Одной из составных частей замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) является переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Наиболее токсичными являются долгоживущие продукты деления (ПД) и минорные актиноиды (МА), накапливающиеся при работе ядерного реактора. После извлечения ОЯТ из приреакторных бассейнов целесообразно отделить ПД от актиноидов, которые можно повторно использовать в качестве ядерного топлива (ЯТ). Рецикл ЯТ в ЗЯТЦ обеспечивает снижение массы радиоактивных отходов (РАО). подлежащих захоронению, приблизительно в 20 раз со снижением уровня их радиоактивности на 10%. В мире получила распространение радиохимическая технология переработки ОЯТ − пьюрекс-процесс. Применение пьюрекс-процесса при переработке ОЯТ приводит к образованию большого количества жидких радиоактивных отходов.

В отделе проводятся исследования по магнитоплазменной переработке ОЯТ, с использованием физических методов (нагрев, ионизация и вращение плазмы) , для регенерации ядерного топлива и производства МОХ - топлива. Магнитопллазменная переработка ОЯТ является безводной технологией где требуется только электроэнергия, без применения химических реагентов, что способствует снижению опасности загрязнения окружающей среды.

Эксперименты проводятся на демонстрационно-имитационном сепараторе ДИС-1 с вращением плазмы в скрещенных магнитном и радиальном электрическом полях.

Рисунок 1. Фотография, схематический вид и продольное распределение магнитного поля ДИС-1	(1 - вакуумная камера, 2 - плазменный источник, 3 - соленоиды магнитного поля, 4 - система коаксиальных электродов для создания электрического поля, 5 - торцевой коллектор, 6 - продольный коллектор)

• Создание плазмы и исследование ее параметров;
• Управление ионными потоками и сепарация ионов во вращающейся плазме по массам;
• Создание плазмы и исследование ее параметров.

Создание плазмы и исследование ее параметров

Для исследовательских целей на установке ДИС-1 создавалась многокомпонентная плазма атомарных и молекулярных газов Ar, N2, CO2 и CH4 в стационарном и импульсном режиме. Осциллограммы токов и напряжений свидетельствуют о наличии дополнительных процессов, сопутствующих процессам ионизации (диссоциация, возбуждение колебательных и вращательных уровней). Проведены зондовые и оптические измерения, построены спектрограммы состава плазмы.

Управление ионными потоками и сепарация ионов во вращающейся плазме по массам

Сепарация ионов по массам в установке ДИС-1 определяется соотношением величин напряженностей продольного магнитного (H) и радиального электрического (Е) полей. Таким образом, возможно пространственно разделить ионы с разными массами. Тяжелые ионы попадают на продольный коллектор, а легкие ионы – на торцевой. Кроме того, в зависимости от соотношения Е и H ионные потоки могут менять направление с их сбором на заданный коллектор.

На начальных этапах эксперименты проводились с атомарными газами: Ar, Kr, Xe. В настоящее время проводятся эксперименты с молекулярными газами.

Концептуальный проект плазменного фильтра масс ДИС-2

Реализация магнитоплазменной переработки ОЯТ включает три последовательные стадии: нагрев, ионизация и сепарация ионов в плазменном фильтре масс.

На первой стадии предварительно измельченный материал ОЯТ нагревается до температур ≈2500°С. Разделение происходит по различию физико-химических свойств ПД и ЯТ. Предполагается выведение до 75% ПД.

На второй стадии оставшееся ОЯТ переводится в низкотемпературную плазму (Te = 5-10 eV). Разделение ионов происходит по различию потенциалов и сечений ионизации элементов и соединений.

На третьей стадии плазма вращается в скрещенных электрическом и магнитном полях в плазменном фильтре масс. При добавлении переменной составляющей электрического поля происходит пространственное разделение молекулярных ионов ОЯТ по массам с выходом ускоренных ионов ядерного топлива в локализованную область.

В настоящее время разработан концептуальный проект магнитоплазменного сепаратора с ожидаемой производительностью ~ 20тонн/год, что соответствует наработке ОЯТ реактора ВВЭР-1000. Предполагается, что в качестве имитатора ядерного материала в плазменном сепараторе нового поколения ДИС-2 используется нерадиоактивное модельное топливо.

1. A.M. Yegorov, V .B. Yuferov, S.V. Shariy, V.A. Seroshtanov, O.S. Druy, V.V. Yegorenkov, S.N.Khizhnyak, D.V. Vinnikov // Preliminary Study of the Demo Plasma Separator // Problems of Atomic Science and Technology, 2009. № 1(59), pp.122-124.
2. V.B. Yuferov, A.M. Yegorov, V.O. Ilichova, S.V. Shariy, K.I. Zhivankov Plasma Separation of Spent Nuclear Fuel – One of Possible Ways to Solve a Problem of Closed Fuel Cycle // Problems of Atomic Science and Technology, 2013. №2(84), pp. 148-151.
3. THE FORMATION OF COMPLEX CHEMICAL COMPOUNDS IN THE SPENT FUEL AND THEIR INFLUENCE ON SEPARATION PROCESSES// V. B. Yuferov , V. V. Katrechko, V. O. Ilichova, S. V. Shariy, A. S. Svichkar, M. O. Shvets, I. V. Buravilov, S. N. Khizhnyak/ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2017, N3(109). Series: Nuclear Physics Investigations (68), p.31-34.
4. The Magnetoplasma Separation Method Of Spent Nuclear Fuel// V.B. Yuferov, S.V. Shariy, T.I. Tkachova, V.V. Katrechko, A.S. Svichkar, V.O. Ilichova, M.O. Shvets, E.V. Mufel /Problems Of Atomic Science And Technology. 2017, № 1(107) , № 1. Series: Plasma Physics (23), p. 223-226.
5. В.Б. Юферов, В.В. Катречко, С.В. Шарый, А.С. Свичкарь, Т.И. Ткачёва, Е.В. Муфель, В.О. Ильичева, С.Н. Хижняк Физические принципы разделения многокомпонентных сред при термонагреве // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. 2015, №2(96), стр. 43-47.
6. Grinding The Spent Nuclear Fuel Simulating Materials For The Magnetoplasma Separation D.V. Vinnikov, N.A. Shulgin, V.V. Katrechko, V.B. Yuferov, V.I. Sokolenko, V.I. Tkachev, A.N. Ponomarev, I.V. Buravilov Problems Of Atomic Science And Technology. 2016. №4(104), pp.54-57
7. Calculations Of Ion Trajectories At Magnetoplasma Separation And Experiments With Polyatomic Gases// V.B. Yuferov, S.V. Shariy, T.I. Tkachova, V.V. Katrechko, A.S. Svichkar, V.O. Ilichova, M.O. Shvets, E.V. Mufel / Acta Polytechnica 57(1):71–77, 2017 doi:10.14311/AP.2017.57.0071
8. V.B.Yuferov, S.V.Sharyi, Е.V.Mufel, V.О.Ilichova, Peculiarities Of The Magnetoplasma Separation Of The Groups Of Heated And Ionized Elements // Problems of Atomic Science and Technology, 2014, №3(91). pp.222–226.
9. V. B.Yuferov, S. V. Shariy, V. V. Katrechko, E. V. Mufel, A. S. Svichkar, V. O. Ilichova, S. N. Khizhnyak// Features of molecular plasma SNF after heating and ionization. Problems of Atomic Science and Technology, 2014, №5(93), pp.63-68
10. V.B. Yuferov, V.V. Katrechko, T.I. Tkachova, S.V. Shariy, A.S. Svichkar, E.V. Mufel, V.О. Ilichova, M.O. Shvets Some questions of SNF reprocessing at the stages of ionization and magnetoplasma separation in crossed fields // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Electronics and New Methods of Acceleration. 2015, №4(98), pp. 345-349.
11. V.B. Yuferov, V.V. Katrechko, A.S. Svichkar, S.V. Shariy, T.I. Tkachova, E.V. Mufel, V.О. Ilichova, А.Yu. Pakhomov Problems of Impuruties Deducing from Multicomponent Media at Thermal Heating, Ionization and Rotation of Plasma in Crossed Fields // Problems of Atomic Science and Technology, 2016. №1(101), pp.124-130.
12. V.B. Yuferov, S.V. Shariy, M.O. Shvets, A.N. Ozerov. Gas-metal plasma source project for the separation technology // Problems of Atomic Science and Technology. – 2014. №5(93), pp.184-187.
13. Features Of Plasma Formation At Ionization Stage For Magnetoplasma Reprocessing // V.V. Katrechko, V.B. Yuferov, T.I. Tkachova, A.S. Svichkar, S.V. Shariy, V.O. Ilichova / Problems Of Atomic Science And Technology. 2016, № 6. Series: Plasma Physics (22), p. 238-240.
14. The Calculations Of Uranium And Lanthanum Oxides Trajectories At Magnetoplasma Separation Stage //V.B. Yuferov, T.I. Tkachova, V.V. Katrechko, A.S. Svichkar, V.O. Ilichova, S.V. Shariy/ Problems Of Atomic Science And Technology. 2017, № 1(107). Series: Plasma Physics (23), p. 207-210.