Цирконій у глухому куті

Вибір магній-хлоридної технології з виробництва ядерно-чистого цирконію, яку планують упровадити в рамках держпрограми «Ядерне паливо України» на ДНВП «Цирконій» (м. Дніпродзержинськ), багато фахівців уважають помилковим і пропонують Мінпаливенерго переглянути цей розділ програми. Тим більше, що дослідно-промислове виробництво такого цирконію за кальцієтермічною технологією було апробовано ще наприкінці 80-х років. Досягнуті результати не перевершено досі.

Один із розділів державної цільової економічної програми «Ядерне паливо України», затвердженої в 2009 році постановою Кабінету Міністрів, присвячений відтворенню в Дніпродзержинську (Дніпропетровська область) виробництва ядерно-чистого цирконію, необхідного для виготовлен­ня конструкційних елементів ядерного реактора. «УТГ» неодноразово зверталася до цієї теми й розповідала, які проблеми доводиться долати держ­підприємству «Цирконій» у зв’язку із приєднанням до цієї програми.

Свої погляди на розв’язання тих або інших питань на шпальтах «УТГ» висловлювали Костянтин Ліндт, який очолював ДП «Цирконій» у 2004—2010 рр. («Важкий цирконій», №27 від 14 липня 2009 р.), Віра Вахрушева – заступник­­ ­директора з наукової роботи НДІ трубної промисловості ім. Я. Осади ­(«ТВЕЛовий­ «кубик-рубик», №31 від 11 серпня 2009 р.), Леонід Громок — виконуючий обов’язки генерального директора цього підприємства,­ Петро Швидько — керівник сектора урану й освоєння підземних просторів Академії гірничих наук України.

Досі існують розбіжності із приводу вибору методу виробництва ядерно-чистого цирконію. Одні фахівці наполягають на впровадженні магній-хлоридної технології, затвердженої відповідно до програми з ядерного палива. Інші пропонують Міністерству палива та енергетики негайно переглянути відповідний її розділ і зосередитися на реанімації кальцієтермічної технології, освоєної в Дніпродзержинську понад 20 років тому.

Сьогодні до обговорення «цирконієвої проблеми» долучився керівник науково-виробничого підприємства­­ «Науково-технологічний центр» ­(м. Дніпро­­­­дзержинськ) Микола Скрипко.

Мета — екологічно чиста технологія

— У світі застосовують зараз дві технології промислового виробництва ядерно-чистого цирконію — магній-хлоридну (за методом Кролля), використовувану майже всіма країнами, які виробляють ядерне паливо, і електролізну, на якій працює Росія. У кожної з них чимало недоліків, у результаті чого виробничники не можуть одержати продукт вищої якості. Крім того, в обох технологіях від самого початку закладений негативний вплив на екологію районів розміщення цирконієвих заводів або цехів.

Так, хлоридна технологія призводить до утворення відходів хлору, які дуже важко утилізувати. У США їх просто скидають на пустельних територіях, далеко від населених пунктів. При застосуванні електролізної технології також утворюються хлоридні відходи, які «ховають» у свердловини глибиною до 1 км. Електролізний метод до того ж призводить до виділення фреону, який руйнує озоновий шар атмосфери Землі. В усьому світі такі технології заборонені, і Росія свого часу підписала конвенцію про відмову від технологій, пов’язаних з утворенням фреону.

Але, мабуть, головні негативні наслідки цього методу — низьке вилучення цирконію з вихідної сировини,­ він не забезпечує необхідного рівня вмісту гафнію — «нейтронної отрути­» — у цирконії та призводить до одержання пірофорного порошку цирко­нію, який треба легувати ніобієм і пере­творювати на компактний метал, що ускладнює процес і впливає на якість готової продукції.

Всі ці недоліки були відомі, коли ухвалювалося рішення про створення в Дніпродзержинську найбільшого виробництва у світі й другого в Союзі з одержання ядерно-чистого цирконію на базі місцевої сировини (із м. Вільногорська Дніпропетровської області). Тому профільні інститути в Москві почали разом із фахівцями Придніпровського хімічного заводу шукати найприйнятніший технологічний варіант. Від магній-хлоридної технології відмовилися відразу з огляду на її недоліки й ті негативні результати, які одержали на спеціально створеній у Вільногорську дослідній установці з виробництва металевого цирконію.

Відштовхнулися від урану

Оскільки на той час широкого вибору не було, вирішили зупинитися на електролізі. Однак цей варіант не міг улаштувати дніпродзержинців, на частку яких і без того припадало багато­ шкідливих викидів із декількох десятків промислових підприємств. Тож паралельно з початком робіт зі створення цирконієвого виробництва Всесоюзний науково-дослідний інститут хімічних технологій (м. Москва), Академія наук України, Інститут зварювання ім. Патона, Харківський і Томський політехнічні інститути, фахівці уранових заводів почали розробляти нову — кальцієтермічну екстракційну технологію. Науковим керівником програми в Дніпродзержинську призначили Юрія Коровіна, який очолював у той час Придніпровський хімічний завод.

Вибір Дніпродзержинська для створення в СРСР другого промислового­­­ виробництва цирконію (перше побудували­­ в м. Глазові, РФ) був обумовлений наяв­ністю на цьому підприємстві високо­кваліфікованих кадрів ІТП і робітників,­ які мають успішний досвід у створенні­ маловідхідних технологій із комплек­сним­ використанням сировини у вироб­­ництві урану, а також потужної будівельно-монтажної бази.

Перед групою розробників поставили завдання, по-перше, створити цілком безвідхідну технологію, по-друге, кінцевим продуктом має бути злиток металу, а не губка або порошок. Активну участь у вирішенні всіх питань брав досвідчений виробничник і організатор — начальник третього головного управління Міністерства середнього машинобудування Володимир Потанін, а також особисто міністр Євген Славський.­ Коли стало зрозуміло, що нову технологію створено, Славський під час чергового приїзду в Дніпродзержинськ ухвалив рішення про перехід від електролізної технології до екстракційної кальціє­термічної.

Не всі із цим погоджувалися. Категорично проти був заступник директора Всесоюзного науково-дослідного інституту матеріалознавства Федір ­Решетников, від якого великою мірою залежало, упроваджувати нову технологію чи ні. Але в підсумку він висловив своє схвалення й високо оцінив отримані результати.

Революційний переворот відбувся

Зрештою на початку 90-х років на ПХЗ уже випускали 100 тонн ядерно-чистого цирконію на рік. Так, були проблеми, які треба було вирішити. Але технологія показала всі переваги порівняно з відомими.

За розроблення екстракційного переділу кальцієтермічної технології, який дозволяв відокремити цирконій від гафнію та вульгарних домішок, і за створення спеціального обладнання — мідних охолоджуваних індукційних печей, які робив московський МЕЗ, авторський колектив здобув дві Держпремії СРСР.

Нова технологія зробила буквально революційний переворот у виробництві ядерно-чистого цирконію. За її основу було взято уранову технологію, яка дозволяє одержувати злитки вагою до 10 тонн. Деталі й нюанси були, звичайно ж, іншими. Наприклад, на одній із початкових стадій техпроцесу вдалося одержати тетрафторид цирконію, до мінімуму скоротивши в ньому вміст кисню. Виявилося, що цей продукт із успіхом можна застосовувати за електролізного методу одержання цирконію. Використання тетрафториду цирконію сприяло підвищенню якості вироблюваного там металу­ за гафнієм, а також поліпшенню са­мого­ процесу електролізу. Для ПХЗ було дуже вигідно відправляти свій продукт у Росію, але, на жаль, керівникам не вдалося домовитися стосовно цін, і поставки тетрафториду цирконію припинилися.

Однак повернемося до переваг кальцієтермічної технології. Щоб одержати метал потрібної якості, створили спеціальні індукційні печі із трикубовими мідними охолоджуваними тиглями, які дозволяють вести процес відбудовної плавки в стерильних умовах. У них одержували злитки цирконію вагою 300 кг!­ Щоб звільнити отриманий метал від шлаків, Інститут зварювання ­­ім. Патона­ розробив електронно-променеву піч, уперше застосовану саме у виробництві ядерно-чистого цирконію на ПХЗ у Дніпродзержинську. Після обробки в цій печі наприкінці технологічного ланцюжка одержували кондиційні злитки. Що особливо важливо — ця технологія екологічно чиста й абсолютно безвідхідна: крім металевих цирконію й гафнію, хімреагенти й продукти реакції утилізуються у вигляді нітрату натрію, фтористого кальцію, рідкого скла й білої сажі.

