С корреспондентами электронного издания AtomInfo.Ru беседует директор радиохимического объединения НИИАР Михаил Валентинович КОРМИЛИЦЫН.

Михаил Валентинович закончил Ленинградский технологический институт в 1989 году и с тех пор трудится в НИИАР по тематике переработки ОЯТ. Прошёл путь от научного сотрудника лаборатории топлива до руководителя подразделения, объединившего отдел топливного цикла, занимающийся переработкой топлива, и всё производство радионуклидной продукции.

Интервью с Михаилом Валентиновичем было записано 8 августа 2008 года.

300 тысяч и 300 миллиардов

В начале нашей беседы я бы хотел остановиться на общей ситуации в мире. Действительно, начинается ренессанс атомной энергетики, и он, в отличие от первого цикла, прерванного чернобыльской катастрофой, ориентирован и завязан на быстрые реакторы и замкнутый топливный цикл.

Даже Соединённые Штаты, которые официально закрыли тему переработки топлива в 1977 году законом, подписанным президентом Джимми Картером, и вложили колоссальные средства в гору Юкка для хранения 70 тысяч тонн ОЯТ, понимают сейчас, что хранить без переработки нельзя.

Во многих странах появилось понимание того, что ОЯТ содержит в себе большое количество энергетически ценных компонентов, которые можно вернуть в цикл, а не выбрасывать.

В России в проекте стратегии развития АЭ (Атомной Энергетики) до 2050 года прописано, что нам потребуются полномасштабный замкнутый топливный цикл и реактор нового поколения. Правда, разработка стратегии начиналась в конце 2007 года в условиях, когда оценка находящихся в распоряжении нашей страны ресурсов была более жёсткой и более консервативной.

В 2008 году объёмы российского урана, которые считаются доказанными и разведанными, были резко увеличены. Это труднодоступные и труднодобываемые месторождения, но со временем, при условии прогнозируемого роста стоимости урана, будет весьма вероятно, что их добыча может оказаться экономически эффективной.

Имеется определённая оппозиция отраслевым оценкам по запасам урана в России. Приводятся разные цифры - говорят или о 1,1-1,2 млн тонн, или о 1,8 млн тонн. Но, в любом случае, речь идёт о, как минимум, удвоении ресурсов по сравнению с 2007 годом. Поэтому острота проблемы немедленного перехода к быстрым реакторам снята.

Конечно, ещё раз надо напомнить, что эти ресурсы находятся в очень труднодоступных районах. Но деньги в их добычу будут вкладываться. Одновременно ГК "Росатом" проводит по заключению соглашений за рубежом по коммерческой эксплуатации и разработке месторождений - в Казахстане и некоторых других государствах. Правда, при этом приходится дополнительно учитывать повышенную "политизированность" урана.

Тем не менее, можно сказать, что острота ресурсной проблемы для России на ближайшие годы снята, и можно заняться дооптимизицией и доисследованиями быстрых реакторов с целью создания более современных и высокоэффективных РУ (Реакторных Установок). Нет необходимости запускать полномасштабный ввод быстрых реакторов с 2020 года, можно построить ещё пару экспериментальных установок. Ну а сроки полномасштабного ввода могут быть сдвинуты к отметке 2030 год.

Теперь рассмотрим ситуацию с топливным циклом. Общие запасы ОЯТ в мире превышают 200 тысяч тонн. По консервативным оценкам МАГАТЭ, сделанным в 2005 году - то есть, ещё до принятия новых программ по развитию атомной энергетики во всех базовых странах - эта величина возрастёт к 2015 году до 300 тысяч тонн.

Переработка ОЯТ освоена в небольших количествах в России, Японии и Китае, а на весьма приличном уровне - во Франции. Есть ещё Великобритания, но в связи с технологическими и политическими проблемами британские мощности по переработке теперь нельзя рассматривать как самостоятельную величину на мировом рынке.

Франция - единственная страна в мире, которая оказывает услуги по переработке ОЯТ. В год они перерабатывают примерно 800 тонн чужого топлива (сравните эту цифру хотя бы с консервативными оценками МАГАТЭ!). По некоторым данным, за переработку французы берут примерно 1000 евро за килограмм тяжелых металлов.

На отдельных условиях французы обслуживают те государства, которые медленно и плохо забирают отходы переработки - например, Германию или Японию. Французское законодательство требует, что такие отходы возвращались в страну назначения. За временное хранение этих отходов группа AREVA берёт дополнительные деньги. О каких суммах здесь идёт речь, я сказать не могу, так как эти данные держатся в строгом секрете.

Но даже из этих оценок видно, что 300 тысяч тонн ОЯТ составляют мировой рынок в 300 млрд евро.

Естественно, надо отдавать себе отчёт, что далеко не все из этих 300 тысяч тонн попадут на свободный рынок. Самостоятельную переработку планирует, например, Китай. Но в любом случае, можно понять, что это колоссальные деньги и ресурсы! Когда ОЯТ уже есть, его надо перерабатывать. Альтернатива переработке одна - дорогостоящее и сложное хранение на фоне постоянно деградирующего состояния выгруженных сборок (коррозия оболочек, повышающийся риск разгерметизации и так далее).

Итак, ОЯТ - это жёстко привязанные к отрасли деньги, и весь вопрос теперь заключается в том, кто вперёд сможет выйти на этот рынок.

Это очень хорошо понимают в группе AREVA. Французы уже заключили соглашение с китайской атомной корпорацией для оценки технико-экономического проекта большого завода по переработке топлива. Этот завод нужен Китаю для собственных нужд, а не для выхода на рынок. Производительность завода составит 1000-2000 тонн ОЯТ в год.

Китайцам никто пока не предлагает таких услуг, кроме французов. Более того, AREVA выполнила для них технико-экономическое обоснование завода по производству МОХ-топлива, естественно, по французской технологии. Пока это этап ТЭО, и пока этот рынок для нас не закрыт.

Когда Вы говорите о китайском заводе, то Вы имеете в виду МОХ-топливо для тепловых реакторов?

В первую очередь, для них. Но у Китая есть большие планы и на быстрые реакторы с MOX-топливом.

Примерно такая же ситуация складывается сейчас, как ни странно, и в США. С одной стороны, они строят завод по утилизации плутония в Саванна-Ривер, где будет изготавливаться MOX-топливо для тепловых реакторов, причём этот завод - практически полная копия завода MELOX. С другой стороны, та же группа AREVA в кооперации с японскими компаниями Mitsubishi и JNFL и рядом американских партнёров имеет контракт с министерством энергетики США на разработку концепции стратегии развития американского топливного цикла. Как говорится, оцените подачу!

Де-факто в мире осталось только 2-3 страны, сумевших избежать влияния французов. Это Россия, Индия и Южная Корея.

Планы России

Теперь перейдём к России. У нас перед переработкой поставлена следующая главная цель - возврат в топливный цикл плутония. По урану имеются вопросы, надо ли его возвращать в обозримом будущем, поскольку у нас имеется запас отвального урана с обогатительных заводов. Здесь придётся считать экономику.

Но по плутонию у нас есть полная ясность. Он образуется в тепловых реакторах и должен служить топливом для быстрых. Поэтому нам имеет смысл перерабатывать наши запасы ОЯТ и ставить на выходе завод по производству МОХ-топлива.

С нашей точки зрения, неэффективно делать тепловое МОХ-топливо, поскольку это приводит к быстрой деградации плутония - уже после первого цикла в нём образуется слишком большое количество неделящихся изотопов. С этим столкнулись, в частности, французы. Сначала они приняли политическое решение загрузить тепловые реакторы МОХ-топливом, а теперь ломают голову над тем, что же делать с повторным плутонием.

То есть, никаких идей у них на этот счёт нет?

Они его не перерабатывают. Проходит один цикл переработки, а дальше ОЯТ идёт на хранение.

Тем не менее, если говорить о французах, то завод MELOX сейчас переводится на полную проектную производительность в 200 тонн в год. Свои заказы французам расширили японцы, в частности, заключили долгосрочный контракт, несмотря на то, что сами строят завод, аналогичный MELOX, и должны пустить его в 2013 году.

