научная статья по теме ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ОЯТ В КОСМОСЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ОЯТ В КОСМОСЕ»

ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ОЯТ В KOCMOCE

C

л

V_У

В. Ю. АНТРОПОВ, В. М. БИРЮКОВ (ОАО НИИ "Научный центр"), В. К. ПОПОВ, В. Н. ПРУСАКОВ, Н. М. ТРОЦЕНКО (РНЦ "Курчатовский институт"), В. А. СКОРОДЕЛОВ (НПО "Молния")

овременный уровень разработки неводной (фторидной) технологии регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ) и развития космической техники создали необходимые предпосылки для выноса в космос этого экологически крайне вредного процесса, включая утилизацию отходов с высокой радиоактивностью.

Технология переработки ОЯТ на полностью автоматизированном космическом орбитальном производственном комплексе (ОПК) состоит из следующих этапов:

- доставка на высокую орбиту (более 600 км) технологического оборудования, расходуемых материалов и ОЯТ;

- фторирование ОЯТ и последующая очистка гексафторида урана и плутония от радиоактивных отходов на фильтровальных колонках с фтористым натрием;

- конденсация очищенных гексафто-3 ридов в транспортных контейнерах и £ возвращение их на Землю;

| - утилизация оставшихся на орбите § радиоактивных отходов, накопленных в £ колонках и на фильтрах, путем транс! портировки ракетой в дальний космос г или в сторону Солнца. | Такая концепция переработки ОЯТ | хорошо согласуется со "Стратегией раз-§ вития атомной энергетики России в пер-I вой половине XXI века", которая ут-| верждает замкнутый ядерный топлив-" ный цикл (ЗЯТЦ) как принципиальное условие долговременного функционирования большой ядерной энергетики.

Достоинства газо-фторидного или фто-ридно-дистилляционного метода заключаются в компактности технологического процесса, радиационной стойкости реагентов, возможности прямого получения твердых отходов в малом объеме, относительной простоте полной автоматизации процесса и, наконец, в получении урагана и плутония в виде гексафторидов, что наиболее удобно для последующей переработки.

Очищенный гексафторид урана может быть передан на изотопное дообога-щение, после чего возвращен в топливный цикл. Что же касается рецикла плутония, то процесс может быть спроектирован таким образом, чтобы выделяемый плутоний был разбавлен ураном, что удовлетворяет требованию о нераспространении. Одновременно решается весьма сложный вопрос утилизации в космосе минорных актинидов.

Исследования физико-химических процессов, лежащих в основе фторидной технологии переработки ОЯТ, проводились в лабораториях РНЦ "Курчатовский институт", Всероссийского НИИ химической технологии (ВНИИХТ), а также в НИИ атомных реакторов (НИИАР). В РНЦ "Курчатовский институт", в частности, были выполнены изначальные эксперименты по фторированию облученного урана и синтезу гексафторида плутония.

Работы по космическому полупроводниковому материаловедению на орбитальных станциях и проекты орбитальных производственных комплексов,

2 © В. Ю. Антропов, В. М. Бирюков, В. К. Попов, В. Н. Прусаков, Н. М. Троценко, В. А. Скороделов

выполненные в НИИ "Научный центр", показали техническую и экономическую целесообразность выноса в околоземное пространство процессов, связанных с использованием высокотоксичных веществ. Опыт этого НИИ в создании автоматически действующего в космосе технологического оборудования и систем управления с применением телеметрии, а также изучение особенностей протекания различных физико-химических процессов в условиях микрогравитации, может быть использован при переработке в космосе облученного ядерного топлива и утилизации радиоактивных отходов наряду с опытом дистанционного монтажа и демонтажа аппаратуры для реализации фторидного процесса.

Известно, что в настоящее время ОЯТ перерабатывается путем экстракции урана и плутония из водных растворов в ходе так называемого пюрекс-процесса. В пюрекс-процессе на 99% экстрагируются как уран, так и плутоний с очисткой продуктов деления в 107 раз. Несмотря на относительную простоту этого процесса, завод водно-экстракционной регенерации ОЯТ представляет собой грандиозное сооружение стоимостью в несколько миллиардов долларов. В процессе экстракционной переработки образуются большие объемы радиоактивных водных растворов, безопасное захоронение которых представляет собой сложную и трудно решаемую проблему. Временные хранилища оЯт обходятся дешевле, но при этом переработка радиоактивных материалов остается следующим поколениям.

Реализовать пюрекс-процесс в условиях микрогравитации в космосе проблематично, так как экстрагенты и радиоактивные водные растворы под действием преобладающих в невесомости сил поверхностного натяжения будут образовывать жидкие сферические шарики, что неизбежно приведет к уменьшению извлечения урана и плутония, а также снижению качества очистки от продуктов деления.

Альтернативная, неводная (фторид-ная) технология, где очищаемые вещества находятся в газовой фазе, наилучшим образом подходит для реализации

в космосе. Потенциальные достоинства фторидной технологии были поняты и достаточно хорошо изучены еще в 5060-е гг. XX века: это самый короткий технологический цикл переработки ОЯТ, более высокая степень очистки от продуктов деления, чем в пюрекс-процессе (до 109 против 107), возможность концентрирования отходов на фильтрах и сорбентах с последующей утилизацией в дальнем космосе.

Необходимость радикального решения проблемы избавления Земли от радиоактивных отходов как уже накопленных, так и образующихся в процессе выгорания ядерного топлива, не вызывает сомнений. Иначе грядущие поколения ждет удручающая перспектива загрязнения все больших пространств радиоактивными отходами. Аналогию можно провести с немецким химическим оружием, которое, по непродуманному решению союзников, после Второй мировой войны было затоплено в Балтийском море. К настоящему моменту корпуса авиабомб и снарядов прокорродировали настолько, что боевые отравляющие вещества разносятся течением по всей Балтике и приводят не только к гибели рыбы, но и к отравлению людей.

Перспектива строительства новых заводов стоимостью несколько миллиардов долларов (в том числе завода РТ-2 в Красноярске на базе пюрекс-процес-са), многомиллиардные проекты полета на Марс, не менее дорогостоящие в реализации планы переброски вод сибирских рек на юг невольно заставляют задуматься: не лучше ли на эти деньги решить проблему избавления человечества з от радиоактивных отходов с использова- § нием фторидной технологии для очист- | ки ОЯТ в космосе? §

Аналитические оценки научно-иссле- " довательских и опытно-конструктор- | ских работ (НИОКР), проведенных в Рос- г сии и за рубежом по фторидно-дистил- | ляционному рециклу ОЯТ, показывают, | что он достаточно проработан для пере- | хода к промышленному освоению с уче- * том как национальных экологических § требований, так и гарантий нераспрост- " ранения. Именно эта неводная технология, которая нечувствительна к радиации

и более компактна, чем пюрекс-процесс, может быть успешно реализована в космосе на первом этапе в опытно-промышленном масштабе с объемом переработки в несколько десятков тонн ОЯТ в год.

Основным компонентом смеси летучих фторидов, получаемых при фторид-ной переработке отработавшего ядерного топлива, является гексафторид урана. Сорбционный метод может быть использован для очистки гексафторида урана от продуктов деления в различных вариантах. Некоторые из этих вариантов предусматривают выделение летучих фторидов осколочных элементов на подходящих сорбентах без поглощения гексафторида урана. Другие - включают стадию сорбции-десорбции всей массы гексафторида урана. Но, так или иначе, до 99% гекса-фторида урана, очищенного на фтористом натрии, используемом в качестве сорбента, можно сконденсировать, а накопленные на сорбенте радиоактивные отходы утилизировать.

На рис. 1 представлен примерный облик орбитального мини-завода по переработке ОЯТ по фторидной технологии.

Ориентировочные технико-экономические показатели реализации фторидной технологии переработки ОЯТ в космосе

Операция

Разработка, изготовление и запуск ОПК

Разработка, изготовление и запуск транспортного космического аппарата (ТКА) - при долевом участии среди других решаемых задач Полет на высокую орбиту и возвращение автоматического беспилотного корабля МАКС с полезной нагрузкой до 9.5 т Срок эксплуатации ОПК, лет Эксплуатация ОПК млн. долл. Срок окупаемости ОПК Ежегодная прибыль при удельной цене возвращаемого материала не менее 20000 долл./кг

Стоимость, млн. долл.

250-270

до 300

10* до 11.5 до 500 3-4 года

250-350

* Полет американского Шаттла обходится в 450 млн. долл., а каждый килограмм полезного груза - еще 25 тыс. долл.

В качестве источника электроэнергии могут использоваться солнечные батареи с необходимой электрической мощностью (~15 кВт) или ядерный энергетический реактор мощностью до 50 кВт в бортовом исполнении (разработчик НПО "Красная звезда").

Для выведения орбитального производственного комплекса в космическое пространство можно использовать находящуюся в стадии разработки в НПО "Молния" многоцелевую авиационно-космическую систему МАКС, технические характеристики, назначение и преимущества которой представлены на рис. 2. Среди многочисленных возможностей и задач, решаемых МАКСом, проблема очистки в космосе ОЯТ и утилизации радиоактивных отходов может стать одно из приоритетных. Наиболее приемлемым, с точки зрения технических возможностей, может стать беспилотный вариант МАКСа.

Во избежание возможных аварий можно предусмотреть доставку ОЯТ и возвращение контейнеров с гексафто-ридом урана в механически неразрушае-мой при ударе о землю транспортной укладке с несгорающей в атмосфере защитной теплоизоляцией. С целью обнаружения упавших контейнеров их необходимо снабдить радиомаяком.

Технологическая схема переработки ОЯТ на орбите может состоять из следующих операций:

- термическая обработка блочков ОЯТ;

- удаление алюминиевой оболочки путем механической прокатки на валках;

- обработка облученного урана втором и очистка гексафторида урана от радиоактивных "осколков" на сорбцион-ной колонке с гранулами из фтористого натрия;

- фильтрация гексафторида урана через фильтр тонкой очистки и конденсация в контейнерах, охлаждаемых полупроводниковыми холоди

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком