Владимир Смыков о том, как обезвреживается реакторный натрий. Уникальные и секретные разработки ФЭИ на службе мирного атома
0
570
Владимир Борисович СМЫКОВ работает в Физико-энергетическоминституте им.А.И. Лейпунского (АО «ГНЦ РФ - ФЭИ», входит в научный дивизионГоскорпорации «Росатом») 47 лет. Закончил Московский энергетический институт в 1976году, затем аспирантуру ГНЦ РФ - ФЭИ. Кандидат технических наук автор более 200научных работ и 23 изобретений. Ещё на 5 курсе, когда проходил практику в ВТИ, заведующаякафедрой ТВТ МЭИ профессор Ольга Исааковна Мартынова порекомендовала пойти наработу в ФЭИ, так что за год до окончания вуза студент Смыков уже точно знал, чтобудет работать в обнинском институте. В последние годы Владимир Борисовичзанимается выводом из эксплуатации натриевых реакторов.
ВЫВОД РЕАКТОРОВ ИЗ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
- Есть поговорка: ломать не строить. С реакторами это нетак?
- Вывод из эксплуатации - неизбежная стадия жизненного циклалюбого атомного энергоблока или исследовательского реактора. Готовиться квыводу нужно заранее - обеспечить необходимые ресурсы, разработать детальныйплан и, самое главное, иметь эффективные, надёжные и безопасные технологии длярешения всех возникающих при выводе задач.
- Натриевые реакторы в этом плане не исключение?
- Быстрые натриевые реакторы в России давно освоены иработают: 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, Свердловскаяобл.). И сегодня актуален вывод первых быстрых аппаратов. Идут работы по выводуиз эксплуатации реактора БН-350 (пущен в 1973 году) в казахстанском Актау, окончательноостановленного в 2009 году. Давно остановлен японский быстрый реактор «Мондзю»с его несчастливой судьбой, ведутся работы по выводу быстрых натриевыхаппаратов и в других странах.
- А что с обнинским реактором?
- В соответствии с Приказом по Минатому №130 от 05.03.1997года в России полигоном для отработки технологий вывода быстрых натриевыхреакторов из эксплуатации является знаменитый обнинский быстрый реактор БР-10 вГНЦ РФ - ФЭИ, окончательно остановленный в 2002 году после 43 лет эксплуатации.
ВЕСЕЛЯЩИЙ ГАЗ ДЛЯ
РЕКТОРА
- Технологию отработали?
- Нейтрализацию недренируемых остатков натрия в оборудованииосуществляют с помощью установки ЛУИЗА-РАО, в которой используется технологиягазофазного окисления - применяется закись азота, известная также как веселящийгаз.
Успешную практическую проверку технология газофазногоокисления прошла при нейтрализации недренируемых остатков натрия в двух петляхвторого контура ИР БР-10 - баки-насосов, воздушные теплообменники, теплообменникинатрий-натрий, трубопроводы, сильфонные вентили и другое оборудование петель.
- Это разработка специалистов ГНЦ РФ - ФЭИ?
- Предложение обнинских специалистов по использованию закисиазота впервые было сделано для французских коллег в Центре Кадараш (Франция) врамках проекта МНТЦ, но французские быстровики оказались иммунными к новымидеям. А вот в ФЭИ профессор Юрий Ервандович Багдасаров, бывший научныйруководитель БР-10 (ныне покойный, к сожалению), сразу оценил все возможныепреимущества веселящего газа.
Среди прочего, при его взаимодействии с натрием конечнымипродуктами реакции получаются газообразный азот и нитратные соли - инымисловами, защитная атмосфера и удобрения. В отличие от водных или спиртовыхтехнологий взрывоопасный водород не образуется. Соли на следующем шаге можнобезопасно растворить в воде и удалить из оборудования.
УТИЛИЗАЦИЯ
ХОЛОДНЫХ ЛОВУШЕК С РАДИОНУКЛИДАМИ
- Основной интерес у специалистов вызывает задача очистки нагазофазной установке холодных ловушек.
Что из себя представляет ловушка? Это двустенный сосудобъёмом 200 литров с фильтрующей набивкой, в котором при эксплуатации медленноциркулирует натрий, охлаждаемый до заданной температуры кипящим за стенкойтолуолом, что приводит к осаждению в ловушке примесей натрия. С точки зренияутилизации, стенки могут выступить в качестве готового контейнера.
С помощью закиси азота и других газовых смесей обнинскиеспециалисты научились превращать содержимое холодной ловушки оксидов врастворимые соли в безопасном виде, растворять их прямо в ловушке и цементировать.
В такой обезвреженной ловушке все радионуклиды остаютсявнутри твёрдой матрицы. Следовательно, ловушку можно спокойно отправлять вхранилище на захоронение.
- То есть, ловушки не безопасны и требуют специальногообращения?
- На сегодняшний день все холодные ловушки второго контураБР-10 обезврежены, и при этом не было получено ни одного литра жидкихрадиоактивных отходов (РАО).
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступилив 2016 году. Одна из обезвреженных ловушек второго контура носит теперь статусдемонстрационной. Её зацементировали и вырезали окно во внешней стенке дляобозрения.
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступилив 2016 году, к настоящему времени обезврежены 13 ловушек из 16.
- Обезвреживание ловушек - это долгий процесс?
- На обезвреживание ловушек второго контура у работников ИРБР-10 в ГНЦ РФ - ФЭИ уходило до полугода (затраты на собственно процесс, безучёта контрольных, транспортных, дозиметрических и иных вспомогательныхопераций). Благодаря найденным химико-технологическим приёмам, это времяудалось сократить до двух месяцев.
Трёхкратное ускорение станет особенно заметным, когданастанет время браться за обезвреживание ловушек натриевых энергоблоков.
- Что представляет из себя эта ловушка?
- Ловушки БН-350 - это конструкции 6 метров в высоту и 1метр в диаметре, не считая теплоизоляции, объемом 3,5 м3 в то время как объёмловушек 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 выводареакторов из эксплуатации?
- Первый вариант проекта вывода БР-10 из эксплуатации былготов накануне его окончательного останова в 2002 году. Но на тот моментготовых технологий обращения с отработавшим жидкометаллическим теплоносителемне имелось. Основной позицией ГНЦ РФ - ФЭИ являлся отказ от водных и спиртовыхтехнологий, потому что они приводят к большому выделению водорода.
- И, как следствие, вероятность взрыва?
- Да, во Франции на реакторе Рапсодия (Центр Кадараш вПровансе) в ходе переработки спиртовой технологией остатков натрия в одном избаков произошёл взрыв и погибли люди. Эти события укрепили специалистов ФЭИ втой мысли, что необходимо разрабатывать безопасные и надёжные технологии безвыделения водорода.
ОБНИНСКИМ УЧЕНЫМ
УДАЛОСЬ ПРЕДЕЛЬНО ОБЕЗОПАСИТЬ ПРОЦЕСС
- Страшно представить, что могло случиться, если бы непрофессионализм и самоотверженность обнинских учёных, оставшихся на предприятиипосле лихих девяностых.
- Почти 30 лет назад научно-конструкторская команда подруководством профессора Владимира Михайловича Поплавского начала сотрудничать суральскими металлургами. Задача решалась интересная - созданиевысокотемпературной печи с натриевым охлаждением для выплавки чугуна из отходовкрупномасштабной металлургии. В то время начальник химической лаборатории ГНЦРФ - ФЭИ Владимир Смыков работал в этом проекте на протяжении нескольких лет изанимался расчётами и обоснованиями шлакового режима этой печи. По ходу работыу него и родилась идея установки МИНЕРАЛ, а затем и МАГМА-ТФО для утилизациинатрия.
НАТРИЙ ПОДАЮТ
ПОРЦИЯМИ
- Как работает МАГМА-ТФО?
- ТФО в названии установки расшифровывается как«твёрдофазное окисление». Для утилизации отработавшего натрия (отхода) используютсяотходы из другой отрасли, а именно, гранулированный шлак медеплавильногопроизводства «Карабашмедь».
В результате работы установки МАГМА-ТФО натрий преобразуетсяв твёрдый камень. Утилизация не сопровождается образованием жидких РАО ипрактически отсутствует выделение водорода. Для сравнения, в водных технологияхпри растворении 1 кг натрия получается до 500 литров водорода.
- Коснулись ли санкции производства модуля?
- Всё оборудование модуля МАГМА-ТФО - отечественное. Принципработы установки простой. Реакционную ёмкость заполняют шлаком (на первых порахего сеяли на фракции, потом перестали), ставят в печь и подают порциями натрий.
Внутри реакционной ёмкости происходит самопроизвольнаяэкзотермическая химическая реакция, температура поднимается до 1000-1200°C. Врезультате образуется минералоподобный продукт, который не требует дальнейшейпереработки и может направляться на длительное хранение или захоронение. Заодну загрузку МАГМА-ТФО перерабатывает 50-60 литров натрия.
ПОЧЕМУ ПОЛИГОНОМ
СТАЛ ОБНИНСКИЙ РЕАКТОР?
- Почему было принято решение о создании полигона дляотработки технологий вывода быстрых натриевых реакторов именно здесь, на БР-10?
- Конечно, можно было бы устроить полигон по отработкетехнологий вывода на энергетическом реакторе, но это обошлось бы «Росатому» вмиллиарды. Намного дешевле и удобнее вести отработку на маленьком реакторе, гдепринципиальные проблемы точно такие же, как и на энергетических аппаратах.
- О безопасности жителей Обнинска, надеюсь, позаботились,принимая решение?
- Естественно, предлагаемые технологии должны быть не простонадёжными и безопасными и пригодными к масштабированию для последующегопереноса на энергоблоки с энергетическими быстрыми реакторами. В общейсложности, на БР-10 за годы его эксплуатации скопилось порядка 18-19 кубометровотработавших жидкометаллических теплоносителей общей активностью более 40 ТБк.
Утилизация таких объёмов вполне осуществима с использованиемопытно-промышленных установок, на основе которых в дальнейшем могут бытьсделаны установки промышленных масштабов. Наука даёт метод. Если метод былпризнан и доказал свою эффективность и безопасность, то на его базеразрабатываются различные способы его практической реализации. На последнемэтапе из разработанных способов выбирается наиболее подходящий, и на его базесоздаются технологии.
БЕЗ ФЭИ ВЫВОД
РЕАКТОРОВ БЫЛ БЫ НЕВОЗМОЖЕН
- БР-10, как полигон для отработки технологий вывода изэксплуатации быстрых натриевых реакторов, позволяет в полной мере ощутить, чтотакое научное руководство и в чём заключаются функции научного руководителя?
- Именно ГНЦ РФ - ФЭИ как научный руководитель быстройнатриевой программы разбирался с тем, почему оказалась пригодной дляреакционных ёмкостей простая углеродистая сталь. Каким способом наиболееэффективно и безопасно подавать натрий в шлак или шлак в натрий? Эти и другиетехнологические проблемы были решены на стендах МИНЕРАЛ-3, МИНЕРАЛ-30, МИНЕРАЛ-50и МАГМА-ТФО. Весь этот путь отражен в научных отчетах ГНЦ РФ - ФЭИ по созданиютехнологии ТФО РАО щелочных металлов. Даже простой вывод трубы для отвода газовиз реакционной ёмкости претерпел около 20 изменений.
- Радует, что ученые уверены в надёжности технологиивывода БР-10.
- Слово «надёжность» включает в себя множество мелочей идеталей, но все они должны быть пройдены и прощупаны. Именно этим и занимаетсяобнинский институт как научный руководитель, и без его работы надёжной, эффективнойи безопасной технологии вывода быстрых натриевых реакторов из эксплуатациисоздать невозможно.
- Натриевые реакторы продолжают строиться?
- В России на Белоярской АЭС успешно эксплуатируется втечение 43 лет быстрый натриевый реактор БН-600, там же в 2015 году вступил встрой его младший брат БН-800, планируется создание и строительство новыхбыстрых натриевых аппаратов - БН-1200. В ГНЦ РФ - ФЭИ уверены, что всемотечественным БН уготована долгая и плодотворная жизнь. Ну, а когда для нихнаступит пора уходить на покой, то технологии, разработанные в Обнинске на БР-10,позволят пройти этот важный этап как можно более безопасно и с меньшимизатратами.
Рената Белич
ВЫВОД РЕАКТОРОВ ИЗ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
- Есть поговорка: ломать не строить. С реакторами это нетак?
- Вывод из эксплуатации - неизбежная стадия жизненного циклалюбого атомного энергоблока или исследовательского реактора. Готовиться квыводу нужно заранее - обеспечить необходимые ресурсы, разработать детальныйплан и, самое главное, иметь эффективные, надёжные и безопасные технологии длярешения всех возникающих при выводе задач.
- Натриевые реакторы в этом плане не исключение?
- Быстрые натриевые реакторы в России давно освоены иработают: 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, Свердловскаяобл.). И сегодня актуален вывод первых быстрых аппаратов. Идут работы по выводуиз эксплуатации реактора БН-350 (пущен в 1973 году) в казахстанском Актау, окончательноостановленного в 2009 году. Давно остановлен японский быстрый реактор «Мондзю»с его несчастливой судьбой, ведутся работы по выводу быстрых натриевыхаппаратов и в других странах.
- А что с обнинским реактором?
- В соответствии с Приказом по Минатому №130 от 05.03.1997года в России полигоном для отработки технологий вывода быстрых натриевыхреакторов из эксплуатации является знаменитый обнинский быстрый реактор БР-10 вГНЦ РФ - ФЭИ, окончательно остановленный в 2002 году после 43 лет эксплуатации.
ВЕСЕЛЯЩИЙ ГАЗ ДЛЯ
РЕКТОРА
- Технологию отработали?
- Нейтрализацию недренируемых остатков натрия в оборудованииосуществляют с помощью установки ЛУИЗА-РАО, в которой используется технологиягазофазного окисления - применяется закись азота, известная также как веселящийгаз.
Успешную практическую проверку технология газофазногоокисления прошла при нейтрализации недренируемых остатков натрия в двух петляхвторого контура ИР БР-10 - баки-насосов, воздушные теплообменники, теплообменникинатрий-натрий, трубопроводы, сильфонные вентили и другое оборудование петель.
- Это разработка специалистов ГНЦ РФ - ФЭИ?
- Предложение обнинских специалистов по использованию закисиазота впервые было сделано для французских коллег в Центре Кадараш (Франция) врамках проекта МНТЦ, но французские быстровики оказались иммунными к новымидеям. А вот в ФЭИ профессор Юрий Ервандович Багдасаров, бывший научныйруководитель БР-10 (ныне покойный, к сожалению), сразу оценил все возможныепреимущества веселящего газа.
Среди прочего, при его взаимодействии с натрием конечнымипродуктами реакции получаются газообразный азот и нитратные соли - инымисловами, защитная атмосфера и удобрения. В отличие от водных или спиртовыхтехнологий взрывоопасный водород не образуется. Соли на следующем шаге можнобезопасно растворить в воде и удалить из оборудования.
УТИЛИЗАЦИЯ
ХОЛОДНЫХ ЛОВУШЕК С РАДИОНУКЛИДАМИ
- Основной интерес у специалистов вызывает задача очистки нагазофазной установке холодных ловушек.
Что из себя представляет ловушка? Это двустенный сосудобъёмом 200 литров с фильтрующей набивкой, в котором при эксплуатации медленноциркулирует натрий, охлаждаемый до заданной температуры кипящим за стенкойтолуолом, что приводит к осаждению в ловушке примесей натрия. С точки зренияутилизации, стенки могут выступить в качестве готового контейнера.
С помощью закиси азота и других газовых смесей обнинскиеспециалисты научились превращать содержимое холодной ловушки оксидов врастворимые соли в безопасном виде, растворять их прямо в ловушке и цементировать.
В такой обезвреженной ловушке все радионуклиды остаютсявнутри твёрдой матрицы. Следовательно, ловушку можно спокойно отправлять вхранилище на захоронение.
- То есть, ловушки не безопасны и требуют специальногообращения?
- На сегодняшний день все холодные ловушки второго контураБР-10 обезврежены, и при этом не было получено ни одного литра жидкихрадиоактивных отходов (РАО).
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступилив 2016 году. Одна из обезвреженных ловушек второго контура носит теперь статусдемонстрационной. Её зацементировали и вырезали окно во внешней стенке дляобозрения.
К обезвреживанию ловушек первого контура на БР-10 приступилив 2016 году, к настоящему времени обезврежены 13 ловушек из 16.
- Обезвреживание ловушек - это долгий процесс?
- На обезвреживание ловушек второго контура у работников ИРБР-10 в ГНЦ РФ - ФЭИ уходило до полугода (затраты на собственно процесс, безучёта контрольных, транспортных, дозиметрических и иных вспомогательныхопераций). Благодаря найденным химико-технологическим приёмам, это времяудалось сократить до двух месяцев.
Трёхкратное ускорение станет особенно заметным, когданастанет время браться за обезвреживание ловушек натриевых энергоблоков.
- Что представляет из себя эта ловушка?
- Ловушки БН-350 - это конструкции 6 метров в высоту и 1метр в диаметре, не считая теплоизоляции, объемом 3,5 м3 в то время как объёмловушек 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 выводареакторов из эксплуатации?
- Первый вариант проекта вывода БР-10 из эксплуатации былготов накануне его окончательного останова в 2002 году. Но на тот моментготовых технологий обращения с отработавшим жидкометаллическим теплоносителемне имелось. Основной позицией ГНЦ РФ - ФЭИ являлся отказ от водных и спиртовыхтехнологий, потому что они приводят к большому выделению водорода.
- И, как следствие, вероятность взрыва?
- Да, во Франции на реакторе Рапсодия (Центр Кадараш вПровансе) в ходе переработки спиртовой технологией остатков натрия в одном избаков произошёл взрыв и погибли люди. Эти события укрепили специалистов ФЭИ втой мысли, что необходимо разрабатывать безопасные и надёжные технологии безвыделения водорода.
ОБНИНСКИМ УЧЕНЫМ
УДАЛОСЬ ПРЕДЕЛЬНО ОБЕЗОПАСИТЬ ПРОЦЕСС
- Страшно представить, что могло случиться, если бы непрофессионализм и самоотверженность обнинских учёных, оставшихся на предприятиипосле лихих девяностых.
- Почти 30 лет назад научно-конструкторская команда подруководством профессора Владимира Михайловича Поплавского начала сотрудничать суральскими металлургами. Задача решалась интересная - созданиевысокотемпературной печи с натриевым охлаждением для выплавки чугуна из отходовкрупномасштабной металлургии. В то время начальник химической лаборатории ГНЦРФ - ФЭИ Владимир Смыков работал в этом проекте на протяжении нескольких лет изанимался расчётами и обоснованиями шлакового режима этой печи. По ходу работыу него и родилась идея установки МИНЕРАЛ, а затем и МАГМА-ТФО для утилизациинатрия.
НАТРИЙ ПОДАЮТ
ПОРЦИЯМИ
- Как работает МАГМА-ТФО?
- ТФО в названии установки расшифровывается как«твёрдофазное окисление». Для утилизации отработавшего натрия (отхода) используютсяотходы из другой отрасли, а именно, гранулированный шлак медеплавильногопроизводства «Карабашмедь».
В результате работы установки МАГМА-ТФО натрий преобразуетсяв твёрдый камень. Утилизация не сопровождается образованием жидких РАО ипрактически отсутствует выделение водорода. Для сравнения, в водных технологияхпри растворении 1 кг натрия получается до 500 литров водорода.
- Коснулись ли санкции производства модуля?
- Всё оборудование модуля МАГМА-ТФО - отечественное. Принципработы установки простой. Реакционную ёмкость заполняют шлаком (на первых порахего сеяли на фракции, потом перестали), ставят в печь и подают порциями натрий.
Внутри реакционной ёмкости происходит самопроизвольнаяэкзотермическая химическая реакция, температура поднимается до 1000-1200°C. Врезультате образуется минералоподобный продукт, который не требует дальнейшейпереработки и может направляться на длительное хранение или захоронение. Заодну загрузку МАГМА-ТФО перерабатывает 50-60 литров натрия.
ПОЧЕМУ ПОЛИГОНОМ
СТАЛ ОБНИНСКИЙ РЕАКТОР?
- Почему было принято решение о создании полигона дляотработки технологий вывода быстрых натриевых реакторов именно здесь, на БР-10?
- Конечно, можно было бы устроить полигон по отработкетехнологий вывода на энергетическом реакторе, но это обошлось бы «Росатому» вмиллиарды. Намного дешевле и удобнее вести отработку на маленьком реакторе, гдепринципиальные проблемы точно такие же, как и на энергетических аппаратах.
- О безопасности жителей Обнинска, надеюсь, позаботились,принимая решение?
- Естественно, предлагаемые технологии должны быть не простонадёжными и безопасными и пригодными к масштабированию для последующегопереноса на энергоблоки с энергетическими быстрыми реакторами. В общейсложности, на БР-10 за годы его эксплуатации скопилось порядка 18-19 кубометровотработавших жидкометаллических теплоносителей общей активностью более 40 ТБк.
Утилизация таких объёмов вполне осуществима с использованиемопытно-промышленных установок, на основе которых в дальнейшем могут бытьсделаны установки промышленных масштабов. Наука даёт метод. Если метод былпризнан и доказал свою эффективность и безопасность, то на его базеразрабатываются различные способы его практической реализации. На последнемэтапе из разработанных способов выбирается наиболее подходящий, и на его базесоздаются технологии.
БЕЗ ФЭИ ВЫВОД
РЕАКТОРОВ БЫЛ БЫ НЕВОЗМОЖЕН
- БР-10, как полигон для отработки технологий вывода изэксплуатации быстрых натриевых реакторов, позволяет в полной мере ощутить, чтотакое научное руководство и в чём заключаются функции научного руководителя?
- Именно ГНЦ РФ - ФЭИ как научный руководитель быстройнатриевой программы разбирался с тем, почему оказалась пригодной дляреакционных ёмкостей простая углеродистая сталь. Каким способом наиболееэффективно и безопасно подавать натрий в шлак или шлак в натрий? Эти и другиетехнологические проблемы были решены на стендах МИНЕРАЛ-3, МИНЕРАЛ-30, МИНЕРАЛ-50и МАГМА-ТФО. Весь этот путь отражен в научных отчетах ГНЦ РФ - ФЭИ по созданиютехнологии ТФО РАО щелочных металлов. Даже простой вывод трубы для отвода газовиз реакционной ёмкости претерпел около 20 изменений.
- Радует, что ученые уверены в надёжности технологиивывода БР-10.
- Слово «надёжность» включает в себя множество мелочей идеталей, но все они должны быть пройдены и прощупаны. Именно этим и занимаетсяобнинский институт как научный руководитель, и без его работы надёжной, эффективнойи безопасной технологии вывода быстрых натриевых реакторов из эксплуатациисоздать невозможно.
- Натриевые реакторы продолжают строиться?
- В России на Белоярской АЭС успешно эксплуатируется втечение 43 лет быстрый натриевый реактор БН-600, там же в 2015 году вступил встрой его младший брат БН-800, планируется создание и строительство новыхбыстрых натриевых аппаратов - БН-1200. В ГНЦ РФ - ФЭИ уверены, что всемотечественным БН уготована долгая и плодотворная жизнь. Ну, а когда для нихнаступит пора уходить на покой, то технологии, разработанные в Обнинске на БР-10,позволят пройти этот важный этап как можно более безопасно и с меньшимизатратами.
Рената Белич