Что касается России, я повторюсь, что у нас перевод тепловых реакторов на МОХ-топливо считается недостаточно обоснованным как с экономической точки зрения, так и с точки зрения использования ресурсов. Для расширенного воспроизводства плутония потребуются, всё-таки, быстрые реакторы. Причём если в БН-800 КВ будет близок к единице из-за политических нагрузок, то в последующих бридерах реально получать КВ порядка 1,4-1,6.

Справедливости ради, можно добавить, что для России в будущем может рассматриваться как одна из опций так называемый поздний перевод тепловых реакторов на MOX-топливо. Это может случиться в том случае, если запасы ²³⁵U станут малы, а у наших тепловых реакторов ещё сохранится ресурс работы.

Приступать к переработке ОЯТ нам нужно тогда, когда возникает потребность в плутонии. Из всего вышесказанного следует, что будущий завод по переработке - это РТ-2 или РТ-3 - должен быть готов к 2025-2030 годам, и это позволит нам вовремя получить достаточное количество плутония для пуска большой серии быстрых реакторов.

Но до этого завода у нас будет реализовываться программа опытно-демонстрационного центра в Красноярске. Это центр для отработки традиционных методов, в первую очередь, водных. Производительность его может быть до 100 тонн ОЯТ в год, но нужно помнить, что это не валовая, а пиковая производительность. Базовой площадкой, по всей видимости, станет Железногорск.

Насколько мы понимаем, наш разговор переходит к сухим методам?

Нет ещё, не переходит, потому что завод, о котором я упомянул, будет на основе традиционных водных подходов. Его отличие заключается в том, что на нём предполагается применять специальную технологию, при которой все отходы будут отверждаться на выходе.

Уйдут в прошлое сбросы жидких отходов. Вместо них будут цементы и стёкла, которые можно сначала контролируемо хранить, а потом собирать в массивы и погружать на большие глубины для окончательного захоронения.

Сухие методы

А сухие методы?

Сухие методы переработки развиваются в НИИАР для быстрого топлива. Базовой технологией является переработка и производство топлива с использованием расплавленных солей.

Это среды, которые высокоустойчивы к облучению, к температуре исходного топлива, с ними можно работать с концентрированными системами. С этой точки зрения, не целесообразно перерабатывать тепловое топливо в солях. Понимаете, тепловое топливо, по сравнению с быстрым, очень разбавлено, и балластный уран в нём составляет до 97%. А в топливо быстрых реакторов загружается 20% плутония, выгорание в них большое, и топливо является сильно концентрированным.

Если остановиться на нашей технологии переработки поподробнее, то мы используем в качестве растворителя не воду, а хлоридные расплавленные соли. Выбираем мы для этого довольно простые вещества - например, хлористый натрий (он же поваренная соль) и хлориды некоторых других щелочных металлов, таких как калий или цезий. Процессы идут при высоких температурах, доходящих до 600°C.

В настоящее время у нас есть методика с использованием этих солей для производства и переработки МОХ-топлива для быстрых реакторов.

То есть, вы в ванну складываете порубленное топливо, заливаете расплав, ставите электроды…

Только не расплав. Мы засыпаем сухую соль. При комнатной температуре это твёрдая система, которая никуда не утечёт и не рассыплется. У неё температура плавления порядка 500°C.

По солям есть различные комбинации. Можно подобрать низкотемпературную смесь с температурой плавления 400°C, но она окажется сложной в обращении, поскольку будет содержать гигроскопичный на воздухе хлористый литий, и камеру придётся очищать намного тщательнее.

Сравните наш процесс с непрерывными водными процессами. В последнем случае, это большой каскад аппаратов, куда заливается исходный раствор, где последовательно из аппарата в аппарат идут реакции и на выходе получаются несколько фракций, обогащённых по тому или иному компоненту, а также большие объёмы водных растворов. Поэтому когда предлагаются водные технологии для ликвидации жидких отходов, то обязательно планируется упаривание - достаточно высокоэнергетичный процесс.

