proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Очередные санкции США против России – это:
Спектакль, срежиссированный высшим руководством
Торговая война Запада против России
Реакция западного общества на российскую экспансию
Попытка сдержать бурное развитие военной мощи РФ
Другое

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[26/01/2007]     Кому нужен Изотоп 10В?

 В.Д.Рисованый, директор отделения материаловедения и технологий ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», д.т.н., член-корр. АТН РФ, профессор кафедры физики ДФ УлГУ

Замкнутый топливный цикл достаточно широко декларируется и реализуется во многих странах, например, во Франции. Создание же замкнутого цикла поглощающих материалов нами реализовано впервые в мире.
Разработки НИИАР по замкнутому циклу защищены тремя патентами Российской Федерации.

Постановка вопроса. Стратегия развития атомной энергетики России, как и во всем мире, по крайней мере, после 2030 года основывается на строительстве преимущественно ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Одна из физических особенностей этих реакторов – использование в них ограниченного количества стержней управления и защиты (СУЗ), способных эффективно поглощать нейтроны с высокой энергией, свыше 1 МэВ. Теоретически в природе существуют только три химических элемента, которые могут быть для этого использованы – бор, европий и тантал. Как показали исследования, два последних элемента, хотя и обладают приемлемыми ядерно-физическими свойствами, имеют целый ряд ограничений. Для европия – это, прежде всего, высокая активность накапливаемых радионуклидов (152Eu, 154Eu, 155Eu) с большим периодом полураспада (более 13 лет), что создает серьезные проблемы безопасной эксплуатации и обращения с отработавшими стержнями. Тантал характеризуется высоким энерговыделением, низкой радиационной и коррозионной стойкостью. И только соединения на основе бора, прежде всего, карбид бора, остаются, по существу, единственными материалами, от которых реально зависит развитие атомной энергетики на реакторах с быстрыми нейтронами.
Почему изотоп 10В? Ядерно-физические свойства бора поистине уникальны (см. монографию «Бор в ядерной технике» издательства НИИАР, 2003 г.). Природный бор состоит из двух изотопов 10В и 11В с содержанием 19,8% и 80,2%, соответственно. При этом 10В характеризуется самым высоким, из всех известных изотопов и элементов таблицы Менделеева, сечением поглощения нейтронов высокой энергии, не образуя при этом новых нейтронов. Поэтому в стержнях аварийной защиты (АЗ) всех ядерных реакторов на быстрых нейтронах всегда использовался, используется и будет использоваться бор с высоким (более 80%) обогащением по изотопу 10В в различных соединениях, например, в форме карбида бора (ВхС, где х=4…10).
   Проблема. Лидером в производстве изотопа 10В является США. Судя по публикациям, он также производится в Германии, Великобритании, Франции, очень вероятно в Китае и Японии. Например, только в США под программу «звёзд  войн» в 1980-е годы были созданы мощности по производству до 10000 кг изотопа 10В в год (большинство из них законсервированы). Реальные же потребности, по нашим оценкам, не превышают в последние годы 500 кг в год. В то же время, рыночная цена изотопа  10В постоянно возрастает и сильно зависит от количества покупаемого материала и его обогащения. Например, в 1995 г. – 200 кг порошка бора 80%-го обогащения по изотопу  10В можно было купить по цене 2–3 тыс. $ США/кг. По последней информации, она возросла в несколько раз… К сожалению, из-за небольшого количества поставщиков, специфического использования изотопа 10В, цена на него формируется, исходя из конъюнктуры, а порой политической целесообразности. И Россия не должна от этого зависеть. Пускай для реактора БН-600 ежегодно требуется 10–15 кг В4С (80%10В). Но без него реактор будет остановлен. Поэтому «шантаж» вполне реален, так как  в России отсутствует производство обогащения бора по изотопу 10В. После распада Советского Союза оно осталось в Грузии, на бывшем предприятии Министерства Среднего Машиностроения – Институте стабильных изотопов (ныне национальный Центр Высоких технологий Грузии). И поныне это предприятие остается основным поставщиком в Россию материалов на основе изотопа 10В. Таким образом, сохраняется зависимость эксплуатации ядерных реакторов на быстрых нейтронах от зарубежных поставок, что абсолютно недопустимо для страны, претендующей на мировое лидерство в области развития ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Разговоры о создании отечественного производства активно ведутся в последние годы, но до сих пор в России оно не создано. Предложения нашего института о создании такого  производства направлены руководству Росатома еще в 2005 году. Окончательного решения пока нет. Могу только заверить, что наш вариант производства по обогащению бора изотопами 10В и 11В наиболее реалистичен и эффективен, так как основан на многолетнем опыте и не требует НИОКР. Производство создается за 2–3 года и окупается за 3–4 года при условии гарантированной ежегодной реализации 200 кг.


Эту проблему необходимо решить в самые ближайшие годы, т.к. под угрозой может оказаться пуск в эксплуатацию энергетического ядерного реактора на быстрых нейтронах БН-800, выход которого на мощность запланирован в 2012 году, и для которого необходимо на порядок больше карбида бора высокого обогащения по изотопу 10В по сравнению с годовой потребностью реактора БН-600. К тому же, кроме атомной промышленности, изотоп 10В необходим для использования в космической технике, медицине, а изотоп 11В высокой чистоты (99,9999%) – в электротехнической промышленности как полупроводник с уникальными свойствами.
            Решение проблемы. При решении данной проблемы необходимо учитывать несколько факторов. Прежде всего, определиться с объемами производства изотопа 10В и эффективным его использованием, т.к. стоимость, например, 1 кг порошка бора с 90%-м обогащением по изотопу 10В может достигать 16¸20 тыс. $ США (по запросу в 1 кв. 2006 г. «Eagle Picher», США – мирового лидера в производстве изотопа 10В). По нашим данным, через 3–4 года России (не только Росатому, но и предприятиям других отраслей) потребуется производство по обогащению изотопа 10В производительностью не менее 200 кг в год с одновременной реализацией замкнутого цикла его использования в ядерных реакторах на быстрых нейтронах (рис. 1). И если первая проблема требует своего практического решения, то вторая задача нами успешно реализована на действующих реакторах БН-600 и БОР-60.



Замкнутый цикл в использовании изотопа 10В. Актуальность работ по созданию замкнутого цикла в использовании бора с высоким обогащением по изотопу 10В впервые широко обсуждалась в 1983 году в г.Обнинске, где состоялось заседание Технического комитета МАГАТЭ по проблемам стержней СУЗ ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Специалистами Японии был сделан доклад о возможности очистки облученного карбида бора от радионуклидов с использованием фторной технологии. Но, как выяснилось позднее, из-за возникших технических трудностей и больших финансовых затрат поставленная задача не была решена. В конце 1990-х годов исследования по переработке облученного карбида бора проводились в ФЭИ, которые также не были завершены. Перевод карбида бора в газообразный фторид бора не позволял полностью «очиститься» от радионуклидов, в частности европия.
            В инициативном порядке работы по рефабрикации облученного карбида бора были начаты в Государственном научном центре Российской Федерации «Научно-исследовательском институте атомных реакторов» (г.Димитровград, Ульяновская обл.) в 1992 году и были связаны с необходимостью изготовления стержней СУЗ для реактора на быстрых нейтронах БОР-60, расположенного на площадке института. Позднее эти работы были поддержаны Фондом технологических разработок Министерства науки и технологии Российской Федерации (1994–1996 гг.) и вошли в Федеральную целевую программу «Национальная технологическая база» на 2002–2006 гг., утвержденную постановлением Правительства РФ от 08.11.2001 г. № 779 (п.86 мероприятий Программы).
            Изначально ставилась задача очистки облученного карбида бора из отработавших стержней СУЗ от радионуклидов до фоновых значений, что позволяло бы получаемый материал повторно использовать в стержнях СУЗ. Наличие такой возможности было обосновано экспериментально проведенными исследованиями. Было показано, что после эксплуатации в режиме АЗ среднее выгорание изотопа 10В не превышает 2% при допустимом до 20%. Кроме того, существует возможность увеличения плотности таблеток на 8¸10%. Таким образом, без дообогащения выгоревшего бора облученные таблетки карбида после очистки от радионуклидов могут, как минимум, 10 раз повторно использоваться в стержнях СУЗ, ресурсные характеристики которых ограничиваются радиационной стойкостью конструкционных материалов.
            Первоначально был выполнен большой комплекс исследований, направленный на поиск эффективной очистки – глубокая дезактивация раздробленного мелкодисперсного порошка, фторирование и т.д. К практическому использованию была рекомендована хлорная  переработка В4С+3Cl2®2BCl3­+C (рис. 2) или B4C+3CCl4®4BCl3­+4C с переводом трихлорида бора в борную кислоту BCl3+3H2O®H3BO3¯+3HCl, а борную кислоту в карбид бора 2H3BO3+3C®B4C+3CO2+3H2­.



Проходя через специальные фильтры, трихлорид бора и последующие соединения имеют фоновые значения по мощности экспозиционной дозы, при обращении с ними не требуется специальная защита (табл. 1).
Таблица 1. Активность образцов облученного карбида бора и продуктов его переработки
Продукт
Масса, кг
Активность радионуклидов, Бк
152Eu
154Eu
134Cs
137Cs
Обломок облученной таблетки
0,0052
29000
45200
2900
13900
Насыщенный раствор Н3ВО3
1,0




Оксид бора В2О3
1,5





            К настоящему времени переработаны все отработавшие стержни СУЗ реактора БОР-60, и с 1996 г. реактор полностью переведен на стержни с рефабрицированным карбидом бора.
            Стержни СУЗ нового поколения. В 1999 году в НИИАР было изготовлено два опытных стержня АЗ с рефабрицированным карбидом бора для реактора БН-600 для Белоярской АЭС (рис. 3).



Проект стержней был осуществлен ОКБМ, поглощающих элементов с рефабрицированным В4С – НИИАР. Стержни успешно отработали назначенный ресурс, и с 2006 года данным изделиям была присвоена литера О1. Это позволяет полностью перейти на изделия с комплектующими российского производства, устранив зависимость от зарубежных поставок. Одновременно были решены еще две чрезвычайно важные задачи – освобождение бассейна выдержки от отработавших стержней и создание конструкций стержней с повышенными ресурсными характеристиками.
Таким образом, в результате проведения в период 1992–2006 гг. научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ решена важная задача – впервые в России создано производство обогащенных по изотопу 10В материалов из отработавших стержней СУЗ в объемах, достаточных для обеспечения потребности атомной энергетики страны на ближайшие годы, по крайней мере, до пуска реактора БН-800 в эксплуатацию.
   Мировая новизна. Создан замкнутый цикл в использовании поглощающих материалов на основе изотопа 10В. И данный подход должен быть реализован для всех проектируемых и строящихся реакторов на быстрых нейтронах, включая БН-800, БН-1600, БРЕСТ, СВБР, ИМБИР.
            Экономическая эффективность. Методики расчета  стоимости замкнутого цикла могут быть самые разные. Например, можно принять к сведению риски за остановку и простой реактора из-за отсутствия изотопа 10В. По самым скромным подсчетам, их стоимость не ниже 25 млн $ США.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Материаловедение
· Новость от ProAtom


Самая читаемая статья: Материаловедение:
Уран – главный металл атомной энергетики

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 5
Ответов: 12


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Кому нужен Изотоп 10В? (Всего: 0)
от Гость на 29/01/2007
Рады за НИИАР, но где менеджмент по продвижению всего этого, кто будет (или кто заставит) вклыдывать во все это деньги сегодня, капусту тут сразу не срубишь.. поэтому все это к сожалению  останется фантазией, как и строительство 40 блоков АЭС.


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.09 секунды
Рейтинг@Mail.ru