-Разработка инженерно-физических основ и апробация метода плазменной сепарации для создания технологий переработки отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов

В настоящее время одной из актуальных задач атомной энергетики является переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), необходимая для перехода к замкнутому топливному циклу с целью более полного вовлечения ресурсов топлива реакторов за счет выделения минорных актиноидов для повторного использования рефабрикованного топлива. Другим, не менее важным побудительным мотивом создания и внедрения такой технологии являются требования экологии, направленные на сокращение захороняемых радиоактивных отходов, а также объема перевозок высокоактивных отходов. Следует отметить, что любая гражданская технология переработки ОЯТ должна удовлетворять требованию нераспространения ядерного оружия, т.е. обязана не допустить выделения плутония, в том числе и путем изменения режимов работы оборудования. Потенциально вышеперечисленным требованиям отвечает обсуждаемая в последнее время плазменная сепарация ОЯТ. Основной целью проекта является создание инженерно-физических основ и апробация метода плазменной сепарации для технологий переработки ОЯТ и/или радиоактивных отходов (РАО) и решения задач замыкания ядерного топливного цикла. Такая цель подразумевает решение физических проблем, связанных с переводом конденсированного вещества в плазменное состояние, разделением плазменных потоков, прежде всего урана и продуктов его деления, и сбором сепарированного вещества. Изучение разделения именно плазменных потоков, а не чисто ионных, связано с необходимостью компенсировать объемный заряд и, тем самым, обеспечить производительность метода, приемлемую для технологического использования в ядерной отрасли. Основными задачами проекта являются:—Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование параметров буферной плазмы в магнитном поле при наличии погруженных в нее электродов, задающих электростатический потенциал. —Экспериментальное и расчетно-теоретическое изучение движения плазменных потоков сепарируемого вещества в буферной плазме в магнитном и электрическом полях. —Исследование осаждения сепарированного вещества на коллекторы. —Модернизация высокочастотного блока генерации экспериментального стенда для отработки метода плазменной сепарции. Кроме перечисленных задач в рамках проекта планируется начать проработку концепции технологического процесса переработки ОЯТ и/или РАО методами плазменной сепарации.Результаты, которые предполагается получить в ходе проекта, являются новыми. Одной из причин этого является тот факт, что метод плазменной сепарации, предлагаемый в данном проекте, отличается от представленных в научных работах российских и зарубежных коллег.Проект ориентирован на решение такой актуальной на сегодняшний день задачи атомной энергетики как переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и/или радиоактивных отходов (РАО). Для ее решения в настоящее время разрабатываются многообещающие газофторидные и пироэлектрохимические технологии, а также плазменные способы переработки. К потенциальным достоинствам плазменных методов сепарации, делающих целесообразным проведение работ по созданию промышленных плазменных технологий переработки ОЯТ или РАО, следует отнести малое количество дополнительных отходов, возможность адаптации под разные типы ОЯТ и РАО, а также возможности встраивания в уже существующие и проектируемые циклы переработки материалов и варьирования масштабов переработки от пристанционных до заводских в рамках крупных центров. Отдельно следует упомянуть важную особенность обсуждаемых плазменных методов – недостаточную для разделения минорных актиноидов между собой избирательность. Именно такая «грубость» подхода позволяет получить гражданскую технологию переработки, удовлетворяющую условиям нераспространения ядерного оружия. Оценки энергоэффективности плазменной переработки ОЯТ реактора электрической мощностью 1 ГВт дают значения менее 0,5 % от собственной мощности, что существенно меньше энергетических расходов на собственные нужды реактора. Таким образом, создание инженерно-физических основ и апробация метода плазменной сепарации для технологий переработки отработавшего ядерного топлива и/или радиоактивных отходов и решения задач замыкания ядерного топливного цикла, – основная цель как Проекта 2014, так и Проекта 2017, – остается крайне актуальной проблемой.Для ее решения необходимо ответить на целый ряд физических и инженерных вопросов, связанных с переводом в плазменное состояние твердого вещества ОЯТ, с движением и пространственным разделением в электрическом и магнитном полях плазменных потоков, содержащих ионы разных масс, с осаждением сепарированного вещества на коллекторы. Результаты Проекта 2014 позволили значительно продвинуться в прояснении сформулированных вопросов, однако исследования по целому ряду фундаментальных научных задач, связанных с изучением суперпозиции геликонного и отражательного разрядов; вакуумного дугового разряда; созданием, движением и осаждением пучков сепарируемых веществ, еще необходимо провести.Следует также отметить, что с точки зрения практического применения, результаты, получаемые в ходе реализации проекта, представляют интерес также и для других задач атомной отрасли, например, высокопроизводительного выделения изотопов легких элементов, например, азот-15.