Уральские ученые модернизировали процесс переработки ядерного топлива

12:56, 30 октября 2023

Новая технология экологичнее и дешевле аналогов

Уран, полученный после переработки отработанного ядерного топлива, можно использовать повторно. Фото: unsplash / Lukas Lehotsky.

Ученые УрФУ обнаружили, что использование галлия и индия может удешевить процесс пирохимической переработки ядерного топлива, сохранив при этом его эффективность. Данная технология подразумевает использование расплавленных солей и жидкого галлия для разделения компонентов отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Чтобы удешевить этот процесс, физики добавили индий — технология осталась такой же эффективной, но стоимость самой переработки снизилась. Результаты исследования позволят модернизировать современные методы переработки ОЯТ и сделать их более эффективными. Подробная информация об исследовании опубликована в Alloys.

«Один из вариантов переработки ОЯТ — это метод с использованием системы „солевой расплав — жидкометаллический сплав“. У этого метода много преимуществ, в частности, он ориентирован на переработку высокоактивного маловыдержанного ядерного топлива с высокой глубиной выгорания, которую нельзя осуществить с помощью других методов, например, водной технологии. Кроме того, он более безопасный в экологическом плане, так как количество радиоактивных отходов после переработки сокращается. При переработке топлива этим методом можно использовать галлий, однако мы обнаружили, что при добавлении индия эффективность переработки остается такой же высокой, однако стоимость процесса снижается», — поясняет ведущий инженер кафедры редких металлов и наноматериалов УрФУ Александр Дедюхин.

Отработавшее ядерное топливо в основном состоит из соединений урана, но в нем присутствуют плутоний и продукты деления. После растворения ОЯТ в солевом расплаве его приводят в контакт с жидким сплавом на основе галлия и индия, в результате чего происходит перераспределение компонентов — уран концентрируется в металле, а ненужные продукты деления остаются в соли. Использование металлических сплавов в рамках переработки ядерного топлива еще изучается, однако известно, что с помощью этой технологии можно сократить время выдержки радиоактивных отходов и сделать процесс быстрее и безопаснее для окружающей среды.

«Суть в чем — перед тем как переработать топливо, его подвергают выдержке, чтобы короткоживущие радионуклиды распались и активность вещества снизилась. Если перерабатывать недостаточно выдержанное топливо при помощи, например, водной технологии, то вода подвергается радиолизу, то есть разложению, и процесс идет неэффективно. А использование расплавленных солей с жидкометаллическими сплавами позволяет сократить время выдержки ядерного топлива. Ну, и опять же один из плюсов — это, как правило, меньший объем радиоактивных отходов по сравнению с водной технологией», — комментирует Александр Дедюхин.

Ученые провели эксперименты и создали три сплава на основе галлия и индия, в которых содержалось 21,8 %, 40 % и 70 % индия. Растворимость ядерного топлива ученые фиксировали при помощи метода осаждения, который подразумевает взятие проб насыщенного жидкометаллического раствора для проведения химического анализа. Исследование показало, что эффективность разделения урана и компонентов ядреного топлива при использовании сплавов на основе галлия и индия высокая, но несколько снижается при увеличении доли индия в сплаве.

Справка

Галлий — это серебристо-белый металл, который имеет высокую теплопроводность. Температура плавления галлия составляет 29,76 ℃, что делает его жидким при комнатной температуре. Из-за этого данный металл широко применяется в термометрах, а также в солнечных панелях, полупроводниковой промышленности, производстве светодиодов и как катализатор в различных химических технологиях, например, атомной промышленности.

Индий — это мягкий серебристо-белый металл с низкой температурой плавления и высокой электропроводностью. Основными источниками индия являются руды цинка, олова и железа. Индий является важным элементом в электронике, оптике и других промышленных секторах. Благодаря своим уникальным свойствам он находит применение при разработке современной микроэлектроники.

Сергей Лукьянченко