Французы на своём нынешнем заводе, который давно построен, часть отходов сливают в океан. Речь идёт от low-low-level waste. По-русски это будет "низко-низко-радиоактивные отходы", хотя такой конкретно классификации у нас в России нет. Это отходы, которые более разбавлены, чем традиционные низкоактивные. По этой причине заводы, которые строят французы, располагаются на берегу океана.

Компактно и эффективно

Итак, НИИАР занимается быстрой переработкой - сухими методами для быстрых реакторов. Вы знаете, что в отрасли принято важное решение, и для строящегося БН-800 для производства топлива - для производства, не переработки! - уже выбрана как базовая наша технология с использованием расплавленных солей.

В отличие от традиционного таблеточного подхода, когда из очень мелкого, мелкодисперсного порошка прессуются таблетки и затем загружаются в твэл, мы производим сразу порошок специального качества - мелкокристаллический гранулят с высокой степенью плотности и твёрдости частиц. Затем мы комбинируем по крупности частиц и засыпаем в твэл, минуя операцию по изготовлению таблеток.

Не придётся ли вам досыпать, скажем, уран? Пироэлектрохимический процесс позволяет производить обогащение и разделяет ли он плутоний и уран?

Абсолютно любая химия разделяет плутоний и уран. И когда вам говорят, что есть технология, которая гарантирует неразделение, то на самом деле это возможно лишь при строгом соблюдении заданных параметров процесса. В любом химическим процессе можно подобрать условия, при которых плутоний и уран, как элементы с разными химическими свойствами, разделятся.

Но вы выделяете уран с плутонием вместе, потому, что сейчас это модно с точки зрения нераспространения, так?

Мы производим МОХ-топливо. МОХ-топливо - это смесь оксидов урана и плутония, и мы производим его электролизом на катоде. Процентное соотношение урана и плутония варьировать можно. Мы управляем процессом очень тонко, например, из одного и того же состава расплава мы можем получать разные составы МОХ-топлива на катоде. Хотя штатным для нас является топливо с 20% плутония, мы проводили эксперименты и по получению МОХ-топлива теплового качества, с 5-8% плутония в уране.

На каком уровне у вас находятся эти работы? Это эксперименты, НИОКР?

Переработка на уровне экспериментов. Производство у нас уже реализовано в полупромышленном масштабе, на уровне полномасштабного лабораторного производства. У нас есть установка в горячей камере, где в один цикл мы можем загружать 2 ТВС реактора БОР-60.

Реактор БОР-60 расположен на нашей площадке и находится на нашем содержании, то есть, топливо для него производит НИИАР, и в будущем мы планируем перевести его на полную переработку.

Следующий вопрос. Вы предлагаете связку пироэлектрохимического метода и вибротоплива?

Да. В настоящее время это связанные технологии. Хотя, химия и вибротехнология - это разные вещи, но пока они выступают в связке, причём это изначально закладывалось отцами-основателями такой технологии в 60-ых годах.

Мы реализовали эту связку в дистанционных условиях, то есть, работы ведутся не руками и не в перчаточных боксах, а манипуляторами в защитных камерах. Следовательно, нам достаточно очищать топливо только до требований реактора. Между прочим, в водных процессах топливо очищается до уровня, когда с ним становится возможным работать руками, поскольку это одно из требований таблеточной технологии.

В нашей технологии достаточно очистить топливо от продуктов деления примерно в 100 раз. При этом оно остаётся высокорадиоактивным, то есть с ним невозможно работать руками - и это, кстати, дополнительный фактор защищённости от несанкционированного доступа.

В НИИАР будет испытываться линия третьего поколения, созданная в кооперации с немецкими фирмами и полностью роботизированная. В горячей камере порошки будут набираться, дозироваться, всё это будет взвешиваться и контролироваться дистанционно.

С немцами у вашего института связь историческая?

Да, действительно, наше сотрудничество с немцами началось ещё во времена ГДР - в 70-ые годы, когда была построена первая установка "Орёл".

