​Ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета разрабатывают научные основы технологии плазмохимического синтеза наноразмерных сложных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива.

Политехники предлагают способ быстро и экономично получать большое количество качественного ядерного топлива для создаваемых ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Сегодня проект реализуется в рамках гранта Российского научного фонда.

Значительную часть ядерной энергетики в 21 веке еще будут составлять атомные электростанции, использующие керамическое ядерное топливо (ЯТ) из диоксида урана, обогащенного по изотопу уран-235. Помимо неоспоримых достоинств у такого топлива есть и существенные недостатки. К примеру, низкая теплопроводность, которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления; хрупкость и склонность к растрескиванию — это может вывести топливо из строя; короткий цикл использования — до трех-пяти лет; невозможность создания энергетических установок сверхмалой (до 10МВт) и малой (10–100 МВт) мощности; большие расходы на утилизацию отработавшего топлива и, что немаловажно, — ограниченный ресурс изотопа уран-235. Все это в последние годы стало причиной замедления развития атомной энергетики, а некоторые страны и вовсе от нее отказались.

Поэтому ученые ТПУ — под научным руководством заведующего лаборатории изотопного анализа и технологий отделения ядерно-топливного цикла, профессора Игоря Шаманина — предлагают использовать в составе ЯТ изотопы уран-238, торий-232 и плутоний-239. Благодаря им отпадает необходимость в дорогостоящем изотопном обогащении, а цикл использования такого топлива может быть доведен до 10–15 лет. При этом прогнозных запасов тория в земной коре в три-пять раз больше, чем урана, а использование керамического ЯТ из оксидных композиций на основе тория даст возможность создания сверхмалых и малых энергетических установок для использования в удаленных и труднодоступных регионах, на рудниках и карьерах. Но это далеко не все, что придумали политехники.

«Коэффициент использования урана очень низкий — в процессе работы реактора только незначительная его часть в виде изотопа уран-235 выгорает, а остальное — в виде урана-238 и продуктов деления — уходит на хранение. Но поскольку в России месторождений урана очень мало, возникла идея, что остатки из отработавшего топлива (уран-238) можно использовать для создания нового.

Кроме того, в реакторе всегда нарабатывается плутоний-239, который также можно извлекать и использовать вместо урана-235. Тем не менее это все равно останется керамическим ядерным топливом со всеми его недостатками, но его можно усовершенствовать», — рассказывает доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Александр Каренгин.

По его словам, одним из перспективных направлений дальнейшего развития ядерной энергетики является использование дисперсионного ЯТ, в котором включения из делящихся материалов (уран, торий, плутоний) в виде оксидных композиций размещают в матрице, имеющей высокий коэффициент теплопроводности и низкое сечение резонансного поглощения нейтронов.

Применение матрицы из порошков металлов (алюминий, молибден, вольфрам и другие) увеличивает коэффициент теплопроводности, но приводит к ухудшению нейтронного баланса из-за резонансного поглощения нейтронов. К тому же использование металлов в качестве матрицы чрезвычайно дорого, поэтому политехники предложили использовать в качестве нее оксиды тугоплавких металлов, например оксид магния, который широко используется в теплонагревательных элементах.

Однако применение внешнего гелеобразования (золь-гель процесса) для получения из смешанных водных нитратных растворов (ВНР) оксидных композиций сопряжено со следующими недостатками: многостадийность, продолжительность, низкая производительность, необходимость использования химических реагентов, дополнительное водородное восстановление, высокая себестоимость.

К несомненным преимуществам применения плазмы для плазмохимического синтеза оксидных композиций из диспергированных смешанных растворов ВНР по сравнению с золь-гель процессом и технологией, основанной на раздельном получении и механическом смешении оксидов металлов, следует отнести: одностадийность, высокую скорость, возможность активно влиять на размер и морфологию частиц, компактность технологического оборудования. Однако плазменная переработка только смешанных растворов ВНР требует огромных энергозатрат (до 4 МВт·ч/т) и не позволяет получать в одну стадию оксидные композиции требуемого стехиометрического состава без дополнительного водородного восстановления.

