Топливо будущих поколений

19.10.15 11:40

Атомное подземелье

 

В советские времена даже краевой центр Красноярск считался «условно закрытым» городом. Что уж говорить о городе-спутнике атомного комбината — Красноярске-26, который в обиходе именовали «девяткой» (от почтового адреса П/Я № 9)?

 

Жители города знали, что в нем расположены два крупных предприятия атомной и космической отрасли. Но о том, что на самом деле производят внутри огромной горы, куда каждый день въезжают электропоезда с работниками, имел представление далеко не каждый житель Красноярска-26 (ныне это ЗАТО Росатома — город Железногорск со стотысячным населением).

 

В горе скрыт целый «город» со своими «улицами» и перекрестками — это реакторный и радиохимический заводы, где производили оружейный плутоний для советского «ядерного щита».

 

Когда в середине прошлого века реактор «А» на челябинском комбинате «Маяк» успешно опробовал наработку плутония, встал вопрос о создании производства в промышленных масштабах. В Сибири определились сразу две площадки: под Томском и Красноярском. Куратор «атомного проекта» Лаврентий Берия поначалу воспротивился созданию завода внутри горы — уж очень дорогостоящим получался проект. Но тут будущий академик Анатолий Александров предложил новую модификацию реактора-наработчика (тип АД), который удобнее было разместить именно здесь. И Берия пересмотрел свое мнение — с целью укрытия от воздушного нападения Комбинат №815 было решено разместить под землей.

 

По своим размерам подземное сооружение не имеет аналогов в мире. Залы достигают 60-метровой высоты, а над ними — пласт горных пород толщиной 200–250 метров. Комбинат способен выдержать прямой удар ядерной боеголовкой. На случай, если атомная бомба взорвется у самого входа, в тоннеле устроена специальная камера для гашения ударной волны.

 

Участники совещания на остановленном реакторе АДЭ-2. Справа в переносном ящике — имитаторы топлива: цилиндрические блоки с ураном в алюминиевой оболочке.

Плутоний — Родине

 

Первые реакторы-наработчики плутония АД и АДЭ-1 (уран-графитовые канальные на тепловых нейтронах) начали работу в 1958 и 1961 гг., а завершили в 1992 г. Они работали в проточном режиме: охлаждающая реакторы вода сливалась в реку Енисей через бассейн выдержки.

 

Третий реактор АДЭ-2 отработал с января 1964 г. по апрель 2010 г. Целых 46 лет — ни один промышленный реактор в мире не прослужил так долго. К тому же он был двухцелевым: помимо наработки оружейного плутония, вырабатывал электроэнергию на подземной ТЭЦ, обеспечивал отопление и горячее водоснабжение Железногорска. Соответственно, тепло от реакторного контура уже не уходило без пользы в Енисей, а по двум контурам передавалось на турбину и теплофикационную установку.

 

В графитовой кладке реактора располагаются тысячи технологических каналов. В каждый канал загружались стандартные урановые блоки (СУБ) цилиндрической формы: оболочка из алюминия, а внутри природный уран. Для выравнивания нейтронного поля по активной зоне, ближе к периферии часть каналов загружалась блочками с обогащенным ураном. По завершении периода наработки в нижней части реактора робот-гайковерт открывал каналы, цилиндрики ссыпались в большую воронку и потоком воды перемещались в бассейн выдержки, и далее — на соседний, тоже подгорный, радиохимический завод. Там алюминиевая оболочка растворялась щелочью, уран-плутониевая начинка — кислотой… В результате многоступенчатых и сложных химических процессов переработки получались твердая соль урана в виде плава и диоксид плутония оружейного качества.

 

«Мокрое» хранилище ОЯТ реакторов ВВЭР-1000. Бокс для отмывки поступивших контейнеров с ОЯТ реакторов ВВЭР-1000.

Сейчас АДЭ-2 находится «в эксплуатации в режиме окончательного останова» (аналогично 1-му и 2-му энергоблокам Белоярской АЭС). Радиохимический завод также готовится к выводу из эксплуатации, а в части комплекса разворачивается новое производство МОКС-топлива для реактора БН-800.

