В Кольском научном центре изучили возможность переработки отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах

Долгосрочная устойчивость ядерной энергетики требует создания топливного цикла нового типа, в котором все использованное топливо будет перерабатываться и утилизироваться. Одним из перспективных считается проект ядерного реактора на расплавах солей (жидкосолевого реактора). Активная зона в нем сформирована из однородной расплавленной смеси фторидов или хлоридов щелочных металлов и фторида делящегося материала (плутония, тория или урана). Топливо одновременно служит теплоносителем первого контура.

Идея жидкосолевого реактора возникла в середине XX века, но уже к 1970-80-м годам прошлого века разработки прекратились. В 1960-е годы в Окриджской национальной лаборатории был создан реактор тепловой мощностью 7,4 МВт, работавший на смеси фторидов урана в расплаве солей лития, бериллия и циркония. Однако через пять лет в связи с нерентабельностью его остановили, как и сами исследования.

Интерес к подобным устройствам вернулся к началу XXI века одновременно в разных странах. В первую очередь это связано с истощением запасов традиционного ядерного топлива. Опасность для природы и высокая стоимость захоронения отработавшего топлива также побуждают к поиску альтернативных атомных технологий.

Жидкосолевой реактор имеет принципиальные преимущества по сравнению с привычным типом твердотопливного реактора с водяным охлаждением. Он работает при намного меньшем давлении в активной зоне и более высокой температуре, что позволяет увеличить надежность и реализовать работу на изотопах тория и других актиноидов, тем самым дожигая отходы ядерного производства.

В ториевый ядерный цикл не включен плутоний – это снижает риск распространения ядерного оружия. Кроме того, конструкция реактора позволяет добавлять новое и удалять отработанное топливо без остановки процесса. Однако для этого рекомендуется перерабатывать отработавшее ядерное топливо непосредственно на электростанциях. Важный этап такой обработки — эффективное разделение лантаноидов и актинидов.

До сих пор эти элементы, присутствующие в ядерных отходах, разделялись с помощью гидрометаллургических процессов. Широко используемая технология PUREX позволяет извлекать только уран и плутоний и не может отделить трехвалентные трансурановые элементы, такие как америций и кюрий, от трехвалентных продуктов деления, представленных лантаноидами. На международном уровне ведутся исследования пирохимических процессов, цель которых — разделение актиноидов и лантаноидов при переработки отработавшего топлива путем электрорафинирования в расплавленных солях.

Изучение галогенидов лантаноидов представляет особый интерес для переработки отработавшего ядерного топлива, поскольку лантаноиды принадлежат к группе наиболее распространенных элементов деления в ядерных реакторах. Многие лантаноиды имеют большое эффективное сечение захвата нейтронов, и их присутствие в топливе существенно снижает эффективность ядерной реакции.

Ученые Института химии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева занимаются систематическим изучением транспортных и электрохимических свойств галогенидов лантаноидов, включая галогениды самария в различных солевых расплавах. Результаты этих исследований были опубликованы в престижном журнале Journal of The Electrochemical Society в 2021 году. Электрохимия трихлорида и трифтрорида самария изучалась в расплавах галогенидов щелочных металлов. Авторы определили коэффициенты диффузии комплексов Sm(III) и Sm(II), формальныe стандартные редокс потенциалы и стандартные константы скорости переноса заряда редокс пары Sm (III)/Sm (II).

Исследователи выявили условия, при которых процесс восстановления является обратимым, и установили зависимости транспортных и кинетических свойств от состава первой и второй координационной сферы комплексов самария. Эксперименты еще не завершены. Полученные в ходе исследований результаты важны для создания технологии переработки отработавшего ядерного топлива электрорафинированием в солевых расплавах.

КНЦ РАН

57 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше