Российские ученые предложили лазерный метод, который позволяет быстрее и точнее контролировать переработку отработавшего ядерного топлива. Технология дает возможность практически в реальном времени отслеживать состав растворов и содержание в них различных компонентов без отбора проб и добавления реагентов. В перспективе разработка позволит оперативнее выявлять отклонения в технологическом процессе, сократить количество операций с радиоактивными материалами и снизить образование дополнительных радиоактивных отходов. При этом новый метод должен оставаться экономически доступным с учетом затрат на приобретение дополнительных комплектующих и обслуживание оборудования, рассказали «Известиям» специалисты.

Ученые Сеченовского университета совместно с коллегами из компании «Прорыв» и Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. академика А.А. Бочвара (АО «ВНИИНМ») разработали оптический подход для непрерывного контроля процессов переработки отработанного ядерного топлива. Он объединяет два спектроскопических метода и позволяет одновременно отслеживать состояние органического экстрагента, то есть специального вещества, которое используют для извлечения урана, и состав водной фазы без добавления реагентов и сложной подготовки проб.

Исследователи предложили контролировать две фазы разными оптическими методами. Состав органической фазы оценивали с помощью рамановской спектроскопии, которая анализирует характерное рассеяние света молекулами. Метод позволил определять концентрацию трибутилфосфата — одного из основных экстрагентов, используемых при переработке ядерного топлива. Медианная ошибка измерений составила около 1%.

Для анализа водной фазы применяли лазерно-искровую эмиссионную спектроскопию (LIBS). Короткий лазерный импульс создает в жидкости микроскопическую область плазмы, а по спектру ее свечения можно определить состав раствора и концентрацию содержащихся в нем элементов. При испытаниях на модельных растворах с элементами, имитирующими продукты деления, средняя ошибка измерений составила 4–8%.

— Главная идея работы — получать информацию о двух потоках одного технологического процесса практически в реальном времени. Рамановская спектроскопия показывает, что происходит с экстрагентом, а LIBS — какие элементы остаются в водной фазе. В перспективе такие измерительные модули можно вынести за пределы зоны с высоким радиационным фоном, оставив в технологической линии только измерительные ячейки. Это позволит сократить число операций с пробами и быстрее замечать отклонения в процессе, — рассказал «Известиям» заведующий лабораторией клинической биофотоники Института регенеративной медицины Сеченовского университета, к.ф.-м.н. Глеб Будылин.

Пока технология проверена на лабораторных установках и упрощенных модельных растворах. Реальные технологические среды значительно сложнее: в них одновременно присутствует больше компонентов, а на оптические сигналы могут влиять кислотность, продукты радиолиза и другие факторы.

— Применение экспрессных методов онлайн-контроля продуктов переработки отработавшего ядерного топлива, к которым относится предлагаемая разработка, не только сокращает время процесса, но и существенно снижает дозовые нагрузки на персонал лабораторий, сокращает объем отходов, образующихся в процессе аналитики, — рассказал «Известиям» заместитель генерального директора АО «ВНИИНМ», лауреат Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Михаил Скупов.

Следующий этап — проверка метода на многокомпонентных и облученных средах, а также адаптация оборудования для дистанционной работы в условиях реального производства.

С учетом сложности объекта и рисков при работе с ним аналитический контроль целесообразно проводить дистанционными методами. Они позволяют отслеживать параметры процесса, не подвергая персонал дополнительному радиационному воздействию и соблюдая установленные нормы безопасности, отметил академик и вице-президент РАН, заведующий кафедрой радиохимии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, лауреат Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Степан Калмыков.

— Решением этой задачи может стать предложенный комплекс, основанный на методах нелинейной оптики, в частности лазерной спектрометрии и лазерного пробоя, — прокомментировал ученый.

Метод контроля концентраций представляется достаточно эффективным и простым, что особенно важно при работе с такими объектами, подчеркнул ведущий научный сотрудник лаборатории химии технеция ИФХЭ РАН Михаил Волков.

— Подобные методы вполне позволяют в режиме in situ, то есть непосредственно в рабочей среде, контролировать процессы экстракции и радиолитического старения органических компонентов, — рассказал специалист.

Главное преимущество приборов онлайн-контроля — отсутствие необходимости отбирать и подготавливать пробы. Это позволяет практически исключить или существенно сократить образование вторичных жидких радиоактивных растворов, которые неизбежно возникают при традиционных методах разрушающего анализа, рассказал эксперт АО «ВНИИНМ» Константин Двоеглазов.

По его словам, при внедрении технологии в производственную практику могут возникнуть сложности: в частности, потребуется устанавливать дополнительные измерительные ячейки в технологическое оборудование.

— Также пока неизвестна точная стоимость приборов с учетом приобретения дополнительных комплектующих и их обслуживания, — отметил эксперт.

Результаты опубликованы в журнале Applied Spectroscopy.