PRoAtom - СВЕРДНИИХИММАШ в перспективе развития атомной энергетики

Разбуженные амбиции

В последнее время в российском научно-промышленном ядерном сообществе с приходом нового руководителя ФААЭ С.В.Кириенко наметились коренные сдвиги в плане открывающихся перспектив развития атомной энергетики и соответственно всей, некогда могучей ядерной отрасли. Принципиально важно то, что есть проблемы энергетической безопасности России, которые при взвешенном техноэкономическом подходе должны комплексно решаться с преобладающим и опережающим развитием электроэнергетики на базе ввода новых мощностей АЭС.

Поданный со стороны руководства государства сигнал с удовлетворением воспринят всеми, кто не потерял надежды в необходимости пропор-ционального прогресса не только в сырьевом развитии, но и в области высо-ких технологий, к которым безусловно относится отечественная атомная наука и промышленность. В самом деле, три интенсивных проблемных семи-нара по основным проблемам атомной энергетики, ядерно-топливного цикла и ядерно-радиационной безопасности, которые проведены в последние не-сколько недель по инициативе и при непосредственном активном участии С.В.Кириенко, пробудили надежду, возвратили прежние положительные ам-биции Средмаша тем, кто напрямую участвовал в этих семинарах, а через них и всем научным и производственным коллективам, имеющим отношение к ядерной отрасли России.

Наступило такое время, когда еще не все потеряно, но бездействовать уже нельзя, если мы хотим сохранить и приумножить наши прежние передовые позиции в этой важной для безопасности государства области науки и техники.

Место СвердНИИхиммаша в отрасли

Столь пафосное вступление навеяно участием специалистов СвердНИИхиммаша в интересных и плодотворных проблемных семинарах. Попробуем в этой связи как-то примерить и оценить дальнейшую нашу работу в плане открывающихся перспектив.

СвердНИИхиммаш включен в систему Средмаша почти 50 лет назад (1957 г.) и был сформирован в кратчайшие сроки как комплексный конструкторский и научно-исследовательский институт с опытным производством для обеспечения отрасли специальным оборудованием практически по всем переделам ядерного топливного цикла. Являясь фактически институтом процессов, машин и аппаратов для атомной промышленности и энергетики, нами осуществлялись конструкторские разработки, изготовление головных образцов оборудования и их внедрение для гидрометаллургических, твэльных, оборонных, радиохимических производств, АЭС и всего того комплекса, который представлял из себя Минсредмаш. За прошедшие годы накоплен значительный опыт конструкторских разработок, экспериментальных исследований, сформировались целые школы специалистов по таким направлениям как массовая кристаллизация, промышленное центрифугирование, выпаривание и ректификация (в том числе дистилляционное опреснение соленых вод), газоочистка, радиохимия, химико-термические процессы, автоматизация, коррозия и др.

Работы для ЯТЦ

Несмотря на некоторые потери, связанные с перестроечными процессами последних 10-12 лет, институт в состоянии выполнить основные конструкторские разработки оборудования для тех целевых направлений ядерного топливного цикла, которые обозначены на втором семинаре – тематика реакторов БН. Представляется, что независимо от того, какой технологический выбор топлива для будущих реакторов БН будет осуществлен (порошковое, керамическое, оксидное, зольгельное) наш опыт по созданию установки «Пакет» на «ПО Маяк», установок «Орел» и «Фрегат» в НИИАРе, будет безусловно адаптирован к новым разработкам и позволит создать более совершенное оборудование, отвечающее последним нормативам по безопасности и надежности. То же самое касается и оборудования для фабрикации и рефабрикации облученных сборок уран-плутониевого топлива для обеспечения замкнутого топливного цикла.

Таким образом, мы полны надежд, что перспективное направление по созданию атомной энергетики на основе реакторов БН, как наиболее безопасных, малоотходных и целесообразных с точки зрения более полного использования ядерного топлива, вызовет подъем всей инфраструктуры отрасли и обеспечит ее гармоничное развитие.

Работы для ПО «Маяк»

На наш взгляд, наибольшее приложение сил потребуют от нас работы, связанные с созданием установок и оборудования для обращения с радиоактивными отходами (РАО), что так или иначе было озвучено на первом, втором и третьем семинарах. Начнем с последнего третьего семинара. Он был посвящен разработке контуров программы обеспечения ядерной и радиационной безопасности функционирования и развития ядерных технологий. Сама по себе очередность семинаров логически оправдана, т.к. в начале нужно было разобраться с тем, к чему мы должны стремиться, каковы задачи программы развития атомной энергетики (первый и второй семинар), а затем исходя из этих задач разобраться, как выполнить их при основополагающем принципе обеспечения ядерной и радиационной безопасности и перспективах создания новой технологической платформы (третий семинар).

