения ОЯТ на основе открытых данных об элементном составе топлива, экспериментальные исследования на специализированном вакуумном стенде.

— Насколько защищены ваши приоритеты? Ведется ли патентная работа, учитывая высокий экспортный потенциал технологии?

— Защита интеллектуальной собственности для нас — приоритет первого порядка. У нас уже сформирован патентный задел по защите прав интеллектуальной собственности на ионно-плазменную технологию. Совместно с АО «Концерн Росэнергоатом» получен базовый патент РФ №2711292, также зарегистрирован патент «ИнноПлазмаТех» №2771172.

Более того, совместно с ГК «Росатом» мы начали широкое международное патентование. Наша международная заявка PCT/RU2019/000816 уже переведена на национальные фазы в США, Канаде, КНР, а также в государствах Европейского патентного ведомства (включая Францию, Германию, Австрию, Швейцарию, Испанию и еще две недели стран). По результатам проекта РНФ мы также планируем подачу новых заявок на изобретения в ФИПС, которые закрепят наши приоритеты. Наличие международной защиты имеет ключевое значение для экспортных перспектив технологии.

— Можно ли утверждать, что без перехода на подобные сухие, скоростные методы сепарации, реальное, экономически оправданное замыкание топливного цикла на быстрых реакторах так и останется теоретической концепцией?

— Вы абсолютно правы, и это самый болезненный вопрос для современного экспертного сообщества. Давайте смотреть правде в глаза: сами по себе реакторы на быстрых нейтронах — это великолепные инженерные машины, но их экономический и физический смысл раскрывается только при замыкании топливного цикла. А это значит, что ОЯТ должно перерабатываться с высокой эффективностью и минимальным временем технологического оборота. Наша общая цель — сделать так, чтобы регенерированный уран и плутоний не находились годами в бассейнах выдержки, а максимально оперативно возвращались в оборот. Именно на сокращение этого временного лага и направлены наши сухие плазменные технологии. Если мы попытаемся замкнуть цикл для целой сети быстрых реакторов с помощью старых, громоздких и многостадийных радиохимических технологий, то экономика энергетики будущего просто рухнет под тяжестью затрат на переработку и обращение с жидкими отходами. Быстрая энергетика рискует захлебнуться в собственных оборотных материалах. Наша технология переработки ОЯТ может стать тем самым экономическим и технологическим драйвером. Сверхэффективная, «сухая» и экспрессная сепарация в одну стадию — это путь превратить замыкание ЯТЦ из красивой демонстрационной модели в коммерчески успешную, глобальную индустрию.

— Если заглянуть на 10–15 лет вперед: как вы считаете, станет ли ионно-термическая сепарация тем самым «недостающим звеном», которое превратит атомную энергетику из отрасли, накапливающей отходы, в полностью безотходное и фактически возобновляемое производство?

— Именно эту амбициозную цель мы и ставим перед нашей командой. Главный аргумент всех противников атомной энергетики во всем мире — это не риски аварий, а именно нерешенная проблема накопления ядерного наследия. Проблема отходов пугает общество. И пока переработка ОЯТ порождает новые объемы вторичных жидких РАО, этот узел невозможно разрубить до конца.

Ионно-термическая технология, надеемся, станет тем самым «недостающим звеном», которое замкнет цепь. Разделяя ОЯТ на чистые фракции без привлечения жидких реагентов, мы локализуем опасные осколки деления в компактном твердом виде, готовом к безопасному контролируемому захоронению или выжиганию. При этом весь полезный энергетический потенциал урана возвращается в реактор. В такой парадигме атомная энергетика встает в один ряд с чистейшими зелеными технологиями, но превосходит их по стабильности и мощности. Мы искренне верим, что через 10–15 лет подобные плазменные системы станут международным стандартом, навсегда сняв с человечества бремя радиационного страха.

— Анна Станиславовна, резюмируя наш разговор: если ваша технология докажет свою эффективность, означает ли это, что мировая атомная отрасль сможет окончательно отказаться от классической «мокрой» радиохимии в пользу компактных физических методов прямо на площадках АЭС?

— Знаете, полностью вычеркнуть гидрометаллургию из истории атомного проекта в одночасье, конечно, невозможно — это огромная индустрия с колоссальным опытом. Но наша технология может совершить то, что в науке называют сменой парадигмы. Мы предлагаем перейти от химических методов разделения веществ к фундаментальным физическим. Классическая радиохимия — это всегда огромные заводы, километры трубопроводов, колоссальные объемы кислот и, как следствие, миллионы литров жидких РАО, которые нужно где-то упаривать и хранить. Ионно-термическая технология может быть реализована автономно и компактно. Установка может быть интегрирована непосредственно в структуру пристанционного модуля переработки. Отработавшее топливо не нужно будет везти через всю страну на специализированный радиохимический комбинат. Мы сможем «разбирать» ОЯТ на элементы прямо там, где оно было выгружено из реактора, мгновенно возвращая очищенный уран в топливный цикл. Это не просто отказ от «мокрой» химии, это переход атомной энергетики на качественно иной уровень безопасности и логистики.