Ведущий научный сотрудник отдела лазерной физики и нанотехнологий ИРНИТУ Александр Казанцев выиграл грант Российского научного фонда по итогам конкурса «Проведение инициативных исследований молодыми учеными». Он получит финансирование в размере 3 млн рублей на разработку цифрового диагностического комплекса сопровождения процесса плазмооптической масс-сепарации отработавшего ядерного топлива.
Предложенная технология станет достойной альтернативой радиохимическим методам переработки урановых отходов.
По информации Российского научного фонда (РНФ), конкурс стал частью реализации Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными. Программу разработали в 2017 году с целью поддержки долгосрочных проектов и развития профессиональных компетенций перспективных молодых исследователей. По итогам конкурса этого года 503 инициативных проекта получат поддержку в размере 1,5-2 млн рублей. Разработки победителей направлены на решение задач в области инженерных и естественнонаучных дисциплин, в том числе химии, ядерной энергетики и электрофизики.
Проект Александра Казанцева является продолжением его диссертационной работы на тему «Формирование, разделение и диагностика потока ионов в процессе плазмооптическоймасс-сепарации». Результаты исследования ученый защитил три года назад. Разработка ведётся совместно с профессорами кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Николаем Строкиным, Владимиром Бардаковым, доцентом кафедры теплоэнергетики Сергеем Ивановым, а также аспирантами Алексеем Ступиным и Нгуен Тхе Тхангом.
По словам Александра, цифровая диагностическая система предназначена для автоматизированных измерений параметров плазмы и их предварительной обработки при помощи самостоятельно сконструированных анализаторов. Реализация этого проекта необходима для успешного решения более масштабной задачи – создания технологии плазмооптической масс-сепарации, которая в перспективе может стать наиболее экологически безопасным и экономически оправданным способом урановых отходов.
Отметим, что отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) - это особый вид урановых соединений, извлеченный из реактора атомной электростанции (АЭС) и содержащий радиоактивные продукты деления - невыгоревший уран и трансурановые элементы. Кроме того, среди продуктов деления встречаются радионуклиды (радиоактивные изотопы), которые можно с успехом применять в промышленности, медицине, а также в научных исследованиях.
Как пояснил Александр Казанцев, на сегодняшний день существуют два основных способа обращения с ОЯТ: радиохимическая переработка или захоронение. Стоимость переработки составляет $650–950 за килограмм, что в 13-15 раз превышает экономически приемлемую цену. В качестве альтернативы ученый предлагает экологически чистую технологию разделения ОЯТ на группы радиоактивных и нерадиоактивных частиц. Это позволит вернуть трансурановые элементы в топливный цикл, а также уменьшит количество топлива, предназначенного для геологического захоронения. Технология основана на плазмооптической масс-сепарации многокомпонентной смеси.
Первые опыты по масс-сепарации ученые провели в Технопарке ИРНИТУ на экспериментальной установке-макете «ПОМС–Е–3». Она представляет собой вакуумную емкость с плазменным ускорителем, электродами и катушками, формирующими электрические и магнитные поля. Эту модель разработали около 10 лет назад сотрудники Иркутского «политеха» совместно со специалистами ИГУ. Эксперименты, которые выполнил Александр и его коллеги, показали недостаточную разрешающую способность по массам. Поэтому было принято решение более тщательно изучить процессы, происходящие с плазменным потоком по мере его движения в сепарирующем объёме и на основе полученных знаний усовершенствовать модель плазмооптического масс-сепаратора.
«Многие проекты по разработке плазменных методов разделения веществ по массам оцениваются по результатам работ: по изменению концентрации целевого элемента, либо степени его локализации на определённом электроде экспериментальной установки. Мы же ставим перед собой задачу провести более тонкую диагностику и определить энергетический и массовый составы плазменного потока на всём его пути от источника до приемника. Эта информация поможет выявить ключевые эффекты, способствующие, любо препятствующие процессу плазмооптической масс-сепарации.
Уникальность нашего исследования также обусловлена спецификой работы над методом масс-сепарации в целом. Дело в том, что плазменными методами разделения веществ занимаются всего несколько научных групп в мире и каждая из них идёт индивидуальным путём. Соответственно, это обстоятельство определяет приборы и технологии, используемые для измерения интересующих параметров плазменного потока. Сам же метод сепарации универсален и может применяться для повышения производительности уже существующих методов выделения изотопов и сверхчистых веществ, используемых в медицине, лучевой терапии», - сообщил Александр Казанцев.
Отметим, что проект рассчитан на два года. По условиям грантовой программы авторы будут получать по 1,5 млн рублей ежегодно. Средства планируется направить на приобретение электронных компонентов, измерительных устройств, конструкционных материалов и изготовление анализаторов.