 

Подводное царство

 

Многие ли представляют, что следует за стандартной фразой: «Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) отправляется с АЭС на хранение и переработку»? Ответ на этот вопрос находится на площадке изотопно-химического завода Красноярского ГХК. Здесь действуют два хранилища ОЯТ, использующих новейшие, а по ряду критериев уникальные технологии.

 

«Мокрое» хранилище принимает отработавшее топливо реакторов ВВЭР-1000. Жд-транспортер привозит 100-тонный контейнер из нержавейки. Внутри — сборки с ОЯТ. После выгрузки из реактора они уже отстоялись несколько лет в бассейне выдержки АЭС, но все равно продолжают выделять тепло, и в пути их температура достигает 80°C. Контейнер постепенно заполняют водой, чтобы охладить сборки до уровня температуры в хранилище. Затем, опять же под слоем воды, сборки перегружают в ячейки тары для хранения и устанавливают в отсек хранилища. Контейнер моют и направляют на дальнейшие перевозки. Все транспортные операции скомпонованы на маленьком «пятачке» пространства хранилища.

 

В отличие от зарубежных аналогов, бассейн хранилища разделен на независимые отсеки, что позволяет переставлять топливо и производить ремонты, и закрыт сверху «щелевым перекрытием». Еще до событий на АЭС Фукусима-2 на ГХК провели реконструкцию «мокрого» хранилища, модернизировали все, плюс существенно повысили сейсмостойкость. А после японской трагедии генеральный директор Росатома Сергей Кириенко поручил руководителю ГХК Петру Гаврилову разработать дополнительные меры безопасности на случай самых невероятных ситуаций.

 

В результате была разработана и внедрена «система орошения» — в гипотетическом случае полного ухода воды включается «холодный душ», куда вода поступает самотеком, и топливо не перегревается.

 

Кстати, вода в отсеках хранилища специально подготовленная, «би-дистиллят» — дважды дистиллированная вода. Сборки здесь хранятся от 10 до 30 лет. В дальнейшем они будут переведены в сухое хранилище, а затем — переработаны.

 

«Сухое» хранилище ОЯТ реакторов РБМК-1000. Железнодорожный транспортер с металлобетонным контейнером под колпаком, на заднем плане — сам металлобетонный контейнер с ОЯТ, на переднем плане — траверса для перемещения контейнеров с ОЯТ.

В сухости и прохладе

 

Уникальным по мировым меркам считается сухое хранилище для ОЯТ реакторов РБМК-1000. В отличие от других стран, где топливо просто хранят в бетонных контейнерах на открытых площадках, здесь технология более совершенная. ОЯТ прибывает на жд-транспортерах в металлобетонных контейнерах, которые вдобавок накрыты бетонным колпаком. Температура топлива тоже порядка 90°C. ОЯТ находится в металлических ампулах. Контейнер заводят под «горячую камеру», вскрывают, перегружают ампулы в пенал для хранения. Внутрь герметично закрытого пенала закачана смесь инертных газов, предохраняющая от коррозии. Пеналы по два (один на другой) устанавливают в ячейки хранилища. Охлаждаются ячейки естественной циркуляцией воздуха. Просто, безопасно, надежно и во много раз дешевле «мокрого». Размеры хранилища рассчитаны на весь оставшийся срок работы всех российских реакторов РБМК (новые реакторы такого типа уже не строят). 

 

ОЯТ и топливо будущего

 

Хранилища ОЯТ соответствуют жестким современным нормам безопасности. Например, они рассчитаны на 10-балльное землетрясение: если такое вдруг случится, то все вокруг будет сметено с лица земли, а вот хранилище останется стоять. 

 

«Мокрое» хранилище ОЯТ реакторов ВВЭР-1000. Бокс перегрузки сборок с ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 из транспортного контейнера в хранилище. Операции производятся под водой.

Гарантийный срок эксплуатации хранилищ — 50 лет, расчетный — 100 лет. Но вечно хранить отработавшее ядерное топливо никто не собирается. Ведь ОЯТ — это не отход, а топливо будущих поколений. На Красноярском ГХК строится опытно-демонстрационный центр (ОДЦ) по радиохимической переработке ОЯТ: его пусковой комплекс должен вступить в строй уже к концу 2015 г. От уже известных (в т.ч. зарубежных) технологий переработки ОЯТ он отличается множеством «ноу-хау», которые позволят, например, практически полностью исключить образование жидких радиоактивных отходов и значительно снизить образование твердых.