Впервые предложен прямой плазмохимический синтез в воздушно-плазменном потоке оксидных композиций из диспергированных горючих водно-органических нитратных растворов (ВОНР), включающих органический компонент (спирты, кетоны и другие) и имеющих низшую теплотворную способность не менее 8,4 МДж/кг. 

Плазменная обработка таких растворов приведет к существенному снижению удельных энергозатрат на их переработку (с 4,0 до 0,1 МВт·ч/т), позволит значительно увеличить производительность плазменных установок, а также обеспечит условия в плазмохимическом реакторе установки для прямого синтеза в воздушной плазме наноразмерных сложных оксидных композиций, имеющих гомогенное распределение фаз, высокую теплопроводность, а также требуемый стехиометрический состав без дополнительного водородного восстановления.

«Также впервые мы предлагаем применить после плазмохимического реактора охлаждение — закалку — в центробежно-барботажных аппаратах продуктов плазмохимического синтеза. Таким образом, можно будет управлять физико-химическими и технологическими свойствами получаемых порошков сложных оксидных композиций, — подчеркивает политехник. — Установка потребляет от сети 100 кВт электрической мощности и выдает через высокочастотный факельный плазмотрон 60 кВт в виде воздушно-плазменной струи. Этой мощности достаточно для переработки 1000 л/ч раствора ВОНР вместо 10 л/ч раствора ВНР. Получается, что при той же самой потребляемой электрической мощности можем поднять производительность установки в 10 раз, — отмечает Александр Каренгин. — Кроме того, когда мы перерабатываем растворы ВОНР, в реакторе установки с каждой тонны вырабатывается много тепловой энергии, которую мы можем использовать для технологических и бытовых нужд.

Допустим что мы тратим 100 кВт электрической мощности на тонну раствора ВОНР — это условно 300 рублей по затратам электроэнергии, — и получаем примерно 2,0 МВт ч/т (1,7 Гкал/т) тепловой энергии. Исходя из стоимости 500 рублей за 1 Гкал мы на выходе получаем около 800 рублей, то есть остаемся в плюсе — 500 рублей с каждой тонны — это фантастика! Безусловно, наш подход очень перспективный».

По словам Александра Каренгина, результаты проведенных исследований в ТПУ на модельных растворах ВОНР будут использованы для создания и промышленного освоения энергоэффективной технологии крупнотоннажного плазмохимического синтеза наноразмерных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива, например дисперсионного, REMIX, MOX и др. Это позволит развернуть промышленное производство конкурентоспособного ядерного топлива и его поставку на действующие в России и за рубежом атомные электростанции.

 

Источники

Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ядерного топлива
Служба новостей ТПУ (news.tpu.ru), 08/08/2019
Найден способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
Актуальные новости (actualnews.org), 08/08/2019
Ученые предложили способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
Forbes Kazakhstan (forbes.kz), 08/08/2019
Ученые предложили способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
ТАСС, 08/08/2019
Ученые предложили способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
TmBW.Ru, 08/08/2019
Ученые предложили способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 08/08/2019
Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ЯТ
PRoAtom (proatom.ru), 08/08/2019
Ученые предложили способ быстро получать ядерное топливо с циклом использования до 15 лет
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 08/08/2019
Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ядерного топлива
Российский научный фонд (рнф.рф), 09/08/2019
Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ядерного топлива
Российский научный фонд (rscf.ru), 09/08/2019
Томская область: Ученые ТПУ разрабатывают основы технологии для получения перспективных типов ядерного топлива
Молодежное информационное агентство (миамир.рф), 09/08/2019
Будущее атомной энергетики находится в Томске
ВПК новости (vpk.name), 12/08/2019
Будущее атомной энергетики находится в Томске
Око планеты (oko-planet.su), 11/08/2019
Будущее атомной энергетики находится в Томске
Война и мир (warandpeace.ru), 11/08/2019
Будущее атомной энергетики находится в Томске
Военно-промышленный курьер (vpk-news.ru), 11/08/2019
В России нашли способ получать ядерное топливо с использованием до 15 лет - "Технологии"
Новости дня (novosti-dny.ru), 11/08/2019
В России нашли способ получать ядерное топливо с использованием до 15 лет
Eadaily.com, 11/08/2019
В России нашли способ получать ядерное топливо с использованием до 15 лет
Seldon.News (news.myseldon.com), 11/08/2019
Будущее атомной энергетики находится в Томске
SMIonline (so-l.ru), 11/08/2019
Пульс дня Новосибирска
Честное слово (chslovo.com), 09/08/2019

Похожие новости

  • 25/10/2016

    Томские ученые создадут первый в РФ томограф для изучения сложнейших объектов

    ​Ученые Томского политехнического университета выиграли конкурс Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы".
    1768
  • 25/09/2019

    Ученые ТГУ нашли новые пульсации в пламени «горелки» для тяжелого топлива

    Исследования нового устройства, созданного в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук и предназначенного для бессажевого сжигания тяжёлого углеводородного топлива с паровой газификацией, провели на механико-математическом факультете.
    349
  • 21/06/2019

    Томские ученые создали новый сплав с памятью формы, который превзошел никелид титана

    ​Ученые лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ в рамках совместного гранта РНФ и Немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG) разработали новый сплав с памятью формы. По функциональным характеристикам он превосходит никелид титана – лидера среди материалов, способных восстанавливать свою форму при нагреве после высоких внешних нагрузок.
    375
  • 29/06/2018

    Как ученые ТПУ помогают искать жизнь во Вселенной

    ​Исследование межзвездной среды, поиск экзопланет, изучение Солнечной системы - все это происходит в основном в лабораториях, где обрабатываются данные с межпланетных космических станций или мощных телескопов.
    666
  • 31/05/2016

    До конца 2018 года ТПУ завершит создание Научного парка

    ​Первая очередь Научного парка, открытая к 120-летнему юбилею Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) стала, вероятно, самым весомым и ценным подарком вуза университетской элите, студентам, аспирантам и всем тем, кто не мыслит себя сегодня вне науки.
    1915
  • 24/10/2016

    Лазер томских ученых может служить медикам и «оборонщикам»

    Ученые ФИТ ТГУ создали лазерную систему генератор-усилительна парах стронция с большим набором длин волн и возможностью их селективного выделения. Благодаря этому установка может найти применение в разных областях – от медицины до оборонно-промышленного комплекса.
    1287
  • 27/04/2018

    Томские ученые нашли способ обработки циркониевой керамики

    ​Ученые из Томского политехнического университета нашли способ обработки циркониевой керамики, который сохраняет ее прочность. Об этом рассказал ведущий научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергей Гынгазов.
    638
  • 16/09/2019

    Томские ученые намерены доставить на МКС безотходную теплицу

    ​Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) планируют до конца 2022 года отправить на международную космическую станцию свои разработки - 3D-принтер для печати инструмента космонавтов, безотходную теплицу и устройства для защиты иллюминаторов от метеоритов - для их испытания в космических условиях, сообщил ТАСС директор Института физики высоких технологий ТПУ Алексей Яковлев.
    180
  • 14/02/2017

    Томский ученый Илья Романченко - о физике и разработках

    ​​​Томский физик Илья Романченко получил премию президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. В интервью РИА Томск он рассказал о том, как его работа может помочь в борьбе против раковых клеток и террористов, почему в физике недостаточно просто выучить формулы, а также на что он собирается потратить 2,5 миллиона рублей.
    3490
  • 07/11/2019

    Более 30 студентов и аспирантов ТПУ получили стипендии Президента и Правительства РФ

    ​В числе стипендиатов Президента РФ — четыре студента и семь аспирантов Томского политехнического университета. Стипендию Правительства России будут получать 13 студентов и семь аспирантов. В течение учебного года, помимо основной, они ежемесячно будут получать дополнительную стипендию.
    303