Мы давно закупаем манипуляторы у высококачественного производителя "Hans Walischmiller GmbH". Кстати, эта компания поставляет своё оборудование по всему миру - например, в ЮАР многие горячие камеры оснащены теми же манипуляторами. После образования Германии мы переоформили сотрудничество с этой фирмой, и они сделали для нас роботизированную линию горячих камер третьего поколения по изготовлению твэлов.

Поколения в нашем случае прямо сказываются на требуемых площадях. Наша самая первая линия занимала 25 метров в длину и имела 8 смотровых систем. Сейчас линия для производства твэлов для БН-800 - уже не для БОР-60! - занимает всего лишь 6 метров и имеет более высокую производительность. Компактно и эффективно.

Пристанционный цикл

Есть мнение, что если производство становится настолько компактным, то оно может стать пристанционным.

Да. Это одна из наших концепций, которая соответствует концепции реактора БРЕСТ. Мы тоже участвовали в топливном цикле и испытывали расплав нитридного топлива реактора БРЕСТ.

Но если на каждой станции будут себе нарабатывать топливо, то не скажется ли это на экономике?

Экономику надо считать. Мы делали технико-экономические исследования как с японцами, так и с нашими институтами по оценке завода пристанционного цикла для двух реакторов БН-800. Это весьма компактное производство, и его затраты составят не больше 10% от капитальной стоимости двух реакторов. А 10% сравнимо с инвестиционной неопределённостью стоимости проекта.

Всё равно на станции будет храниться топливо и будет контролируемое высокоактивное хранилище. Так почему бы не пристроить цепочку камер и не перерабатывать в них топливо? Технически это возможно, а экономику надо считать.

Конечно, есть вопросы по безопасности, но есть и весомые аргументы "за". Прежде всего, исчезает логистика. Кроме того, любая станция сама по себе является высокозащищённым объектом. На ней есть хранилище свежего топлива, которое гораздо более привлекательно для злоумышленников.

Ещё одно важное достоинство пристанционного цикла - поскольку отсутствует транспортировка, то становится возможным перерабатывать горячее топливо. Разумеется, потребуется выждать распада йода - это 10, а лучше 20 периодов, иными словами, полгода максимум. Распадаются суперкороткоживущие изотопы, после чего можно ОЯТ перерабатывать. В расплавах мы ограничений по температуре топлива не имеем.

Кстати, французы пытались топливо с высоким выгоранием больше 50 ГВт×сут/т переработать по штатным технологиям. А у них предусмотрена рубка твэлов и нарубленные кусочки падают в растворитель, где находится раствор азотной кислоты. В результате у них это топливо вызвало вскипание раствора.

У солей таких проблем нет. Кроме этого, соли стойкие к облучению, и радиолиза для них не существует в принципе.

Судьба младших актинидов

Мы говорим с Вами сейчас об уране и плутонии, но ведь ещё такая неприятная вещь, как младшие актиниды.

И не только они. В ОЯТ имеются некоторые продукты деления, которые, сколько топливо ни храни, не высадятся. Это технеций и ¹²⁹I, начинают относить к этой группе и цезий со стронцием.

Но, конечно же, младшие актиниды - это самый трудный вопрос. Мы занимаемся этой проблемой в НИИАРе, и можно сказать, что мы едва ли не единственная организация, которая делает это на экспериментальном уровне. У нас для этого имеется собственная программа DOVITA.

Можно Вас попросить расшифровать это название?

Пожалуйста. D - dry technology, сухие технологии. O - oxide fuel, оксидное топливо. V - vibro pack technology, виброуплотнение. I - integrated, интеграционное расположение на площадке, пристанционный цикл. TA - трансмутация актинидов.

Сейчас мы эту программу расширили, так как не очевидно, что с точки зрения обращения с минорными актинидами вибротопливо станет наилучшим выходом из положения. Хотя соответствующие эксперименты у нас были сделаны, и мы можем получать оксидное вибротопливо с добавками минорных актинидов.

