Өзектілігі
Пайдаланылған ядролық отынмен (ПЯО) жұмыс істеу, әсіресе ядролық қондырғыларды пайдаланудан шығару кезеңінде атом энергетикасының ең күрделі және толық шешілмеген міндеттерінің бірі болып табылады. Мұндай жағдайларда ядролық және радиациялық қауiпсiздiк талаптарын, сондай-ақ таратпау саласындағы халықаралық мiндеттемелердi сақтай отырып, жинақталған ядролық материалдарды ұзақ мерзiмдi қауiпсiз сақтауды, қайта өңдеудi немесе түпкiлiктi көмудi қамтамасыз ету қажет.
Бұл проблема Қазақстан Республикасы үшiн 1973-1999 жылдар кезеңiнде Ақтау қаласында жұмыс iстеген шапшаң нейтрондардағы БН-350 реакторлық қондырғының пайдаланудан шығарылуына байланысты ерекше маңызға ие. Осы реактордың ПЯО құрамында қару плутоний мен жоғары байытылған уран бар, бұл ядролық материалдарды физикалық қорғауды және бақылауды қамтамасыз етуге жоғары талаптар қояды. Реактор тоқтағаннан кейін БН-350 барлық ПЯО Ақтау қаласындағы алаңнан шығарылып, Қазақстан Республикасы Ұлттық ядролық орталығының «Байкал-1» зерттеу реакторлары кешенінің объектісінде ұзақ уақыт сақтауға орналастырылды. Отын тұмшаланған қаптарға оралады және ТУК-123 көліктік қаптама комплектілеріне орналастырылады.
Атом энергиясы жөніндегі халықаралық агенттіктің ұсынымдарына сәйкес ұзақ мерзімді сақтау ПЯО-мен жұмыс істеудің уақытша кезеңі ретінде ғана қарастырылады. Түпкілікті шешімдер ретінде радиоактивті материалдарды қоршаған ортадан ұзақ уақыт оқшаулауды қамтамасыз ететін отынды қайта өңдеу немесе оны түпкілікті көму болжанады.
Қаралып отырған проблеманың маңызды аспектісі қолданылатын сақтау жүйені пайдаланудың шектеулі мерзімі болып табылады. ТУК-123 контейнерлері 50 жыл бойы қауіпсіз пайдалануға есептелген, бұл ретте БН-350 ПЯО жүктеу 2008 жылы басталған, бүгінгі таңда осы мерзімнің едәуір бөлігі пайдаланылды. Бұл осы отынмен жұмыс істеудің одан арғы стратегиясын алдын ала негіздеуді талап етеді. Осыған байланысты, ПЯО-мен жұмыс істеудің әлемдік тәжірибеде қолданылатын технологияларын талдауды, сондай-ақ оны ұзақ уақыт сақтау кезінде қауіпсіздік параметрлеріне есептік бағалау жүргізуді қамтитын кешенді зерттеулер қажет. Алынған нәтижелер БН-350 ПЯО-мен одан әрі жұмыс істеудің оңтайлы және қауіпсіз нұсқасын таңдауды негіздеуге мүмкіндік береді.
Осы зерттеулердің өзектілігі Қазақстан Республикасында атом энергетикасын дамыту перспективаларымен де байланысты, оның шеңберінде ПЯО-мен және радиоактивті қалдықтармен жұмыс істеу мәселелері ядролық материалдармен жұмыс істеудің ұлттық жүйесін қалыптастыру үшін стратегиялық мәнге ие болады.
Бағдарламаның мақсаты
Қазақстан Республикасының заңнамасы мен халықаралық уағдаластықтар талаптарының, сондай-ақ бөлінетін материалдармен жұмыс істеу кезінде ядролық, радиациялық, ядролық физикалық қауіпсіздік және таратпау режимі талаптарының орындалуын қамтамасыз ететін БН-350 реакторының ПЯО-мен жұмыс істеудің оңтайлы тәсілі бойынша ұсыныстар әзірлеу.
Күтілетін нәтижелер
Тура нәтижелер:
1-бағыт бойынша. «Энергетикалық реакторлардың пайдаланылған отынымен жұмыс істеудің әлемдік практикасын зерттеу»:
- әлемдік тәжірибеде қолданылатын пайдаланылған отынмен жұмыс істеу тәсілдері бойынша талдамалық материал дайындалды;
- қаралған айналыс тәсілдеріне техникалық-экономикалық есептік бағалау жүргізілді.
2-бағыт бойынша. «БН-350 реакторының пайдаланылған отынының ағымдағы жай-күйін бағалау»:
- БН-350 пайдаланылған отынмен жұмыс істеуде қауіпсіздікке талдау жүргізу кезінде бұрын қаралмаған ядролық және радиациялық қауіпсіздік есептерін және авариялық оқиғалардың сценарийін жүргізу үшін бастапқы деректер жинағы алынды;
- қауіпсіздікті талдау үшін есептік модельдер әзірленді;
- пайдаланылған отынмен жұмыс істеу кезінде қауіпсіздікті есептік зерттеулердің сандық нәтижелері алынды;
- БН-350 реакторының пайдаланылған отынының энергетикалық әлеуетін есептік бағалау жүргізілді.
3-бағыт бойынша. «БН-350 реакторының пайдаланылған ядролық отынымен жұмыс істеу тәсілдерін зерттеу»:
- пайдаланылған отынмен жұмыс істеу үшін қолданылуы мүмкін тәсілдер тізбесі дайындалды;
- әртүрлі қарым-қатынас тәсілдерін салыстырмалы бағалау әдістемесі әзірленді;
- БН-350 реакторының пайдаланылған отынын пайдаланудың неғұрлым оңтайлы тәсілін таңдау жөнінде ұсыныстар әзірленді.
Соңғы нәтижелер:
1-бағыт бойынша. «Энергетикалық реакторлардың пайдаланылған отынымен жұмыс істеудің әлемдік практикасын зерттеу»
Негізгі техникалық-экономикалық көрсеткіштері бар ПЯО-мен жұмыс істеудің әлемдік практикасы бойынша деректер кешені алынатын болады. Бұл материалдар жиынтығы талдау тобының жұмысы үшін бастапқы деректер жиынтығы болады.
Экономикалық тиiмдiлiк БН-350 ПЯО-мен жұмыс iстеудiң неғұрлым тиiмдi тәсiлiн таңдау үшiн жаңа деректер алудан тұрады.
Экологиялық әсер қоршаған ортаға әсер ету тұрғысынан алғанда, ПЯО-мен жұмыс істеудің қауіпсіз тәсілін таңдау үшін қолданылатын деректерді алуды білдіреді.
Әлеуметтік әсер атом саласының қалдықтарымен жұмыс істеу мәселесінде Қазақстанның атом-энергетикалық саласы мамандарының жалпы білім деңгейін арттырудан және ғылыми және қолданбалы бағыттарды одан әрі дамытуға серпін беруден тұрады.
2-бағыт бойынша. «БН-350 реакторының пайдаланылған отынының ағымдағы жай-күйін бағалау»:
Жобалық параметрлердің қауіпсіздік сипаттамаларын және БН-350 ПЯО сақтау шарттарын растау үшін өлшеу және есептік зерттеулер кешені жүргізілді. БН-350 ПЯО-мен одан әрі жұмыс істеу тәсілін талдамалық зерттеу үшін деректер алынды.
Экономикалық тиімділік пайдаланудың қауіпсіз жағдайларын қолдауға арналған шығындарды болжау мақсатында БН-350 ПЯО және сақтау контейнерлерінің ағымдағы жай-күйі бойынша өзекті деректерді алудан тұрады.
Экологиялық әсер БН-350 ПЯО көліктік қаптама комплектерінде ұзақ уақыт сақтау жағдайында қоршаған ортаға радиациялық әсерін өлшеу деректерін алуға негізделген.
Әлеуметтік әсер ПЯО-мен жұмыс істеу кезінде халық пен қоршаған орта үшін үздіксіз бақылау мен қауіпсіздікті қамтамасыз етуді көрсетуден тұрады.
Құрғақ және ылғалды сақтау процесінде пайдаланылған ядролық отынның параметрлері алынатын болады; АЭС радиоактивті қалдықтарымен жұмыс істеу технологияларын таңдау жөніндегі ұсынымдар; ПЯО ұзақ уақыт сақтауға арналған контейнерлер материалдарының ресурстық беріктігін анықтауға арналған деректер.
3-бағыт бойынша. «БН-350 реакторының пайдаланылған ядролық отынымен жұмыс істеу тәсілдерін зерттеу»:
БН-350 ПЯО-мен жұмыс істеудің неғұрлым тиімді және оңтайлы тәсілін таңдау бойынша ұсыныстар әзірленетін болады. Зерттеулер нәтижелері БН-350 ПЯО-мен жұмыс істеу мәселесінде одан арғы қадамдар бойынша негізделген шешім қабылдауға ықпал ететін болады.
Экономикалық тиімділік қазіргі уақытта ұзақ мерзімді сақтаудың ағымдағы жай-күйін қолдауға бағытталатын БН-350 ПЯО-мен жұмыс істеуге арналған қаржылық шығындарды оңтайландыру үшін пайдаланылатын жаңа деректерді алу болып табылады.
Экологиялық тиімділік сақтау контейнерлерін пайдаланудың белгіленген мерзіміне есептелген ПЯО аралық ұзақ мерзімді сақтау тұжырымдамасына байланысты әлеуетті радиациялық тәуекелдерді төмендетуге ықпал ететін нәтижелер алуды білдіреді.
Әлеуметтік тиімділік: ПЯО-мен жұмыс істеу жөніндегі ұсыныстарды іске асыру халықтың және қоршаған ортаның радиациялық қауіпсіздігіне төнген қатерлерді жою салдарынан қоғамдағы әлеуметтік-психологиялық шиеленісті төмендетуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, елдегі ядролық-энергетикалық бағдарламаны дамыту шеңберінде БН-350 ПЯО-мен жұмыс істеу мәселесіндегі нақты іс-қимылдар қоғамға атом саласының қалдықтарымен жұмыс істеуде жүйелі тәсілді көрсетуге мүмкіндік, бұл тұтастай алғанда атом энергетикасын мақұлдаудың өсуіне алып келеді.
ҒЗЖ негізгі нәтижелері
«Шапшаң нейтрондардағы БН-350 реакторлық қондырғының пайдаланылған ядролық отынымен жұмыс істеудің тиімді және оңтайлы тәсілдері мен технологияларын таңдау негіздемесіне зерттеулер жүргізу» бағдарламасы бойынша жұмыстарды орындау кезінде келесі маңызды нәтижелер алынды:
2024 жылы
1-бағыт бойынша «Энергетикалық реакторлардың пайдаланылған отынымен жұмыс істеудің әлемдік практикасын зерттеу»:
Пайдаланылған отынды сақтау тәсілдеріне шолу және сипаттау шеңберінде энергетикалық реакторлардың пайдаланылған отынымен жұмыс істеудің әлемдік тәжірибесіне зерттеулер жүргізілді. Талдамалық шолу нәтижелері бойынша әлемдік тәжірибеде қолданылатын ПЯО-ны ылғалды және құрғақ сақтау тәсілдері мен технологиялары зерттелді («Пайдаланылған отынды сақтау тәсілдеріне шолу және сипаттама» 04.11.2024 жылғы № 12-230-02/201 техникалық анықтама). ПЯО-ны ылғалды сақтау үшін ұстау бассейндерде реактордан тыс сақтау технологиясы және реактордан тыс сақтау технологиясы қаралды. ПЯО құрғақ сақтау үшін контейнерлік және камералық сақтау тәсілдерінің технологиялары қаралды. Ылғалды сақтау оны реактордан алып тастағаннан кейін пайдаланылған отынды сақтаудың міндетті кезеңі болып табылады, бұл кезде қалдық жылу бөлінуі төмендейді және неғұрлым белсенді қысқа мерзімдік радионуклидтердің ыдырауы болады. Құрғақ сақтау технологияларында пайдаланылған отынды сақтау камераларында және контейнерлерде сақтау неғұрлым кең таралған. Ылғалды және құрғақ сақтаудың экономикалық тиімділігін бағалаумен ПЯО сақтау технологияларының негізгі кемшіліктері мен артықшылықтарына талдау жүргізілді. Сақтаудың басты артықшылығы технологиялардың жақсы игерілуі және салыстырмалы технологиялық қауіпсіздік болып табылады. Сақтау стратегиясы мен технологиясы ретінде атом энергетикасын дамытатын барлық елдер қолданады. Сақтаудың негізгі кемшілігі «аяқталмағандығы» болып табылады - бұл жол ПЯО-ны оқшаулау проблемасын түпкілікті шешуге алып келмейді, оны тоқтатудың айқын перспективасынсыз үнемі өсіп келе жатқан шығындарды талап етеді. ПЯО құрғақ қоймасын құруға арналған экономикалық шығындар неғұрлым тиімді болып табылады.
2-бағыт бойынша «БН-350 реакторының пайдаланылған отынының ағымдағы жай-күйін бағалау»:
БН-350 пайдаланылған отынын ұзақ уақыт сақтау нәтижелері бойынша ТУК-123 конструкциялық элементтерінің жалпы жай-күйі мен сипаттамаларын айқындау шеңберінде орындалды: 1) сәулелену дозаларын өлшеу – СҚК сыртқы бетіндегі сәулеленудің, радиоактивті ластанудың, алынатын және алынбайтын ластанудың эквивалентті дозасының ең жоғары қуатын альфа және бета сәулеленушілер бойынша өлшеу; 2) алмалы-салмалы СҚК-123 қосылыстардың герметикалығын тексеру;
3) Инсоляцияны ескере отырып, ПЯО бар СҚК сыртқы бетінің температуралық өлшемдері («Байқал-1» ЗРК ПЯО ҰКС алаңында СҚК сыртқы бетінің температурасын анықтау» 23.10.24 жылғы № 37-361-01/598 акті, «ПЯО ҰКС алаңындағы СҚК-123 герметикалығын тексеру» 21.10.24 жылғы № 37-361-01/594 акті, «Байкал-1» ЗРК ПЯО ҰКС алаңында СҚК бетінен гамма-сәулеленудің баламалы дозасының қуатын анықтау» 23.10.2024 жылғы
№ 37-441-01/597 акті). 2010 жылғы қазаннан бастап қазіргі уақытқа дейінгі пайдалану нәтижелері бойынша негізгі пайдалану және техникалық сипаттамалардың мәндерінде рұқсат етілген шектерден жоғары ауытқулар анықталған жоқ, бұл сақтауға арналған контейнердің конструкциясына салынған қауіпсіздіктің жобалық сипаттамаларының сәйкестігін куәландырады және тұтастай алғанда, екі мақсаттағы контейнерлерде БН-350 реакторының ПЯО құрғақ сақтау тұжырымдамасының қауіпсіздігін растайды. ЖБҚ-ның, экрандық жинақтардың, ЖБҚ-ға арналған тыстардың, көліктік қаптама жиынтығы құрамындағы сақтау жиынтығының құрылымдық сипаттамалары бойынша ақпаратты қамтитын бастапқы деректер жиынтығы қалыптастырылды. Сондай-ақ реактордағы сәулеленуді ескере отырып, ЖБЖ конструкциялық элементтерінің физикалық-механикалық сипаттамалары бойынша деректер, отынның бастапқы байытылуы, отынның ең жоғары жану тереңдігі, изотоптық құрамы және қалдық жылу бөлудің шамасы, негізгі бөлу өнімдері мен активтендірілген нуклидтердің ПЖТҚ-дағы белсенділігі бойынша деректер дайындалды. Алынған деректер жиынтығы екi мақсаттағы контейнерлерде БН-350 ПЯО ұзақ уақыт сақтау жағдайларында қауiпсiздiк негiздемесiнде есептiк зерттеулер жүргiзу үшiн пайдаланылатын болады.
2025 жыл
1-бағыт бойынша «Энергетикалық реакторлардың пайдаланылған отынымен жұмыс істеудің әлемдік практикасын зерттеу»:
Пайдаланылған отынды өңдеудің негізгі тәсілдерінің әлемдік практикасына талдау жүргізілді. («Пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеу тәсілдеріне шолу және сипаттама», 25.06.2025 ж. № 24-405-03/1067вн. техникалық анықтамасы). Қарастырылды: 1. Гидрометаллургиялық әдістер қышқылдың су ерітіндісінде отынды ерітуге және компоненттерді кейіннен химиялық бөлуге негізделген пайдаланылған отынды өңдеудің неғұрлым кең қолданылатын әдістері ретінде (PUREX-процесс (Plutonium Uranium Reduction EXtraction); 2. Су ерітінділерін пайдаланбай жоғары температуралық процестерге негізделген пайдаланылған отынды қайта өңдеудің пирохимиялық (құрғақ) әдістері;
3. Волатилизация (фторлану) - пайдаланылған отынның компоненттері жоғары температурада ұшпа фторидтерге ауыстырылатын, содан кейін конденсация температурасы бойынша бөлінетін процесс. Алынған деректер негізінде технологиялық процестің күрделілігі, түпкілікті өнімдерді тазарту дәрежесі, радиоактивті қалдықтардың пайда болуы және олармен жұмыс істеу тұрғысынан қаралатын технологияның негізгі артықшылықтары мен кемшіліктерін айқындау бойынша талдамалық жұмыс жүргізілді.
ПЯО көмудің әлемдік тәсілдеріне талдау жүргізілді («Пайдаланылған ядролық отынды көму тәсілдеріне шолу және сипаттама» 01.10.2025 ж. № 24-405-03/1585вн. техникалық анықтама). ПЯО-ны терең геологиялық формациялар мен ұңғымаларда көмудің тәсілдері қаралды. ПЯО көмудің қарастырылып отырған тәсілдерінің негізгі артықшылықтары мен кемшіліктерін анықтау бойынша талдамалық жұмыс жүргізілді. Алынған деректер негізінде көму технологиясы бойынша тұжырымдамалық шешімдер әзірленді.
Жұмыстарды орындау шеңберінде 2 мақала жарияланды. Scopus & WoS деректер базасына енетін журналда:
ҒЖБССҚК ұсынған журналда:
2-бағыт бойынша «БН-350 реактордың пайдаланылған отынының ағымдағы жай-күйін бағалау»:
БН-350 реакторының ПЯО сандық және есептік радионуклидтік құрамы бойынша деректер алынды. ПЯО-дағы уран мен плутоний изотоптарының пайыздық құрамы, негізгі бөлу өнімдерінің, актиноидтар мен белсенділік нуклидтерінің есептік құрамы мен белсенділік шамасы анықталды. Нейтронды-физикалық есептеулер жүргізу үшін бағдарламалық құралдарды пайдалана отырып, отын конфигурациясының есептік үлгілерін құру орындалды. MCNP бағдарламасы үшін құрылған СҚК есептік моделі нақты конструкцияға барынша жақын: отынның сипаттамалары, геометриялық өлшемдері және радиациялық қорғаудың материалдық құрамы берілген. Есептеулер нәтижесінде пайдаланылған ядролық отыны бар, ЖБҚ қабырғаларының бұзылуы мен отынның төгілуінің әртүрлі нұсқалары бар жеке контейнермен жасалатын нейтрондық және фотондық сәулеленудің дозалық өрістері туралы деректер, сондай-ақ ҰЯО-дағы ПЯО тыстарының әртүрлі конфигурациялары үшін нейтрондардың көбею коэффициентінің мәндері алынды. («БН-350 отынының сипаттамаларын зерттеу» 25.09.2025 ж. № 13-240-03/73 техникалық анықтамасы).
БН-350 реакторының ПЯО бөлінетін материалдың құрамы бойынша деректер негізінде энергетикалық әлеуетті бағалау жүргізілген («БН-350 пайдаланылған отынның энергетикалық әлеуетін бағалау» 01.10.2025 жылғы № 24-405-03/1584іш. техникалық анықтамасы). Жұмыстар шеңберінде ядролық отын жасауға жұмсалатын шығындардың құрылымы және шикізаттың әлемдік бағасы мен өндірістік циклмен байланысты шығыстар айқындалды. БН-350 ПЯО қайта өңдеу өнімдерінің энергетикалық әлеуетін бағалау әдістемесі әзірленді. БН-350 ПЯО қайта өңдеу өнімдерінің энергетикалық әлеуетінің құнын бағалау үшін «Fuel Quantity & Cost Calculation» консалтингтік компаниясының қосымшасы пайдаланылды. Қайта өңдеу тәсіліне байланысты БН-350 реакторының ПЯО энергетикалық әлеуетін бағалаудың екі нұсқасы қаралды. 1-нұсқа. Байыту бойынша құрастырмаларды бөлмей БН-350 реакторының ПЯО өңдеу. 2-нұсқа. ПЖБҚ -ны уран-235-пен бастапқы байыту бойынша топтарға бөле отырып, БН-350 ПЯО өңдеу.