Владимир Смыков о том, как обезвреживается реакторный натрий. Уникальные и секретные разработки ФЭИ на службе мирного атома
Владимир Борисович СМЫКОВ работает в Физико-энергетическом
институте им.А.И. Лейпунского (АО «ГНЦ РФ - ФЭИ», входит в научный дивизион
Госкорпорации «Росатом») 47 лет. Закончил Московский энергетический институт в 1976
году, затем аспирантуру ГНЦ РФ - ФЭИ. Кандидат технических наук автор более 200
научных работ и 23 изобретений. Ещё на 5 курсе, когда проходил практику в ВТИ, заведующая
кафедрой ТВТ МЭИ профессор Ольга Исааковна Мартынова порекомендовала пойти на
работу в ФЭИ, так что за год до окончания вуза студент Смыков уже точно знал, что
будет работать в обнинском институте. В последние годы Владимир Борисович
занимается выводом из эксплуатации натриевых реакторов.
ВЫВОД РЕАКТОРОВ ИЗ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
- Есть поговорка: ломать не строить. С реакторами это не
так?
- Вывод из эксплуатации - неизбежная стадия жизненного цикла
любого атомного энергоблока или исследовательского реактора. Готовиться к
выводу нужно заранее - обеспечить необходимые ресурсы, разработать детальный
план и, самое главное, иметь эффективные, надёжные и безопасные технологии для
решения всех возникающих при выводе задач.
- Натриевые реакторы в этом плане не исключение?
- Быстрые натриевые реакторы в России давно освоены и
работают: БОР-60 с 1969 года (АО «ГНЦ НИИАР», г. Димитровград, Ульяновская обл.),
БН-600 с 1980 года, БН-800 с 2015 года (Белоярская АЭС, г. Заречный, Свердловская
обл.). И сегодня актуален вывод первых быстрых аппаратов. Идут работы по выводу
из эксплуатации реактора БН-350 (пущен в 1973 году) в казахстанском Актау, окончательно
остановленного в 2009 году. Давно остановлен японский быстрый реактор «Мондзю»
с его несчастливой судьбой, ведутся работы по выводу быстрых натриевых
аппаратов и в других странах.
- А что с обнинским реактором?
- В соответствии с Приказом по Минатому №130 от 05.03.1997
года в России полигоном для отработки технологий вывода быстрых натриевых
реакторов из эксплуатации является знаменитый обнинский быстрый реактор БР-10 в
ГНЦ РФ - ФЭИ, окончательно остановленный в 2002 году после 43 лет эксплуатации.
ВЕСЕЛЯЩИЙ ГАЗ ДЛЯ
РЕКТОРА
- Технологию отработали?
- Нейтрализацию недренируемых остатков натрия в оборудовании
осуществляют с помощью установки ЛУИЗА-РАО, в которой используется технология
газофазного окисления - применяется закись азота, известная также как веселящий
газ.
Успешную практическую проверку технология газофазного
окисления прошла при нейтрализации недренируемых остатков натрия в двух петлях
второго контура ИР БР-10 - баки-насосов, воздушные теплообменники, теплообменники
натрий-натрий, трубопроводы, сильфонные вентили и другое оборудование петель.
- Это разработка специалистов ГНЦ РФ - ФЭИ?
- Предложение обнинских специалистов по использованию закиси
азота впервые было сделано для французских коллег в Центре Кадараш (Франция) в
рамках проекта МНТЦ, но французские быстровики оказались иммунными к новым
идеям. А вот в ФЭИ профессор Юрий Ервандович Багдасаров, бывший научный
руководитель БР-10 (ныне покойный, к сожалению), сразу оценил все возможные
преимущества веселящего газа.
Среди прочего, при его взаимодействии с натрием конечными
продуктами реакции получаются газообразный азот и нитратные соли - иными
словами, защитная атмосфера и удобрения. В отличие от водных или спиртовых
технологий взрывоопасный водород не образуется. Соли на следующем шаге можно
безопасно растворить в воде и удалить из оборудования.
УТИЛИЗАЦИЯ
ХОЛОДНЫХ ЛОВУШЕК С РАДИОНУКЛИДАМИ
- Основной интерес у специалистов вызывает задача очистки на
газофазной установке холодных ловушек.
