Цирконий в тупике

Выбор магний-хлоридной технологии по производству ядерно-чистого циркония, которую собираются внедрить в рамках госпрограммы «Ядерное топливо Украины» на ГНПП «Цирконий» (г. Днепродзержинск), многие специалисты считают ошибочным и предлагают Минтопэнерго пересмотреть этот раздел программы. Тем более, что опытно-промышленное производство такого циркония по кальцийтермической технологии было апробировано еще в конце 80-х годов. Достигнутые результаты остаются непревзойденными до сих пор.

Один из разделов государственной целевой экономической программы «Ядерное топливо Украины», утвержденной в 2009 году постановлением Кабинета Министров, посвящен воссозданию в Днепродзержинске (Днепропетровская обл.) производства ядерно-чистого циркония, необходимого для изготовления конструкционных элементов ядерного реактора. «УТГ» неоднократно обращалась к данной теме и рассказывала, какие проблемы приходится преодолевать госпредприятию «Цирконий» в связи с вхождением в эту программу.

Свои взгляды на решение тех или иных вопросов на страницах «УТГ» высказывали Константин Линдт, руководивший ГП «Цирконий» в 2004—2010 гг. («Трудный цирконий», №27 за 14 июля 2009 г.), Вера Вахрушева — замдиректора по научной работе НИИ трубной промышленности им. Я. Осады («ТВЭЛовый «кубик-рубик», №31 за 11 августа 2009 г.), Леонид Громок — исполняющий обязанности генерального директора данного предприятия, Петр Швыдько — руководитель сектора урана и освоения подземных пространств Академии горных наук Украины.

До сир пор существуют разногласия по поводу выбора метода производства ядерно-чистого циркония. Одни специалисты настаивают на внедрении магний-хлоридной технологии, утвержденной в соответствии с программой по ядерному топливу. Другие предлагают Министерству топлива и энергетики незамедлительно пересмотреть соответствующий ее раздел и сосредоточиться на реанимации кальцийтермической технологии, освоенной в Днепродзержинске более 20 лет тому назад.

Сегодня к обсуждению «циркониевой проблемы» подключился руководитель научно-производственного предприятия «Научно-технологический центр» (г. Днепродзержинск) Николай Скрипко.

Цель — экологически чистая технология

— В мире применяют сейчас две технологии промышленного производства ядерно-чистого циркония — магний-хлоридную (по методу Кролля), используемую практически всеми странами, производящими ядерное топливо, и электролизную, на которой работает Россия. У каждой из них немало недостатков, в результате чего производственники не могут получить продукт высшего качества. Кроме того, в обеих технологиях изначально заложено негативное влияние на экологию районов размещения циркониевых заводов или цехов.

Так, хлоридная технология приводит к образованию отходов хлора, которые очень сложно утилизировать. В США их просто сбрасывают на пустынных территориях, вдали от населенных пунктов. При электролизной технологии также образуются хлоридные отходы, которые прячут в скважины глубиной до 1 км. Электролизный метод к тому же ведет к выделению фреона, разрушающего озоновый слой атмосферы Земли. Во всем мире такие технологии запрещены, и Россия в свое время подписала конвенцию об отказе от технологий, связанных с образованием фреона.

Но, пожалуй, главные отрицательные стороны данного метода — низкое извлечение циркония из исходного сырья, он не обеспечивает необходимый уровень содержания гафния — «нейтронного яда» — в цирконии и приводит к получению пирофорного порошка циркония, который надо легировать ниобием и превращать в компактный металл, что усложняет процесс и влияет на качество готовой продукции.

Все эти недостатки были известны, когда принималось решение о создании в Днепродзержинске самого крупного производства в мире и второго в Союзе по получению ядерно-чистого циркония на базе местного сырья (из г. Вольногорска Днепропетровской обл.). Поэтому профильные институты в Москве начали вместе со специалистами Приднепровского химического завода искать наиболее приемлемый технологический вариант. От магний-хлоридной технологии отказались сразу, учитывая ее негативные стороны и те отрицательные результаты, которые получили на специально созданной в Вольногорске опытной установке по производству металлического циркония.

Оттолкнулись от урана

Поскольку на то время широкого выбора не было, решили остановиться на электролизе. Однако этот вариант не мог устроить днепродзержинцев, на долю которых и без того приходилось достаточно вредных выбросов с нескольких десятков промышленных предприятий. Так что параллельно с началом работ по созданию циркониевого производства Всесоюзный научно-исследовательский институт химических технологий (г. Москва), Академия наук Украины, Институт сварки им. Патона, Харьковский и Томский политехнические институты, специалисты урановых заводов начали разрабатывать новую — кальцийтермическую экстракционную технологию. Научным руководителем программы в Днепродзержинске назначили Юрия Коровина, возглавлявшего в то время Приднепровский химический завод.

Выбор Днепродзержинска для создания в СССР второго промышленного производства циркония (первое построили в г. Глазове, РФ) был обусловлен наличием на этом предприятии высококвалифицированных кадров ИТР и рабочих, имеющих успешный опыт в создании малоотходных технологий с комплексным использованием сырья в производстве урана, а также мощной строительно-монтажной базы.

Перед группой разработчиков поставили задачу, во-первых, создать полностью безотходную технологию, во-вторых, конечным продуктом должен быть слиток металла, а не губка или порошок. Активное участие в решении всех вопросов принимал опытный производственник и организатор — начальник третьего главного управления Министерства среднего машиностроения Владимир Потанин, а также лично министр Евгений Славский. Когда стало ясно, что новая технология практически создана, Славский во время очередного приезда в Днепро­дзержинск принял решение о переходе от электролизной технологии к экстракционной кальцийтермической.

Не все с этим соглашались. Категорически против выступал заместитель директора Всесоюзного научно-исследовательского института материаловедения Федор Решетников, от которого в большой степени зависело, внедрять или нет новую технологию. Но в итоге он высказал свое одобрение и высоко оценил полученные результаты.

Революционный переворот состоялся

В конце концов в начале 90-х годов на ПХЗ выпускали 100 тонн ядерно-чистого циркония в год. Да, были проблемы, которые предстояло решить. Но технология показала все преимущества в сравнении с известными.

За разработку экстракционного передела кальцийтермической технологии, который позволял отделить цирконий от гафния и вульгарных примесей, и за создание специального оборудования — медных охлаждаемых индукционных печей, которые делал московский завод МЭЗ, авторский коллектив получил две Госпремии СССР.

Новая технология совершила буквально революционный переворот в производстве ядерно-чистого циркония. За ее основу была взята урановая технология, позволяющая получать слитки весом до 10 тонн. Детали и нюансы были, конечно же, другими. Например, на одной из начальных стадий техпроцесса удалось получить тетрафторид циркония, до минимума сократив в нем содержание кислорода. Оказалось, что этот продукт с успехом можно применять при электролизном методе получения циркония. Использование тетрафторида циркония способствовало повышению качества производимого там металла по гафнию, а также улучшению самого процесса электролиза. Для ПХЗ было очень выгодно отправлять свой продукт в Россию, но, к сожалению, руководителям не удалось договориться о цене, и поставки тетрафторида циркония прекратились.

Однако вернемся к преимуществам кальцийтермической технологии. Чтобы получить металл нужного качества, создали специальные индукционные печи с трехкубовыми медными охлаждаемыми тиглями, позволяющими проводить процесс восстановительной плавки в стерильных условиях. В них получали слитки циркония весом 300 кг! Чтобы освободить полученный металл от шлака, Институт сварки им. Патона разработал электронно-лучевую печь, впервые примененную именно в производстве ядерно-чистого циркония на ПХЗ в Днепродзержинске. После обработки в этой печи, в конце технологической цепочки, получали кондиционные слитки. Что особенно важно — эта технология экологически чистая и полностью безотходная: кроме металлических циркония и гафния, химреагенты и продукты реакции утилизируются в виде нитрата натрия, фтористого кальция, жидкого стекла и белой сажи.

В свое время такую же технологию пытались создать в Канаде, но не смогли решить ряд технических вопросов. А на ПХЗ удалось довести процесс до промышленного уровня.

Еще один очень важный нюанс: никто никогда не рискнет применить цирконий для производства тепловыделяющих элементов ядерных реакторов без всесторонней проверки. Днепродзержинский металл прошел длительные испытания в институтах атомной энергии в Москве и Димитровграде, был проверен в реальных условиях на Ленинградской и Нововоронежской атомных станциях. В 1989 году приняли решение о полномасштабных промышленных испытаниях на Нововоронежской АЭС изделий из ядерно-чистого циркония, полученного по кальцийтермической технологии. По заданию Минсредмаша днепродзержинские химики отправили в г. Глазов 10 тонн ядерно-чистого циркония. Однако вскоре Союз распался, и промышленные испытания не состоялись.

Между тем в России уже после развала СССР решили отказаться от устарелой электролизной технологии и пошли по пути магний-хлоридной. Так и непонятно, почему россияне не выбрали кальцийтермическую технологию, в разработке которой принимали самое активное участие вместе с украинскими учеными и производственниками. Но самый главный вопрос — почему в Украине при принятии госпрограммы по ЯТЦ вместо кальцийтермической тоже выбрали менее эффективную и экологически опасную магний-хлоридную технологию? Ведь под нее еще нужно создать производственные мощности, на что понадобится много времени и финансовых затрат, а также решить принципиальный вопрос: где — в Запорожье или Днепро­дзержинске — вести процесс хлорирования? А при использовании магний-хлоридной технологии этим городам уже нечего будет терять…

Главное — не опоздать

Сегодня еще не поздно вернуться к этой теме и принять единственно правильное решение. Для этого необходимо собрать специалистов, непосредственных участников разработки кальцийтермической технологии, и обсудить вопрос ее внедрения на уровне высших государственных органов власти. Просчитать экономику с учетом показателей качества. Возможно, создать совместное предприятие с Россией. Это было бы одинаково выгодно для обоих государств.

В любом случае необходимо широкое обсуждение циркониевого вопроса в программе ядерно-топливного цикла. Пока не поздно, все еще можно изменить и воспользоваться опытом, накопленным в Днепродзержинске. Ведь кроме нас никто в мире так и не научился получать ядерно-чистый цирконий с содержанием гафния 0,003—0,005%. В России при электролизной технологии этот показатель составляет 0,035%, в других странах — 0,01%. А значит, наш цирконий гораздо лучше может работать в реальных условиях ядерного реактора, потому что он позволяет, по расчетам специалистов, увеличить на 4% глубину выгорания топлива в активной зоне реактора.

Кстати

Программа «Ядерное топливо Украины», направленная на обеспечение развития уранового и циркониевого производства в Украине и создание мощностей для производства ядерного топлива и его элементов, в частности, предусматривает создание полного цикла циркониевого производства с выпуском циркониевого проката в объеме 170 тонн в год. 

Справка «УТГ»

ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент, конструкционная часть активной зоны ядерного реактора. ТВЭЛы объединяются в тепловыделяющие сборки (ТВС) в виде шестигранного пучка длиной 2,5—3,5 м (что примерно соответствует высоте активной зоны) и диаметром 30—40 см. Для их изготовления используют сплав циркония, что способствует уменьшению поглощения нейтронов. В одной ТВС обычно содержится 150—350 ТВЭЛов, в активную зону реактора помещается 200—450 ТВС.