Томские ученые предлагают извлекать палладий, родий и рутений из ОЯТ

Томские ученые предложили новый метод переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), который позволит, во-первых, снизить энергозатраты, а, во-вторых, поможет извлекать из отходов ценные и благородные металлы — палладий, родий и рутений.

Как стало известно НИА Томск, только в России на площадках АЭС и в хранилищах радиохимических заводов размещено около 16 тыс тонн ОЯТ. При этом ежегодный прирост хранящегося топлива достигает 850 тонн. Существует два основных варианта обращения с ОЯТ: хранение и переработка. Первый способ, который бывает двух типов: сухое хранение (в вентилируемых помещениях) и влажное (под водой) — является более дешевым. Переработка предполагает серьезные денежные и энергозатраты, однако является более современным и экологичным способом обращения. В Томском политехе предложили модернизировать существующий способ переработки отработавшего ядерного топлива.

По словам ассистента кафедры технической физики Ивана Новоселова, стандартный процесс предполагает фрагментирование ОЯТ, растворение в азотной кислоте, экстракционное извлечение из раствора урана и плутония и производство на их основе MOX-топлива для АЭС. Оставшиеся без урана и плутония отходы переработки отработавшего ядерного топлива (ОП ОЯТ) представляют собой водно-солевые растворы высокой активности, включающие целый ряд радиоактивных продуктов деления изотопа уран-235 (платиноиды, РЗЭ) и других металлов. По действующей технологии эти отходы выпаривают, добавляют химические реагенты (силикаты, фосфаты, бораты и другие) и направляют на операцию остекловывания с последующим захоронением в виде «брикетов». Однако у существующего способа есть ряд недостатков.

«ОП ОЯТ в отличие от радиоактивных отходов несут в себе определенную ценность — то, что входит в его состав, может быть востребовано в будущем. Брикеты, которые получаются в процессе остекловывания, конечно, занимают меньший объем и не содержат уран и плутоний, однако содержат изотопы очень ценных металлов платиновой группы — палладия, родия и рутения, которые являются продуктами деления. Но проблема в том, что из брикетов их потом просто не извлечь», — говорит он.

Томские ученые предлагают использовать низкотемпературную плазму для иммобилизации отходов переработки ОЯТ. Причем технология политехников позволяет не только встроиться в уже существующий процесс переработки, но и удешевить его.

Основой технологии переработки ОЯТ на радиохимических заводах является PUREX-процесс, в котором экстракцию урана и плутония из водно-солевых растворов осуществляют трибутилфосфатом (ТБФ) с использованием различных органических разбавителей (керосин, очищенные углеводороды и другие), которые под действием радиоактивного облучения с течением времени теряют свою эффективность и превращаются в горючие отходы переработки ОЯТ (ГОП ОЯТ).

«Нами разработан процесс совместной плазменной иммобилизации горючих и негорючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме в расплавах хлоридов металлов (натрий, калий), стойких к радиационному облучению. В итоге получается горючая композиция, которая обрабатывается в воздушной плазме при температуре не менее 1 200 °С. На выходе мы получаем своеобразный расплав, который собирается в специальные емкости, затвердевает и отправляется на хранение. По прошествии необходимого времени из субстанции можно будет извлечь химическими способами металлы платиновой группы. Для сравнения: с одной тонны ОЯТ образуется до 2 кг рутения, до 1,5 кг палладия и до 0,5 кг родия», — пояснил доцент кафедры технической физики Александр Каренгин.

Достоинством новой технологии является уменьшение ее стоимости за счет сокращения количества операций, объема емкостного оборудования, затрат на химические реагенты и электроэнергию. Исследования с использованием плазменного комплекса ведутся в ТПУ с 2013 года. Работы подкреплены госзаданием «Наука», федеральной целевой программой. При этом плазменный комплекс, созданный в вузе, может быть использован для выполнения различных заданий.

«На этой же установке можно получать нанопорошки из отработавшего ядерного топлива. После экстракции урана и плутония в образующемся растворе остаются редкие элементы, например, иттрий или цирконий. После переработки в плазме можно получать нанопорошки оксидов данных элементов. Плазма сама по себе является очень универсальным инструментом, несмотря на то, что она достаточно хорошо исследована, наблюдать ее широкое применение в промышленности нам пока не приходится», — подчеркивает Иван Новоселов.

Томичи уже провели отработку лабораторной пробы на плазмохимическом комплексе. Эксперименты проводились не на реальном ОЯТ, но на моделях, которые полностью имитируют физико-химические свойства сырья. Кроме того, учеными уже разработаны мобильный плазменный комплекс, который при необходимости можно модернизировать под нужды предприятия, и стационарная установка.

«Это многоцелевой комплекс, который можно использовать для решения различных задач. Мы готовы к тому, чтобы проводить работы с использованием ОЯТ, открыты для сотрудничества с предприятиями ядерной промышленности. Возможно, предприятия подстегнет готовящийся указ президента РФ, по которому хранение ОЯТ станет экономически невыгодным. Поэтому компании будут заинтересованы в технологиях переработки», — подытожил Александр Каренгин, уточнив, что доклад, посвященный данной проблеме, был представлен на международной конференции «Изотопы: технологии, материалы и применение», прошедшей на днях в Томске.

Как ранее сообщало НИА Томск, журналисты и экологи из Томска и Северска в конце сентября побывали в Венгрии, где на юге страны уже пять лет функционирует первое национальное хранилище радиоактивных отходов. Хранилище находится среди лесов, озер, виноградников и зеленых холмов в окрестностях фешенебельной деревушки Батаапати, в 200 километрах от Будапешта, одного из красивейших городов Европы. Батаапати принимает для хранения низкоактивные, а также короткоживущие среднеактивные отходы, большая часть из которых — ОЯТ, результат работы единственной в стране АЭС «Пакш».

При полной загрузке станция производит в час две тысячи мегаватт электроэнергии. Отметим, что венгерское правительство также планирует построить в Пакше еще два реактора, так как электроэнергия и отопление от АЭС жителям этой страны обходится дешевле, чем при использовании газа.

Сейчас на АЭС «Пакш» вполне надежно, с производительностью даже больше проектной, работают четыре блока ВВЭР — водо-водяные энергетические реакторы электрической мощностью 440 мегават, разработанные в СССР. Благодаря ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами» при содействии венгерского национального оператора по обращению с радиоактивными отходами «ПУРАМ» журналисты узнали, что в год четыре блока ВВЭР производят 170 кубометров твердых радиоактивных отходов и 270 кубометров непереработанных жидких радиоактивных отходов. Все отходы относятся к категории низко и среднеактивных. Кроме того, АЭС ежегодно избавляется от 30 кубометров РАО, не связанных с работой реакторов, и от 380 отработавших тепловыделяющих сборок.

В России к РАО не причисляют ОЯТ по одному формальному признаку — так как часть его отправляют на переработку и затем вновь запускают в дело. Поэтому ОЯТ отходами не считается, хотя менее опасным и радиоактивным оно от этого не становится.

Переработкой ОЯТ также занимаются Франция, Великобритания и Япония, однако накопленные его запасы пока мало уменьшаются. В Венгрии, как и в Финляндии или, например, в Швеции, при небольшом количестве реакторов и вовсе не выгодно создавать систему переработки. Поэтому они решили признать ОЯТ радиоактивными отходами, которые пока хранятся во временных хранилищах, как правило, рядом с атомными станциями.

В будущем венгерское правительство намерено переместить ОЯТ в специально построенный для высокоактивных РАО пункт финальной изоляции. Предполагается, что он будет введен в эксплуатацию к 2064 году в виде шахты на глубине порядка тысячи метров в твердых каменных породах и скальных грунтах.