Что из себя представляет ловушка? Это двустенный сосуд
объёмом 200 литров с фильтрующей набивкой, в котором при эксплуатации медленно
циркулирует натрий, охлаждаемый до заданной температуры кипящим за стенкой
толуолом, что приводит к осаждению в ловушке примесей натрия. С точки зрения
утилизации, стенки могут выступить в качестве готового контейнера.
С помощью закиси азота и других газовых смесей обнинские
специалисты научились превращать содержимое холодной ловушки оксидов в
растворимые соли в безопасном виде, растворять их прямо в ловушке и цементировать.
В такой обезвреженной ловушке все радионуклиды остаются
внутри твёрдой матрицы. Следовательно, ловушку можно спокойно отправлять в
хранилище на захоронение.
- То есть, ловушки не безопасны и требуют специального
обращения?
- На сегодняшний день все холодные ловушки второго контура
БР-10 обезврежены, и при этом не было получено ни одного литра жидких
радиоактивных отходов (РАО).
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступили
в 2016 году. Одна из обезвреженных ловушек второго контура носит теперь статус
демонстрационной. Её зацементировали и вырезали окно во внешней стенке для
обозрения.
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступили
в 2016 году, к настоящему времени обезврежены 13 ловушек из 16.
- Обезвреживание ловушек - это долгий процесс?
- На обезвреживание ловушек второго контура у работников ИР
БР-10 в ГНЦ РФ - ФЭИ уходило до полугода (затраты на собственно процесс, без
учёта контрольных, транспортных, дозиметрических и иных вспомогательных
операций). Благодаря найденным химико-технологическим приёмам, это время
удалось сократить до двух месяцев.
Трёхкратное ускорение станет особенно заметным, когда
настанет время браться за обезвреживание ловушек натриевых энергоблоков.
- Что представляет из себя эта ловушка?
- Ловушки БН-350 - это конструкции 6 метров в высоту и 1
метр в диаметре, не считая теплоизоляции, объемом 3,5 м3 в то время как объём
ловушек БР-10 составляет всего лишь порядка 200 литров.
ОБОШЛИСЬ БЕЗ
СПИРТОВЫХ И ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, А ЗАОДНО БЕЗ ВЗРЫВА
- С 2002 года что-то изменилось в технологии вывода
реакторов из эксплуатации?
- Первый вариант проекта вывода БР-10 из эксплуатации был
готов накануне его окончательного останова в 2002 году. Но на тот момент
готовых технологий обращения с отработавшим жидкометаллическим теплоносителем
не имелось. Основной позицией ГНЦ РФ - ФЭИ являлся отказ от водных и спиртовых
технологий, потому что они приводят к большому выделению водорода.
- И, как следствие, вероятность взрыва?
- Да, во Франции на реакторе Рапсодия (Центр Кадараш в
Провансе) в ходе переработки спиртовой технологией остатков натрия в одном из
баков произошёл взрыв и погибли люди. Эти события укрепили специалистов ФЭИ в
той мысли, что необходимо разрабатывать безопасные и надёжные технологии без
выделения водорода.
ОБНИНСКИМ УЧЕНЫМ
УДАЛОСЬ ПРЕДЕЛЬНО ОБЕЗОПАСИТЬ ПРОЦЕСС
- Страшно представить, что могло случиться, если бы не
профессионализм и самоотверженность обнинских учёных, оставшихся на предприятии
после лихих девяностых.
- Почти 30 лет назад научно-конструкторская команда под
руководством профессора Владимира Михайловича Поплавского начала сотрудничать с
уральскими металлургами. Задача решалась интересная - создание
высокотемпературной печи с натриевым охлаждением для выплавки чугуна из отходов
крупномасштабной металлургии. В то время начальник химической лаборатории ГНЦ
РФ - ФЭИ Владимир Смыков работал в этом проекте на протяжении нескольких лет и
занимался расчётами и обоснованиями шлакового режима этой печи. По ходу работы
у него и родилась идея установки МИНЕРАЛ, а затем и МАГМА-ТФО для утилизации
натрия.
НАТРИЙ ПОДАЮТ
ПОРЦИЯМИ
- Как работает МАГМА-ТФО?
- ТФО в названии установки расшифровывается как
«твёрдофазное окисление». Для утилизации отработавшего натрия (отхода) используются
отходы из другой отрасли, а именно, гранулированный шлак медеплавильного
производства «Карабашмедь».