Этот семинар подтвердил, что основной вклад в ядерную и радиационную безопасность вносит блок проблем, связанных с минимизацией радиоактивных отходов путем совершенствования технологий от всех процессов по обращению с делящимися материалами и само обращение с РАО с целью их изоляции от биосферы.

СвердНИИхиммаш в партнерстве с научными организациями (ВНИИНМ, РИ) и проектными институтами (ВНИПИЭТ, ГСПИ, АЭП) в течение многих лет является головной конструкторской организацией по созданию установок и оборудования обращения с РАО. К настоящему времени создана и внедрена большая номенклатура установок для кондиционирования РАО из жидкого, твердого и газового состояния различных уровней активности, что позволяет с уверенностью утверждать, что те задачи, которые вытекают из новой энергетической программы, безусловно будут решены.

Одной из первых задач по приоритету является решение проблем по экологической реабилитации объектов, которые были заняты оборонной деятельностью и накопили большие объемы опасных РАО. Прежде всего это относится к трем комбинатам отрасли: «ПО Маяк», СХК, ГХК. В них согласно кадастру накоплена значительная доля активности в пересчете на Ku. Наиболее остро экологические проблемы, как наследие прошлой оборонной деятельности, проявляются на химкомбинате «ПО Маяк» с его нерешенными проблемами по Теченскому каскаду водоемов, Карачаю и др. Начиная с 1987г. наметился значительный прогресс по утилизации самых опасных жидких высокоактивных отходов за счет создания весьма эффективной технологии и оборудования для остекловывания отходов. К настоящему времени на трех последовательно работавших установках остекловывавния с печами ЭП-500 (ЭП-500/2, ЭП-500/1Р, ЭП-500/3) переработано в стекломатрицу около 60 процентов хранящихся в охлаждаемых емкостях высокоактивных отходов, что составляет примерно 450 млн Ku общей активности (для сравнения общая активность РАО по Кадастру России ~ 1,5 млрд.Ku).

В 2005 г. нами закончено изготовление основного, ранее разработанного, оборудования электропечи ЭП-500/4. Ближайшей задачей 2006 года является завершение монтажа и пуско-наладочных работ для включения установки в промышленную эксплуатацию. Задача очень ответственная, т.к. получение лицензии на функционирование завода РТ-1 напрямую связано с продолжением переработки высокоактивных отходов. Исходя из опыта эксплуатации предыдущих установок, планируется, что электропечь ЭП-500/4 должна иметь ресурс работы 5-6 лет и поэтому уже сейчас, с учетом длительности цикла разработки, изготовления, строительства, необходимо принимать новые технические решения по последующим печам. Нам представляется, что основные разработчики электропечей – конструкторы СвердНИИхиммаша, специалисты «ПО Маяк», ВНИИНМ и ВНИПИЭТ, должны уже сегодня выработать концепции сооружения этих печей с учетом повышения ресурса до 10 лет и выполнения требований НП-16-2000 по возможности удаления печей в хранилище после выработки ресурса. С сожалением отметим, что практически полное отсутствие финансирования по этому направлению в последние 10-15 лет, затормозило экспериментально-конструкторские работы по совершенствованию технологии и оборудования казалось бы первоприоритетного дела.

В ближнесрочной перспективе предстоит также совместно со специалистами «ПО Маяк», ВНИИНМ и УО ВНИПИЭТ решить проблему переработки среднеактивных отходов, путем кондиционирования их в цементную матрицу. Это решение позволит прекратить сброс среднеактивных отходов в оз. Карачай и значительно улучшить экологическую обстановку на «ПО Маяк». К настоящему времени создан масштабный опытный стенд для отработки дистанционно управляемого процесса цементирования и одновременно начаты конструкторские и проектные работы по созданию промышленной установки.

Значительный задел СвердНИИхиммаша по созданию установок кондиционирования твердых отходов для АЭС позволяет при надлежащем финансировании уже сейчас практически без дополнительных исследований провести работы по оснащению «ПО Маяк» установками сортировки, прессования и суперпрессования, а также сжигания горючих отходов. Это касается большого объема накопленных твердых отходов и отходов от текущей деятельности.

Совместно с Радиевым институтом нами проработана технологическая схема и основная аппаратура для утилизации высокоактивных отработанных экстрагентов, хранящихся в специальных емкостях. Реализация такой технологической схемы позволит регенерировать и вернуть в производство до 95% экстрагента и ликвидировать экологическую опасность хранения «грязного» и пожароопасного продукта.

Указанные работы СвердНИИхиммаша для «ПО Маяк», конечно, далеко не исчерпывают решение всех экологических проблем комбината, но они позволят системно снизить экологическую опасность уже в ближайшем будущем. Подобные работы могут быть проведены для СХК и ГХК, т.к. не все отходы, в том числе жидкие высоко- и среднеактивные могут быть закачаны в подземные горизонты, а что касается твердых отходов, то там проблемы того же порядка, что и на «ПО Маяк».

Работы для АЭС

В последние годы усилиями концерна Росэнергоатом проводятся интенсивные работы по оснащению АЭС установками для кондиционирования РАО. Работы проводятся как для вновь строящихся энергоблоков, что обусловлено нормативными и другими государственными распорядительными документами, так и для действующих АЭС, где накоплен значительный объем РАО. Современное состояние оснащения АЭС основными установками по обращению с РАО представлено в таблице.

Несмотря на усилия последних лет, предстоит еще много работы. В этом плане, а также основываясь на новой программе развития атомной энергетики, СвердНИИхиммаш готов участвовать в разработке, изготовлении и поставке комплексных установок и оборудования по следующим направлениям:

– выпарные установки СВО;

– установки сжигания водорода и очистки газа;

– установки отверждения методом цементирования;

– установки сортировки твердых отходов;

– установки прессования и суперпрессования твердых отходов;

– установки сжигания горючих твердых отходов с узлами газоочистки и отверждения зольного остатка.

С учетом серийности будущих блоков необходимо модернизировать эти установки путем унификации основных узлов оборудования, придать им большую заводскую готовность перед монтажом и, тем самым, уменьшить затраты на их сооружение.

К указанному перечню оборудования следует добавить также установки (комплексы) для обращения с металлоотходами. Головной комплекс такого оборудования разрабатывается нами для Белоярской АЭС. Комплекс оборудования для утилизации металлических РАО состоит из модулей: жидкостной дезактивации, фрагментации, термической дезактивации, переплавки с соответствующими газоочистными узлами.

Модули комплекса могут вводиться постепенно, по мере накопления на АЭС металлических отходов.

К последним разработкам СвердНИИхиммаша для АЭС следует отнести дистилляционные опреснительные установки (ДОУ) – по техноэкономическим и экологическим показателям альтернатива ионообменному способу водоподготовки реакторной воды. Установки органично вписываются в тепловую схему станции и, самое главное, являются безотходными, в сравнении с ионообменным способом водоподготовки, так как исключаются регенерационные солевые сбросы. Первые такие установки разработаны, изготовлены и поставлены нами на Волгодонскую АЭС и к концу 2006 г. должны быть запущены в эксплуатацию.

Выход на новую технологическую платформу

Проблема выхода на новую технологическую платформу по мере наращивания атомной энергетики напрямую касается и нас, как конструкторов оборудования. Мы внутренне понимаем и представляем недостатки наших установок и оборудования в технологическом и аппаратурном плане. Например, известно, что во всем мире из множества матриц для иммобилизации (отверждения) РАО нашли применение лишь стекло и цемент. Других матриц, как естественных, так и искусственных, пока не придумано. Битум, как превосходная матрица для включения среднеактивных отходов, забракована мировым сообществом по причине пожароопасности. В то же время, при больших объемах перерабатываемых отходов, цементирование не представляется экономичным и эффективным процессом, из-за малой степени включения (5-10% весовых по окислам), т.к. степень уменьшения исходных объемов РАО составляет 0,7-0,9. Это влечет за собой значительные затраты на сооружение хранилищ и принятие особых мер по гидроизоляции их и обеспечению постоянных положительных температур. В то же время стеклокомпаунд позволяет почти на порядок уменьшить объем кондиционированных отходов и резко улучшить физико-химические свойства самой матрицы.

Поэтому предлагаем уже в ближайшее время развернуть НИОКР по отработке головного образца установки остекловывания отходов АЭС.

Это же относится и к совершенствованию традиционных установок сжигания радиоактивных отходов. Например, применение плазмы в донной части печи позволило бы увеличить номенклатуру перерабатываемых компонентов, теплоизоляционных материалов и получать на выходе из печи компактный стеклоподобный материал и так далее по всем установкам.

Здесь требуется административное решение и изыскание источников финансирования.

О научно-инженерной готовности решения основных проблем РАО

Исходя из существующей Концепции обращения с РАО Росатома, где справедливо обозначена необходимость исключения возложения бремени отходов на будущие поколения, можно констатировать, что в наше время не в полной мере выполняется этот принципиальный тезис. Чего же в таком случае не хватает?

