Ученые получили сведения для создания технологии переработки ядерного топлива

13:20, 2 февраля 2021

Технология позволит повторно использовать уран и плутоний в ядерных реакторах

Валерий Смоленский: отработавшее ядерное топливо, предназначенное для повторного использования, должно быть чистым. Фото из личного архива Валерия Смоленского.

Ученые получили фундаментальные сведения, полезные для создания передовой технологии переработки (регенерации) отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). С помощью этой технологии ОЯТ можно повторно использовать на атомных электростанциях (АЭС). Это крайне важно, так как залежи урана — основного компонента отработавшего ядерного топлива — в природе невелики. Открытие химики сделали, работая над проблемой разделения актинидов и лантаноидов в хлоридных расплавах. Статья о проведенных исследованиях и полученных результатах опубликована в The Journal of Chemical Thermodynamics.

Цель ученых — разработка пирохимического способа переработки отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах с последующим извлечением и повторным использованием урана и плутония в ядерных реакторах, в том числе в реакторах на быстрых нейтронах. Последние относятся к актинидам. Для восстановления ядерно-физических свойств топлива необходима его очистка от «мешающих» процессу продуктов деления. В первую очередь это лантаноиды. Также удалять нужно наиболее опасные элементы — цезий и технеций.

В связи с этим химики изучают электрохимические и термодинамические свойства соединений церия — одного из основных продуктов деления из группы лантаноидов — в расплаве хлоридов лития и калия эвтектического состава. Этот расплав, применяемый в качестве растворителя, характеризуется экономичностью и низкой температурой плавления. Оптимальная рабочая температура расплава — 450–500°С: увеличение температуры приводит к летучести хлорида лития, кроме того, ухудшается коррозионная стойкость оборудования и повышаются энергозатраты.

Значение проведенных исследований объясняет Валерий Смоленский, главный научный сотрудник лаборатории радиохимии ИВТЭ УрО РАН, старший научный сотрудник научной лаборатории «Пирохимические технологии и материалы замкнутого ядерного топливного цикла» УрФУ и ИВТЭ УрО РАН.

«В процессе работы АЭС в результате ядерных реакций образуются разнообразные осколочные элементы, которые обладают разной степенью активности и продолжительности жизни. Наиболее опасными из них являются изотопы цезия и других лантаноидов, а также технеция, молибдена, вольфрама, ряда благородных металлов. Среди опасных элементов и минор-актиниды — нептуний, америций, кюрий. Лантаноиды в ходе работы ядерного реактора образуют лишь несколько процентов от объема топлива, но при этом они высокоактивны, опасны и являются так называемыми „нейтронными ядами“, то есть поглощают поток нейтронов. Это приводит к снижению эффективности и безопасности работы реактора», — констатирует ученый.

По словам Валерия Смоленского, регенерированное отработавшее ядерное топливо, предназначенное для повторного использования на АЭС и загрузки в реакторы, должно быть «чистым» и не содержать осколочных элементов. Поэтому уран и плутоний, входящие в состав топлива, необходимо отделять от продуктов деления, в частности от лантаноидов, включая церий. Кроме того, в странах, активно генерирующих и использующих атомную энергию, в том числе в России, существует проблема накопления отходов ядерного производства: их хранение опасно и затратно, а возможности для складирования ограничены. Этим также вызвана разработка технологий переработки отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах. В нашей стране задачу переработки отходов ядерного производства предполагается решить созданием жидкосолевого реактора-дожигателя, в котором будет происходить трансмутация высокоактивных и наиболее опасных продуктов деления в неактивные или короткоживущие элементы.

Для переработки низкоактивного топлива с большим временем выдержки в настоящее время применяется PUREX-процесс, основанный на использовании гидрометаллургических методов. Регенерацию высокоактивного топлива с малым временем выдержки необходимо проводить в радиационно-устойчивых средах, таких как солевые и металлические расплавы.

«Физико-химические и электрохимические характеристики актинидов и лантаноидов близки, и важно знать их фундаментальные свойства в расплавленных солевых и металлических фазах. Первый этап наших исследований заключался в изучении электрохимических свойств бескислородных ионов церия в хлоридных расплавах. На втором этапе мы изучали взаимодействие ионов церия с кислородом в расплавленной эвтектике хлоридов лития и калия», — рассказывает Валерий Смоленский.

В настоящее время при переработке ОЯТ используется в основном МОХ-топливо реакторов на тепловых нейтронах, состоящее из оксидов урана или смешанных оксидов урана и плутония. Образовавшиеся продукты деления также присутствуют в МОХ-топливе в основном в виде оксидов. Поэтому в процессе регенерации необходимо знание как электрохимических, так и термодинамических свойств кислородных и бескислородных соединений осколочных элементов, в том числе церия.

«В качестве источника кислорода мы использовали оксид лития, его введение в расплав приводило к образованию двух нерастворимых соединений церия — его оксихлорида и оксида. Таким образом, мы установили механизм взаимодействия между ионами кислорода и ионами церия, рассчитали термодинамические характеристики и растворимость кислородсодержащих соединений церия, выявили области существования кислородных и бескислородных соединений церия. Полученные результаты необходимы при создании инновационных технологий переработки отработавшего ядерного топлива, как смешанного оксидного, так и плотного — металлического или нитридного», — заключает Валерий Смоленский.

Над созданием технологии работают ученые УрФУ, Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, Харбинского инженерного университета (Китай).

Справка

Разработка пирохимического способа переработки ядерного топлива и создание жидкосолевых реакторов — одно из стратегических направлений деятельности Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня, созданного в конце 2020 года по инициативе Уральского отделения РАН, Уральского федерального университета, других университетов, а также органов власти и предприятий Урала и по распоряжению Правительства РФ.