В результате работы установки МАГМА-ТФО натрий преобразуется
в твёрдый камень. Утилизация не сопровождается образованием жидких РАО и
практически отсутствует выделение водорода. Для сравнения, в водных технологиях
при растворении 1 кг натрия получается до 500 литров водорода.
- Коснулись ли санкции производства модуля?
- Всё оборудование модуля МАГМА-ТФО - отечественное. Принцип
работы установки простой. Реакционную ёмкость заполняют шлаком (на первых порах
его сеяли на фракции, потом перестали), ставят в печь и подают порциями натрий.
Внутри реакционной ёмкости происходит самопроизвольная
экзотермическая химическая реакция, температура поднимается до 1000-1200°C. В
результате образуется минералоподобный продукт, который не требует дальнейшей
переработки и может направляться на длительное хранение или захоронение. За
одну загрузку МАГМА-ТФО перерабатывает 50-60 литров натрия.
ПОЧЕМУ ПОЛИГОНОМ
СТАЛ ОБНИНСКИЙ РЕАКТОР?
- Почему было принято решение о создании полигона для
отработки технологий вывода быстрых натриевых реакторов именно здесь, на БР-10?
- Конечно, можно было бы устроить полигон по отработке
технологий вывода на энергетическом реакторе, но это обошлось бы «Росатому» в
миллиарды. Намного дешевле и удобнее вести отработку на маленьком реакторе, где
принципиальные проблемы точно такие же, как и на энергетических аппаратах.
- О безопасности жителей Обнинска, надеюсь, позаботились,
принимая решение?
- Естественно, предлагаемые технологии должны быть не просто
надёжными и безопасными и пригодными к масштабированию для последующего
переноса на энергоблоки с энергетическими быстрыми реакторами. В общей
сложности, на БР-10 за годы его эксплуатации скопилось порядка 18-19 кубометров
отработавших жидкометаллических теплоносителей общей активностью более 40 ТБк.
Утилизация таких объёмов вполне осуществима с использованием
опытно-промышленных установок, на основе которых в дальнейшем могут быть
сделаны установки промышленных масштабов. Наука даёт метод. Если метод был
признан и доказал свою эффективность и безопасность, то на его базе
разрабатываются различные способы его практической реализации. На последнем
этапе из разработанных способов выбирается наиболее подходящий, и на его базе
создаются технологии.
БЕЗ ФЭИ ВЫВОД
РЕАКТОРОВ БЫЛ БЫ НЕВОЗМОЖЕН
- БР-10, как полигон для отработки технологий вывода из
эксплуатации быстрых натриевых реакторов, позволяет в полной мере ощутить, что
такое научное руководство и в чём заключаются функции научного руководителя?
- Именно ГНЦ РФ - ФЭИ как научный руководитель быстрой
натриевой программы разбирался с тем, почему оказалась пригодной для
реакционных ёмкостей простая углеродистая сталь. Каким способом наиболее
эффективно и безопасно подавать натрий в шлак или шлак в натрий? Эти и другие
технологические проблемы были решены на стендах МИНЕРАЛ-3, МИНЕРАЛ-30, МИНЕРАЛ-50
и МАГМА-ТФО. Весь этот путь отражен в научных отчетах ГНЦ РФ - ФЭИ по созданию
технологии ТФО РАО щелочных металлов. Даже простой вывод трубы для отвода газов
из реакционной ёмкости претерпел около 20 изменений.
- Радует, что ученые уверены в надёжности технологии
вывода БР-10.
- Слово «надёжность» включает в себя множество мелочей и
деталей, но все они должны быть пройдены и прощупаны. Именно этим и занимается
обнинский институт как научный руководитель, и без его работы надёжной, эффективной
и безопасной технологии вывода быстрых натриевых реакторов из эксплуатации
создать невозможно.
- Натриевые реакторы продолжают строиться?
- В России на Белоярской АЭС успешно эксплуатируется в
течение 43 лет быстрый натриевый реактор БН-600, там же в 2015 году вступил в
строй его младший брат БН-800, планируется создание и строительство новых
быстрых натриевых аппаратов - БН-1200. В ГНЦ РФ - ФЭИ уверены, что всем
отечественным БН уготована долгая и плодотворная жизнь. Ну, а когда для них
наступит пора уходить на покой, то технологии, разработанные в Обнинске на БР-10,
позволят пройти этот важный этап как можно более безопасно и с меньшими
затратами.
Рената Белич