ВНИИНМ за свою историю создал много разных видов топлива: и для АЭС разных типов, и для исследовательских реакторов, и для ледоколов, и для подлодок. Все эти разработки объединяла "твердость" — жидкого горючего бочваровцы еще не делали. Но недавно в институте приступили к разработке топлива для экспериментального жидкосолевого реактора, который собираются строить на ГХК.
Жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей, — это установка, в которой активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь из фтористых солей легких металлов (лития, натрия и калия или лития и бериллия) и фторидов делящихся материалов (урана, плутония или тория).
- Стратегическая причина. «Росатом» стремится к мировому лидерству на рынке ядерных технологий и для этого разрабатывает технологии замыкания топливного цикла. Одно из требований ЗЯТЦа — радиационно эквивалентное обращение с РАО (сколько радиоактивных материалов взяли из земли, столько и захоронили после использования). Чтобы обеспечить его, надо научиться выделять из РАО и утилизировать долгоживущие радиоактивные компоненты — минорные актиниды: америций, кюрий, нептуний. Их можно дожигать в ЖСР.
- Экономическая причина. Глубинное захоронение долгоживущих радиоактивных компонентов будет стоить очень дорого. Без них РАО можно хранить приповерхностно, что гораздо дешевле.
- Технологическая причина. Можно дожигать минорные актиниды в реакторах на быстрых нейтронах, но наиболее эффективно они уничтожаются в специально разработанных для этого установках — ЖСР.
Задачи разработки топлива для ЖСР
- Синтезировать топливные добавки (фториды плутония и минорных актинидов) из актинидов, выделенных при переработке ОЯТ ВВЭР.
- Приготовить топливную композицию, растворив добавки в смеси фторидов лития и бериллия (соль FLiBe) или лития, натрия и калия (FLiNaK).
- Добиться низкого, не больше 0,1 %, содержания кислорода в топливной соли (кислород усиливает коррозионную активность фторидных растворов).
- Обеспечить чистоту топлива от металлических примесей — они могут менять концентрацию нейтронов в активной зоне.
- Создать технологию переработки топлива ЖСР для повторного использования.
СТАДИИ ОБРАЩЕНИЯ С ОЯТ ЖСР. ПРОЕКТ ВНИИНМ
- Примерно 10 % топлива ежемесячно откачивается из реактора.
- Выдержка — 10 дней.
- Экстракция благородных металлов, молибдена и технеция (поток РАО‑1).
- Экстракция продуктов коррозии: хрома, никеля, железа, циркония (поток РАО‑2).
- Экстракция продуктов деления и недогоревших актинидов в несколько стадий.
- Реэкстракция: актиниды, очищенные от других продуктов деления, опять вводятся в расплав соли.
- Удаление избытка соли (поток РАО‑3).
- Корректировка состава соли до равновесного состояния.
Андрей Шадрин, ведущий эксперт ВНИИНМ, научный руководитель и главный технолог объединенного проекта по разработке базовых технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО проектного направления «Прорыв»:
— Для создания топлива жидкосолевого реактора нужно решить две основные задачи. Во-первых, получение фторидов плутония, нептуния, америция и кюрия, выделенных из ОЯТ тепловых реакторов, для стартовой загрузки и последующих перегрузок и введение этих добавок в несущую соль. Во-вторых, переработка облученной топливной соли. Часть соли периодически выводится из реактора. После кратковременной выдержки из нее нужно извлечь коррозионные примеси и продукты деления, а поток не поделившихся актинидов вместе с несущей солью объединить со свежим, подпитывающим, потоком актинидов. То есть разные задачи — фабрикация и переработка — сливаются в единый технологический процесс. В идеале процесс переработки соли и подпитки реактора свежим топливом должен быть непрерывным.
Предложено несколько технологических схем переработки облученной топливной соли, планируется провести технико-экономические исследования каждой из них. Идут эксперименты по определению фундаментальных свойств фторидов актинидов и расплавов несущих солей, содержащих актиниды, эксперименты по обоснованию технической реализуемости предложенных схем.
Эксперименты и расчеты находятся на начальном этапе. Но есть уверенность в успешном решении технических проблем: у нашего уникального коллектива многолетний опыт разработки ядерного топлива и технологий обращения с ОЯТ, мы сотрудничаем с другими институтами отрасли, Академии наук и вузами — НИИАР, Радиевым институтом, ИВТЭ СО РАН, УрФУ и др.