Переработка отработавшего ядерного топлива: как устроена и кто в ней участвует
Сборку разделывают, растворяют в азотной кислоте и экстракцией разделяют уран, плутоний и осколки деления. Звучит как химия, а на деле это цепочка из нескольких организаций, десятка лицензий и жёсткого учёта. Разбираем технологию по стадиям и распределение ролей между эксплуатирующей организацией, перевозчиком и переработчиком.
Транспортный упаковочный комплект с отработавшими сборками уезжает со станции спецэшелоном, и на этом знания большинства энергетиков о судьбе топлива заканчиваются. Дальше начинается радиохимия — производство, где всё делается дистанционно, за метровой защитой, а на каждом килограмме делящегося материала висит учётная запись. Разбираем, что там происходит по стадиям и кто за что отвечает.
Что приезжает на переработку
На переработку идёт топливо, прошедшее выдержку в бассейне. Выдержка снимает две проблемы: распадаются короткоживущие нуклиды, из-за которых обращение было бы невозможным, и снижается остаточное тепловыделение. Состав материала к этому моменту известен расчётом: невыгоревший уран, накопленный плутоний, младшие актиниды и осколки деления. Именно на разделение этих групп и рассчитана вся последующая технология.
Транспортирование
Перевозка отработавшего топлива — самостоятельная лицензируемая деятельность. Сборки помещают в транспортные упаковочные комплекты — массивные контейнеры, рассчитанные на биологическую защиту, пассивный отвод остаточного тепла, сохранение подкритичности при любой геометрии загрузки и на нормируемые аварийные воздействия: падение, пожар, погружение в воду. Конструкция комплекта проходит оценку соответствия, каждая перевозка оформляется как отдельная операция с уведомлениями, охраной и согласованием маршрута. Учётные документы по ядерному материалу передаются вместе с грузом: материал не должен ни на час выпадать из системы учёта.
Приёмка и разделка
На радиохимическом заводе сборку принимают в приёмное хранилище, проверяют идентификацию и состояние, затем передают на разделку. В защитной камере с сборки срезают хвостовик и головку, пучок твэлов разрезают на короткие фрагменты. Задача — вскрыть оболочку, чтобы растворитель добрался до топливной композиции. Конструкционные детали и обрезки циркониевых оболочек после отмывки становятся твёрдыми радиоактивными отходами, и это первый поток отходов на заводе.
Растворение
Фрагменты заливают горячей азотной кислотой. Диоксид урана и большинство продуктов деления переходят в раствор, оболочки не растворяются и удаляются отдельно. На этой стадии выделяются газообразные продукты: криптон, ксенон, иод, тритий, углерод. Система газоочистки — один из самых ответственных узлов завода, потому что именно здесь решается, какая часть летучих нуклидов уйдёт в вентиляционную трубу. Раствор осветляют от нерастворимого осадка и подают на экстракцию.
Экстракция: как разделяют три потока
Основой промышленной переработки остаётся экстракционная схема с трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе — в мировой практике она известна как пурекс-процесс и описана в материалах МАГАТЭ. Логика такая. В азотнокислом растворе уран и плутоний в определённых степенях окисления образуют комплексы, хорошо переходящие в органическую фазу, а осколки деления остаются в водной. Смешивая фазы и разделяя их в экстракторах, уран и плутоний уводят из основного потока. Затем плутоний восстанавливают до степени окисления, при которой он теряет сродство к органике, и тем самым отделяют его от урана. Дальше оба потока проходят дополнительные циклы очистки от остаточных примесей.
Раствор, оставшийся после экстракции, содержит практически все осколки деления и младшие актиниды. Это и есть высокоактивные отходы — та часть облучённого топлива, которая действительно подлежит изоляции.
Что делают с высокоактивными отходами
Высокоактивный раствор упаривают, уменьшая объём, и затем переводят в твёрдую матрицу — остекловывают. Расплав стекла с включёнными в структуру радионуклидами разливают в металлические пеналы, которые герметизируют и направляют в хранилище с принудительным или естественным отводом тепла. Стекло выбрано потому, что оно удерживает нуклиды в объёме матрицы и слабо выщелачивается водой. Хранение стеклоблоков — промежуточная стадия: конечная точка для них — глубинное захоронение.
Параллельно образуются среднеактивные и низкоактивные отходы: отработавшие экстрагенты, промывные растворы, фильтры, оснастка, средства защиты. Они кондиционируются в собственных формах и передаются на захоронение в соответствии с 190-ФЗ.
Что возвращается в цикл
Выделенный уран называют регенерированным. Он отличается от природного изотопным составом: в нём присутствуют уран-232 и уран-236, первый создаёт гамма-фон по цепочке дочерних продуктов, второй поглощает нейтроны и требует компенсации обогащением. Поэтому регенерированный уран не смешивают бездумно с природным, а вовлекают по отдельным технологическим схемам. Выделенный плутоний идёт на изготовление смешанного уран-плутониевого топлива для быстрых реакторов. О планах развития этих направлений сообщает пресс-центр «Росатома».
Кто участвует
| Участник | Роль | Разрешительная основа |
|---|---|---|
| Эксплуатирующая организация АЭС | Выдержка, подготовка к вывозу, передача материала | Лицензия на эксплуатацию, учёт ЯМ |
| Транспортная организация | Перевозка в упаковочных комплектах | Лицензия на транспортирование, физзащита груза |
| Радиохимическое предприятие | Приёмка, разделка, растворение, экстракция | Лицензия на переработку ЯМ, ПОК, обоснование безопасности |
| Изготовитель топлива | Вовлечение регенерированных материалов | Лицензия на изготовление ядерного топлива |
| Национальный оператор по обращению с РАО | Приём кондиционированных отходов и захоронение | Лицензии на захоронение, 190-ФЗ |
| Ростехнадзор | Лицензирование и надзор | 170-ФЗ, Положение о лицензировании |
Переработка не уничтожает радиоактивность. Она разделяет то, что можно использовать, и то, что придётся изолировать, — и делает второй объём в разы меньше первого.
Почему это дорого и сложно
Любая операция ведётся дистанционно, в горячих камерах с толстой защитой и манипуляторами. Оборудование должно работать годами без доступа персонала и допускать дистанционный ремонт или замену. Коррозионная стойкость в горячей азотной кислоте, радиолиз экстрагента, ядерная безопасность по геометрии аппаратов и по концентрации делящихся материалов — всё это удорожает каждый узел. Отдельная статья — учёт: баланс делящихся материалов сводится по массе, и расхождение требует расследования, а не объяснения технологическими потерями.
Требования к подрядчикам и поставщикам
- Оборудование и материалы для систем, важных для безопасности, проходят оценку соответствия с оформлением документов до поставки, а не после монтажа.
- Программа обеспечения качества поставщика согласуется с заказчиком и распространяется на его субподрядчиков.
- Прослеживаемость материалов и сварки подтверждается документально по каждой позиции.
- Персонал подрядчика проходит подготовку по радиационной безопасности и допуск на площадку с режимными ограничениями.
- Заказчик оставляет за собой право аудита поставщика, и это право реализуется на практике.
Атом-Плюс готовит комплекты документов на лицензии, связанные с обращением с ядерными материалами и радиоактивными веществами, включая транспортирование и обращение с отходами, разрабатывает программы обеспечения качества под требования предприятий топливного дивизиона и сопровождает подготовку к аудитам заказчика и инспекциям Ростехнадзора. Если ваша организация участвует в цепочке обращения с облучённым топливом, оставьте заявку в форме ниже.
Фото: Ken Marshall, Wikimedia Commons, CC BY 2.0