Из мировой литературы по данной тематике, из общения со специалистами, в том числе зарубежными, можно констатировать, что основные научно-технологические и инженерные возможности позволяют эту проблему успешно решать в двух направлениях: минимизации образования РАО в результате совершенствования основных технологических процессов, начиная от добычи ураносодержащего сырья до переработки облученного топлива и использования каких-либо источников ионизирующего излучения; и второе – собственно сама переработка РАО, начиная от сбора, максимально возможного исключения вовлечения в процесс дополнительных чистых материалов и кончая кондиционированием, т.е. приведением РАО в состояние пригодное для перевозки, хранения (захоронения) с существенной минимизацией их объема.

Таким образом, эта двоякая проблема называет ее прямых исполнителей: разработчиков физических и химических технологий, инженерный корпус в лице конструкторов-разработчиков и изготовителей оборудования. Имеются ли в России такие исполнители? Да, имеются. Это, прежде всего, отраслевые научно-исследовательские и конструкторские организации, а также многие академические институты, потенциал которых по ядерной тематике в советские времена превосходил все другие научные направления и, несмотря на трудности перестройки, еще не утрачен.

Может быть, не хватает теоретических разработок? Нет, хватает. Для примера приведем разработку отечественными учеными концепции, или даже теории, трансмутации долгоживущих радионуклидов и радиационно-эквивалентного захоронения отходов в местах добычи уранового сырья. Эта концепция с теоретических позиций дает идеальную планку конечных состояний работы с урановыми материалами. Но, на наш взгляд, не следует этим особо обольщаться в обозримой перспективе, в надежде ожидая реализации этой концепции и не заниматься практическим кондиционированием РАО на уровне современных технологий. Дело в том, что даже простые обустройства указанной концепции в реальные технологические схемы и оборудование по глубокому фракционированию, переводу фракций в твэлоподобное состояние, последующее «сжигание» (трансмутация) с какой-то конечной неполнотой, а затем новая химическая переработка и т.д. ( см. технологическую схему завода типа РТ) – все это по технологическим и экономическим соображениям вряд ли реально в обозримой перспективе.

Итак, сделаем основной вывод. В настоящее время имеются научно-инженерные основания для реализации программы по преимущественному развитию атомной энергетики и практическому решению вопросов обращения с радиоактивными отходами, включая накопленные и текущие РАО.

Так чего же все-таки не хватает? На наш взгляд, не хватает умения выбирать приоритеты и сосредотачивать финансы, не распыляя их по принципу «всем сестрам по серьгам». Последние события в Росатоме показывают, что это умение начинает набирать силу. Значит, наступают правильные времена и это воспринимается более чем позитивно.

Что ожидаем и что нужно делать

Во вновь формируемой Федеральной целевой программе ядерной и радиационной безопасности России мы ожидаем значительного увеличения объемов финансирования и самого главного – реального наполнения финансами по этапам и годам. Здесь необходимо заметить, что программные приоритеты, особенно в части обращения с РАО от прошлого наследия должны базироваться в основном на существующих реалиях Кадастра, а не на политических мотивах. Понятно, что простого пропорционирования расходов по принципу «Kюри – рубль» допустить нельзя. И все-таки, нужно отдать должное, например, решению экологических проблем «ПО Маяк», да и других комбинатов, которые выполняли в прошлом и в меньшей мере сейчас, важнейшие государственные оборонные задачи.

Главное не допустить реализации соблазнов «потянуть одеяло на себя» при формировании программы со стороны многих организаций.

Полагаем, что важное место в программе займут вопросы бюрократического характера, например, совершенствование нормативно-правовых документов, законов и др. Финансов на эти дела должно быть выделено достаточно.

Что касается нас, разработчиков-конструкторов и поставщиков оборудования, то у нас есть понимание целей и задач. Главное – как сделать более совершенное, надежное оборудование и по приемлемым ценам.

В этой связи мы также озабочены необходимостью совершенствования нормативно-технической базы, по которой мы конструируем и изготовляем оборудование. Не секрет, что соблюдение современных требований Атомнадзора (Гостехнадзора) с системой приемки на всех стадиях технологического процесса, порою в разы повышает стоимость оборудования по сравнению с общегражданской продукцией. На наш взгляд, выход один – пересмотр этой базы с точки зрения экономической гармонизации и оптимизации излишне консервативных подходов. Речь идет о выработке целесообразного соотношения требований экономики и безопасности.

И в заключение. У нас достаточно желания и решимости участвовать в этой исключительно важной программе дальнейшего развития атомной энергетики.

Журнал «Атомная стратегия» № 21, март 2006 г.