Развитие мировой и отечественной атомной энергетики

ВВЕДЕНИЕ

 

Анализ сегодняшнего состояния мирового рынка борсодержащих материалов, сопоставление и обобщение всех вышеперечисленных и других существенных факторов позволяют прогнозировать значительное увеличение спроса на изотопнообогащенные борсодержащие материалы и изделия, при условии снижения себестоимости их производства, гарантии качества и обеспечения требуемых объемов поставок.

Реакторы нового поколения, особенно на быстрых нейтронах, в качестве материала поглощающих стержней органов регулирования СУЗ, используют B-10. Применение материалов, обогащенных по B-10, может быть в следующих установках и устройствах:

стержни системы управления и защиты (СУЗ) реакторов;

нейтронные выгорающие поглотители из ZrB2 и HfB2,

контейнеры для хранения и перевозки отработанного топлива,

различных типов нейтронная защита и др.

В качестве области потенциально широкого использования B-10 все чаще фигурирует медицина: нейтронозахватная (высокоточная) терапия раковых опухолей

В конце 80-х годов, в связи с распадом СССР отечественная атомная отрасль лишилась своего единственного производства: в НИИ Стабильных изотопов, г. Тбилиси, Грузия. Возникшая таким образом с начала 90-х годов импортная зависимость по B-10 и растущая потребность отечественной атомной энергетики в этом высокоэффективном нейтронном поглотителе потребовали принятия срочных мер для воссоздания отечественного производства высокообогащенного В-10.

Природный бор состоит из двух стабильных изотопов - B-10 и B-11. Их содержание в природных соединениях составляет, в среднем, 19,3 % ат. и 80,7 % ат., соответственно. Ядерные свойства B-10 и B-11 сильно различаются. Их сечения захвата тепловых нейтронов различаются более чем в 80 тыс. раз и составляют, соответственно, порядка 4000 барн и < 0,05 барн.

Стабильный изотоп бора давно известен как высокоэффективный нейтронный поглотитель. Он считается одним из наиболее перспективных и в определенном смысле безальтернативный в атомной энергетике

В мировой практике нашли применение два базовых метода обогащения В-10: низкотемпературна я ректификация трифторида бора и метод химического изотопного обмена, так называемый «анизольный процесс». В основу обоих технологических комплексов положены насадочные колонны, использующие разделение природной изотопной смеси этими двумя методами. Однако для обоих методов общим является то обстоятельство, что в узлах обращения потоков В-10 накапливается в жидкой фазе.

Впервые элементарный бор был получен в 1892 г магнийтермическим способом. Однако, получаемый при этом бор был сильно загрязнен примесями: окислами бора и боридом магния, очистка от которых создавала дополнительные определенные проблемы. Первый достаточно химически чистый аморфный бор был получен лишь в 1909 г Вайнтраубом. Для этого был использован способ прямого восстановления бора из хлорида водородом в электрической дуге.

В период 50-60 гг. в США и СССР проводились активные опыты по разработке технологии для восстановления обогащенного В-10.

Примененный сначала метод осаждения аморфного бора-10 на раскаленной нити в результате восстановления трифторида бора в токе водорода впоследствии был признан неэффективным, и оба изотопных центра США и СССР в результате отказались от использования этого метода для промышленного производства аморфного B-10 из трифторида B-10. Последние годы эти работы проводились под руководством И.А. Байрамашвили.

В настоящее время в бывшем НИИИСИ используется метод электрохимического выделения бора из расплавов солей. Точных данных о производстве аморфного B-10 в центрах США и Японии нет, но предположительно они применяют аналогичную технологию.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Курс на быструю энергетику

О компании Игл-Пичер (Eagle-Picher Corp.), США.

В 1976 г на базе многолетнего опыта работ по производству свинцовой защиты от радиации создается новое направление: производство обогащенного В-10 для защиты от нейтронов.

С начала 90-х годов до настоящего времени фирма имеет производство В-10 до 2 т/год.

История возникновения и развития В-10-производства в США.

В 40-х годах работы по обогащению В-10 США проводили в закрытом исследовательском центре в пригороде Model City (Буффало, штат Нью-Йорк). К началу 50-х было разработано и запущено обогатительное оборудование с проектной мощностью до 300 кг/год при 90 %-обогащении. Технология оказалась весьма капризной (предположительно низкотемпературная ректификация трифторида бора), постоянно возникали сбои и остановки. При этом время выхода в равновесие составляло несколько недель, и каждый сбой требовал практически запуска с самого начала.

ЕР включилось в тематику В-10 работ несколько раньше, в начале 60-х: Комиссия по атомной энергии США предложила ЕР перевести ранее наработанный В-10 в форму элементарного В-10, т.е. выполнить чисто металлургическую задачу. Тогда для персонала ЕР стало ясно, что коммерческий потенциал В-10 достаточно высок и это в первую очередь атомные электростанции.

В 1972 г ЕР создает собственную «пилотную» установку по обогащению изотопов с производительностью 35 кг/год (90 % по В-10). При этом ЕР использует новую технологию: химический изотопный обмен в системе «трифторид - комплекс с диметиловым эфиром».

Работы на первой установке в Model City продолжалось примерно до 1973 г, когда правительством было принято решение о продаже оборудования фирме ЕР (приватизация). И ЕР начало активно разворачивать работы по обогащению В-10 на новом месте.

В результате в Куапо (Quapaw, OK) появляется производство высокообогащенного В-10 с высоким потенциалом развития. Однако технологические проблемы сохранились и после запуска на новом месте.

В 1974 г, ЕР на базе технологии своей «пилотной» 35-кг-установки начинает создание новой коммерческого производства изотопов бора (по новой технологии). Разработка была закончена в 1975, запущена в середине 1976 г, а первые партии В-10 с новой установки были получены в начале 1977 г. При этом дальнейшее совершенствование технологии и оборудования сочеталось с наращиванием общей производительности.

В результате действующая производительность к концу 70-х стала порядка 2000 кг/год при обогащении 92 %. Однако ЕР постоянно декларирует возможность (легкого наращивания) производительности до 9000 кг/год 96 %-обогащения по В-10.

По оценкам специалистов такой потенциал обеспечивает башня, позволяющая разместить соответствующее число высотных обогатительных колонн. Однако из-за различных проблем пока более 2000 кг/год ЕР никогда не производила. Предполагается, что основная причина это высокая себестоимость производства.

 

Методы обогащения B-10

Метод ректификации BF3

Этот метод был еще в начале 60-х годов достаточно обстоятельно исследован в СССР и Великобритании. Однако в начале 70-х метод был признан неперспективным по причине чрезвычайно малого коэффициента разделения 1,007 и относительно высокого потребления жидкого азота.

 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

эфир бор тетрафторборат калий

1) Выбор элементов и оптимизация технологии синтеза тетрафторбората калия в водном растворе.

) Синтез элементарного В-10.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ВВЕДЕНИЕ

 

Анализ сегодняшнего состояния мирового рынка борсодержащих материалов, сопоставление и обобщение всех вышеперечисленных и других существенных факторов позволяют прогнозировать значительное увеличение спроса на изотопнообогащенные борсодержащие материалы и изделия, при условии снижения себестоимости их производства, гарантии качества и обеспечения требуемых объемов поставок.

Реакторы нового поколения, особенно на быстрых нейтронах, в качестве материала поглощающих стержней органов регулирования СУЗ, используют B-10. Применение материалов, обогащенных по B-10, может быть в следующих установках и устройствах:

стержни системы управления и защиты (СУЗ) реакторов;

нейтронные выгорающие поглотители из ZrB2 и HfB2,

контейнеры для хранения и перевозки отработанного топлива,

различных типов нейтронная защита и др.

В качестве области потенциально широкого использования B-10 все чаще фигурирует медицина: нейтронозахватная (высокоточная) терапия раковых опухолей

В конце 80-х годов, в связи с распадом СССР отечественная атомная отрасль лишилась своего единственного производства: в НИИ Стабильных изотопов, г. Тбилиси, Грузия. Возникшая таким образом с начала 90-х годов импортная зависимость по B-10 и растущая потребность отечественной атомной энергетики в этом высокоэффективном нейтронном поглотителе потребовали принятия срочных мер для воссоздания отечественного производства высокообогащенного В-10.

Природный бор состоит из двух стабильных изотопов - B-10 и B-11. Их содержание в природных соединениях составляет, в среднем, 19,3 % ат. и 80,7 % ат., соответственно. Ядерные свойства B-10 и B-11 сильно различаются. Их сечения захвата тепловых нейтронов различаются более чем в 80 тыс. раз и составляют, соответственно, порядка 4000 барн и < 0,05 барн.

