«Испарение» графита

Аспирант ТПУ ищет способ переработки реакторного графита

ЗА ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В МИРЕ БЫЛО ПОСТРОЕНО БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО КАНАЛЬНЫХ УРАН-ГРАФИТОВЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, ПРИ ЭТОМ ТОЛЬКО В РОССИИ ЭКСПЛУАТИРУЮТСЯ: 4 БЛОКА ЛЕНИНГРАДСКОЙ АЭС, 4 БЛОКА КУРСКОЙ АЭС, 3 БЛОКА СМОЛЕНСКОЙ АЭС И 4 БЛОКА БИЛИБИНСКОЙ АЭС. ТАКЖЕ БЫЛО ПОСТРОЕНО 13 ПРОМЫШЛЕННЫХ УРАН-ГРАФИТОВЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ (ПУГР). НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ВСЕ ОНИ НАХОДЯТСЯ НА СТАДИИ ВЫВОДА ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЛИ ПОДГОТОВКЕ К ВЫВОДУ ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ. ПРИ ЭТОМ В МИРЕ НАКОПЛЕНО ПРИМЕРНО 250 000 ТОНН ОБЛУЧЕННОГО ГРАФИТА, В ТОМ ЧИСЛЕ В РОССИИ ~60 000 ТОНН. В СИЛУ СПЕЦИФИЧНОСТИ ОБЛУЧЕННОГО ГРАФИТА МЕТОДЫ ОБРАЩЕНИЯ С ДАННЫМ ТИПОМ РАО ПОКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНЫ.

Ядерная экономика

На данный момент проблема обращения с облученным ядерным графитом частично решена только для отдельной группы промышленных уран-графитовых реакторов. Это возможно при отнесении графитовых отходов к «особым РАО». Так, в сентябре 2015 года был успешно завершен опытный проект по созданию пункта долговременной консервации особых РАО на площадке промышленного уран-графитового ядерного реактора ЭИ-2. Для реализации данного проекта специалистами АО «ОДЦ УГР» были разработаны и запатентованы уникальные технологии вывода из эксплуатации ПУГР. Длительное время совместно с ведущими институтами (ИФХЭ РАН, НИКИЭТ, ОКБМ, МИФИ, ВНИИНМ, ВНИИ АЭС и др.) велись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке методов и технических решений по обращению с графитовыми отходами.

Однако для большинства реакторов эта технология не применима.

— Из таких реакторов графит необходимо извлекать, затем его перерабатывать с целью очистки от наиболее активных радионуклидов. Поэтому необходима разработка технологий, приборов и аппаратных комплексов для снижения активности РАО, что позволит сделать захоронение графита экономически выгодным, — поясняет аспирант кафедры технической физики Физико-технического института Евгений Беспала. — Захоронение различных классов РАО имеет различную стоимость: цена на захоронение высокоактивных, среднеактивных и низкоактивных отходов отличается колоссально. Если нам удастся уменьшить количество радиоактивных нуклидов в реакторном графите, то себестоимость его захоронения станет экономически приемлемой.

Способы переработки облученного ядерного графита сейчас ищут ученые из разных стран. Предлагаются различные способы: от пиролитического сжигания до центрифугирования. Какой из них окажется лучшим, пока неизвестно.

Евгений Беспала занимается проблемой переработки ядерного графита уже более пяти лет. Сейчас он является инженером группы НИОКР АО «Опытно-демонстрационный центр по выводу из эксплуатации уран-графитовых ядерных реакторов». В прошлом году политехник стал одним из победителей программы УМНИК и получил финансовую поддержку на выполнение своих исследований.

Предлагаемые подходы для снижения активности графита

Технология, предложенная политехником, заключается в нагревании реакторного графита в низкотемпературной плазме более чем до трех тысяч градусов Цельсия. В результате графит и содержащиеся в нем радионуклиды сублимируют. Далее происходит ступенчатое осаждение веществ в специальном плазмохимическом реакторе. Создать такой реактор — такая задача стоит перед ученым.

— Углерод и радионуклиды испаряются вместе, а отделяются они друг от друга ступенчато в различных частях плазмохимического реактора за счет различия в физико-химических свойствах. Таким образом, радиоактивные ядра селективно извлекаются из графита. Поэтому сажа, которая образуется в результате плазмохимических реакций внутри плазменной камеры, становится менее активной, — поясняет Евгений Беспала.

По словам политехника, сама технология не нова: радиоактивные отходы и ранее перерабатывались в плазме. Однако это были низкоактивные металлические РАО. А испарять и ступенчато осаждать реакторный графит таким способом — ноу-хау ученых Томского политеха и северских специалистов. Эта разработка ими уже запатентована.

— В рамках гранта УМНИК я буду заниматься созданием аппаратного комплекса, обеспечивающего объемную переработку графита без вмешательства человека. Это позволит автоматизировать весь процесс и обезопасить человека при работе с радиоактивными источниками. По плану облученный ядерный графит нужно будет только загрузить в установку и затем извлечь углеродные отходы меньшей активности по сравнению с исходными, — говорит политехник.

Томские ученые совместно с северскими коллегами уже проводят тестирование своей технологии. Необходимые эксперименты по испарению графита в низкотемпературной плазме проходят на кафедре технической физики Томского политеха. Все радиационные исследования, в свою очередь, проводятся в Северске, так как там есть возможность соблюдать все правила техники радиационной безопасности. Пока технология протестирована на смесях стабильных изотопов углерода. В будущем году ученые планируют протестировать свою установку на облученном реакторном графите.

Елизавета Муравлева