Как Вы говорили, на электродах осаждаются плутоний и уран…

И с ними идёт нептуний, а америций и кюрий копятся в расплаве. Несколько загрузок сделали, топливо убрали, а эти элементы остались в расплаве.

Мы можем создать условия, когда нептуний уйдет из системы раньше, но для быстрого реактора нептуний не является проблемой. Наиболее простой способ обращения с нептунием - это гомогенный рецикл, когда весь накапливаемый нептуний направляется на сжигание.

Теперь про америций с кюрием. Их надо выделять в качестве целевого продукта. Мы можем осаждать их оксиды в качестве отдельного порошка на дно тигля и использовать этот порошок как добавку в вибротопливо, поскольку он тоже кристаллический продукт. Такие мишени и такие твэлы нами сделаны и сейчас облучаются в БОР-60.

Если горячее ОЯТ быстро перерабатывается в пристанционном цикле, то америция в нём будет не слишком много, ведь ²⁴¹Pu не успеет распасться.

Тем не менее, содержание америция всё равно будет ненулевым. И есть ещё различные изотопы кюрия.

На самом деле, вопрос не в количестве младших актинидов, а в самом факте их присутствия. Французы пока что перегоняют их в стёкла, но это не решение для большого топливного цикла. И во Франции эту задачу планируют решать именно трансмутацией. Там разрабатываются различные подходы для сжигания миноров в быстрых реакторах и будущем топливном цикле.

К 2012 году пока успеваем

Младшие актиниды - задача на будущее, а сейчас перед НИИАРом стоит задача реализовать нашу технологию в варианте производства топлива для БН-800. Это будет делаться в кооперации с ГХК. Большая часть гранулята будет производиться там, порошок будет привозиться в НИИАР, и из него мы будем делать твэлы на месте.

Всех волнует вопрос, успеете ли до 2012 года.

До сих пор мы ещё находимся в ситуации, когда мы успеваем. Разумеется, если не будет какого-то форс-мажора, политического ли, финансового или технического. Хотя мы потеряли достаточно много времени на сложный тендер между традиционными и нетрадиционными технологиями.

Ваша технология достаточно отработана для промышленного использования? Она готова?

Здесь надо договориться о терминах. Это один из пунктов наших споров с оппонентами. Что считать готовой технологией? Если подойти консервативно и абстрактно, то технология не готова. Мы должны иметь производство, которое много лет проработало в режиме опытной эксплуатации, накопило статистику в объёме, большем, чем требуется станции и так далее. Но это ситуация утопическая, нигде в мире такого не бывает.

Те же французы пускали свой завод по переработке топлива, не имея полных решений по отходам. Они цех и горячую камеру по компактизации металлических отходов ввели через 15 лет после ввода завода! А до того времени они просто складировали эти отходы во временном хранилище. Потом доработали технологию, фактически, на деньги, вырученные от эксплуатации завода.

То же самое касается безопасности французского завода. Проанализируйте публикуемые выбросы жидких и газообразных отходов - увидите, что они ввели в эксплуатацию завод с очень сырой технологией и дорабатывали его на деньги от эксплуатации. Но там речь сразу шла о тысячах тонн ОЯТ, и ситуация была гораздо более сложная.

Мы же ведём речь об опытном производстве. 10-12 тонн МОХ-топлива - это не крупномасштабное производство, это опытный уровень. К его реализации мы готовы. Мы имеем все необходимые исходные данные, прототипы оборудования, технические проекты оборудования и готовы их воплотить.

Были ли испытания МОХ-сборок с вибротопливом?

Да, конечно. 30 ТВС облучены и завершают облучаться в БН-600. Они стояли до штатного выгорания 10-11%. Причём, в отличие от ввода в эксплуатацию уранового топлива, когда постепенно повышалось выгорание, наше топливо сразу было поставлено в штатные условия. Это тот лимит, который нам был задан станцией и концерном для обоснования технологии. Результаты сейчас обрабатываются.

Большое спасибо, Михаил Валентинович, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 20.02.2009

Темы: ОЯТ, НИИАР, Вибротопливо, Интервью, Михаил Кормилицын