Стабильный изотоп бора давно известен как высокоэффективный нейтронный поглотитель. Он считается одним из наиболее перспективных и в определенном смысле безальтернативный в атомной энергетике

В мировой практике нашли применение два базовых метода обогащения В-10: низкотемпературна я ректификация трифторида бора и метод химического изотопного обмена, так называемый «анизольный процесс». В основу обоих технологических комплексов положены насадочные колонны, использующие разделение природной изотопной смеси этими двумя методами. Однако для обоих методов общим является то обстоятельство, что в узлах обращения потоков В-10 накапливается в жидкой фазе.

Впервые элементарный бор был получен в 1892 г магнийтермическим способом. Однако, получаемый при этом бор был сильно загрязнен примесями: окислами бора и боридом магния, очистка от которых создавала дополнительные определенные проблемы. Первый достаточно химически чистый аморфный бор был получен лишь в 1909 г Вайнтраубом. Для этого был использован способ прямого восстановления бора из хлорида водородом в электрической дуге.

В период 50-60 гг. в США и СССР проводились активные опыты по разработке технологии для восстановления обогащенного В-10.

Примененный сначала метод осаждения аморфного бора-10 на раскаленной нити в результате восстановления трифторида бора в токе водорода впоследствии был признан неэффективным, и оба изотопных центра США и СССР в результате отказались от использования этого метода для промышленного производства аморфного B-10 из трифторида B-10. Последние годы эти работы проводились под руководством И.А. Байрамашвили.

В настоящее время в бывшем НИИИСИ используется метод электрохимического выделения бора из расплавов солей. Точных данных о производстве аморфного B-10 в центрах США и Японии нет, но предположительно они применяют аналогичную технологию.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Развитие мировой и отечественной атомной энергетики

Курс на быструю энергетику

О компании Игл-Пичер (Eagle-Picher Corp.), США.

В 1976 г на базе многолетнего опыта работ по производству свинцовой защиты от радиации создается новое направление: производство обогащенного В-10 для защиты от нейтронов.

С начала 90-х годов до настоящего времени фирма имеет производство В-10 до 2 т/год.

История возникновения и развития В-10-производства в США.

В 40-х годах работы по обогащению В-10 США проводили в закрытом исследовательском центре в пригороде Model City (Буффало, штат Нью-Йорк). К началу 50-х было разработано и запущено обогатительное оборудование с проектной мощностью до 300 кг/год при 90 %-обогащении. Технология оказалась весьма капризной (предположительно низкотемпературная ректификация трифторида бора), постоянно возникали сбои и остановки. При этом время выхода в равновесие составляло несколько недель, и каждый сбой требовал практически запуска с самого начала.

ЕР включилось в тематику В-10 работ несколько раньше, в начале 60-х: Комиссия по атомной энергии США предложила ЕР перевести ранее наработанный В-10 в форму элементарного В-10, т.е. выполнить чисто металлургическую задачу. Тогда для персонала ЕР стало ясно, что коммерческий потенциал В-10 достаточно высок и это в первую очередь атомные электростанции.

В 1972 г ЕР создает собственную «пилотную» установку по обогащению изотопов с производительностью 35 кг/год (90 % по В-10). При этом ЕР использует новую технологию: химический изотопный обмен в системе «трифторид - комплекс с диметиловым эфиром».

Работы на первой установке в Model City продолжалось примерно до 1973 г, когда правительством было принято решение о продаже оборудования фирме ЕР (приватизация). И ЕР начало активно разворачивать работы по обогащению В-10 на новом месте.

В результате в Куапо (Quapaw, OK) появляется производство высокообогащенного В-10 с высоким потенциалом развития. Однако технологические проблемы сохранились и после запуска на новом месте.

В 1974 г, ЕР на базе технологии своей «пилотной» 35-кг-установки начинает создание новой коммерческого производства изотопов бора (по новой технологии). Разработка была закончена в 1975, запущена в середине 1976 г, а первые партии В-10 с новой установки были получены в начале 1977 г. При этом дальнейшее совершенствование технологии и оборудования сочеталось с наращиванием общей производительности.

В результате действующая производительность к концу 70-х стала порядка 2000 кг/год при обогащении 92 %. Однако ЕР постоянно декларирует возможность (легкого наращивания) производительности до 9000 кг/год 96 %-обогащения по В-10.

По оценкам специалистов такой потенциал обеспечивает башня, позволяющая разместить соответствующее число высотных обогатительных колонн. Однако из-за различных проблем пока более 2000 кг/год ЕР никогда не производила. Предполагается, что основная причина это высокая себестоимость производства.