Свого часу таку ж технологію намагалися створити в Канаді, але не змогли вирішити ряд технічних питань. А на ПХЗ удалося довести процес до промислового рівня.

Ще один дуже важливий нюанс: ніхто ніколи не ризикне застосувати цирконій для виробництва тепловидільних елементів ядерних реакторів без усебічної перевірки. Дніпродзержинський метал пройшов тривалі випробування в інститутах атомної енергії в Москві й Димитровграді, був перевірений у реальних умовах на Ленінградській і Нововоронезькій атомних станціях. У 1989 році було ухвалене рішення про повномасштабні промислові випробування на Нововоронезькій АЕС виробів з ядерно-чистого цирконію, отриманого за кальцієтермічною технологією. За завданням Мінсередмашу дніпродзержинські хіміки відправили в м. Глазов 10 тонн ядерно-чистого цирконію. Однак незабаром Союз розпався, і промислові випробування не відбулися.

Тим часом у Росії вже після розвалу СРСР вирішили відмовитися від застарілої електролізної технології й пішли шляхом магній-хлоридної. Так і незрозуміло, чому росіяни не вибрали кальцієтермічну технологію, у розробці якої брали найактивнішу участь разом із українськими вченими та виробничниками. Але найголовніше питання — чому в Україні під час ухвалення держпрограми з ЯПЦ замість кальцієтермічної теж вибрали менш ефективну та екологічно небезпечну магній-хлоридну технологію? Адже під неї ще треба створити виробничі потужності, на що знадобиться багато часу й фінансових витрат, а також вирішити принципове питання: де хлорувати — у Запоріжжі чи Дніпродзержинську? А у разі використання магній-хлоридної технології цим містам уже не буде чого втрачати…

Головне — не спізнитися

Сьогодні ще не пізно повернутися до цієї теми й ухвалити єдино правильне рішення. Для цього необхідно зібрати фахівців, безпосередніх учасників розроблення кальцієтермічної технології, і обговорити питання її впровадження на рівні вищих державних органів влади. Обрахувати економіку з урахуванням показників якості. Можливо, створити спільне підприємство з Росією. Це було б однаково вигідно для обох держав.

У будь-якому разі необхідне широке обговорення цирконієвого питання програми ядерно-паливного циклу. Поки не пізно, усе ще можна змінити й скористатися досвідом, накопиченим у Дніпродзержинську. Адже крім нас ніхто у світі так і не навчився одержувати ядерно-чистий цирконій із вмістом гафнію 0,003—0,005%. У Росії за електролізної технології цей показник становить 0,035%, в інших країнах — 0,01%. Отже, наш цирконій набагато краще може працювати в реальних умовах ядерного реактора, бо він дозволяє, за розрахунками фахівців, збільшити на 4% глибину вигоряння палива в активній зоні реактора.

До речі

Програма «Ядерне паливо України», спрямована на забезпечення розвитку уранового та цирконієвого виробництва в Україні й створення потужностей для виробництва ядерного палива та його елементів, зокрема, передбачає створення повного циклу цирконієвого виробництва з випуском цирконієвого прокату обсягом 170 тонн на рік.

Довідка «УТГ»

ТВЕЛ — тепловидільний елемент, конструкційна частина активної зони ядерного реактора. ТВЕЛи поєднуються в тепловидільні складання (ТВС) у вигляді шестигранного пучка довжиною 2,5—3,5 м (що приблизно відповідає висоті активної зони) і діаметром 30—40 см. Для їхнього виготовлення використовують сплав цирконію, що сприяє зменшенню поглинання нейтронів. В одній ТВС зазвичай міститься 150—350 ТВЕЛів, в активну зону реактора вміщається 200—450 ТВС.

До речі

У США закон проти спаму був ухвалений у 2003 році. Голова корпорації «Майкрософт» Білл Гейтс тоді заявив, що через два роки Інтернет буде вільний від спаму. У допомогу закону про боротьбу з непрошеною електронною поштою були придумані сотні фільтрів. Один із них створив знаменитий винахідник із Силіконової долини Стівен Кірш (той самий, який 25 років тому придумав нову, більш досконалу конструкцію комп’ютерної мишки). Він теж не утримався від прогнозу — за його словами, «мишоловка» для спаму повинна була ловити 99% непрошеної пошти. А спам тим часом живий-здоровий.