 

В результате переработки ОЯТ будут получаться полезные продукты: закись-окись урана, смесь оксидов урана и плутония, актиниды. Уран-плутониевая смесь пригодится в производстве свежего МОКС-топлива. Лишь небольшую часть от переработки ОЯТ составят продукты деления: они будут направлены на окончательную изоляцию в остеклованном виде. В этом и суть замкнутого топливного цикла: мизер радиоактивных отходов, а основная часть ОЯТ идет на повторное использование.

 

«Сухое» хранилище ОЯТ реакторов РБМК-1000. Пункт управления операциями в «горячей камере» по перегрузке ОЯТ из транспортного контейнера в пеналы для хранения.

После отработки новой технологии на ОДЦ будет построен большой завод РТ-2, который займется переработкой топлива в промышленных масштабах. Первым «новую жизнь» обретет ОЯТ реакторов ВВЭР-1000, впоследствии настанет очередь РБМК-1000.

 

«Туннельный» эффект

 

Предыдущий завод РТ-2, который начинал строиться на ГХК в советское время (ныне демонтирован), не мог похвастать такой чистотой технологий. Для изоляции его жидких радиоактивных отходов был построен отдельный полигон «Западный». Подходящая геологическая структура «линза» была обнаружена на другом берегу Енисея, и чтобы безопасно передать туда ЖРО, под рекой на глубине 50 метров был проложен двухуровневый тоннель семиметровой высоты, длиной свыше двух километров. По нижнему уровню должны были проходить трубы для перекачки ЖРО, по верхнему — ездить автомобили.

 

«Сухое» хранилище ОЯТ реакторов РБМК-1000. Под каждым из «кругов» в полу — по два установленных друг на друга пенала с ОЯТ.

Настали 1990-е годы, завод не был достроен, затем были созданы новые технологии, которые исключили образование ЖРО, и тоннель, как и полигон «Западный», не пригодились по прямому назначению.

 

Внутри тоннеля царит «пещерный» микроклимат: по стенам сочится влага, температура стабильно невысокая, темноту рассеивает цепочка светильников. Ширина его не позволяет разъехаться двум машинам, поэтому редкое движение координируют посты охраны с двух берегов.

 

ГХК организовывал конкурс идей по возможным способам использования тоннеля. Предложения поступали самые разные: от «музея холодной войны» до завода по изготовлению сыра, от хранилища экзотических фруктов до пейнтбольного или дайвинг-центра.

 

Впрочем, главное, что по исходному назначению тоннель не будет востребован никогда: современные технологии переработки ОЯТ обходятся без образования жидких радиоактивных отходов.

 

Двухуровневый двухкилометровый тоннель под Енисеем. Здесь должны были проходить трубопроводы для перекачки жидких радиоактивных отходов. По современной технологии переработки ОЯТ такая операция уже не требуется.

«Кормильцы» БН-800

 

ГХК уверенно движется к созданию полного технологического комплекса обращения с ОЯТ и замыканию ядерно-топливного цикла. На одном предприятии сосредоточены сразу три ключевых этапа: хранение ОЯТ, его переработка и производство нового МОКС-топлива.

 

Производство МОКС-топлива расположилось в подземной части ГХК. Его технологические помещения разместились в ранее не использовавшихся свободных выработках на территории радиохимического завода. Они представляют собой череду камер и боксов, связанных транспортно-передаточными системами. Процессы максимально автоматизированы. Для очистки воздуха и сточных вод используется уже существующая и хорошо отлаженная инфраструктура радиохимического завода. Кроме того, оборудование «всеядно» — позволяет работать с высокофоновым плутонием, а значит — производить МОКС-ТВС из продуктов переработки долгохранящегося ОЯТ. 

 

Завод приступает к производству тепловыделяющих сборок с уран-плутониевым оксидным топливом для реактора БН-800. В мире МОКС-топливо известно и используется давно, однако впервые создано промышленное производство МОКС-топлива для быстрого реактора, которое заметно отличается от такого топлива для тепловых реакторов. Так что готовящийся к энергопуску БН-800 Белоярской АЭС, а в перспективе и серийные реакторы БН-1200 «голодными» не останутся.

 

Роман Топорков
Фото Красноярского ГХК

Читайте также: