Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-00321

НазваниеРазработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ

Руководитель Петровская Анна Станиславовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Общество с ограниченной ответственностью "ИнноПлазмаТех" , г Санкт-Петербург

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-504 - Ядерная и радиационная безопасность, радиоэкология

Ключевые слова ядерные энергетические установки (ЯЭУ), конструкционные элементы ЯЭУ, дезактивация внутриконтурного оборудования ЯЭУ, вывод из эксплуатации, газовый разряд, применение физики плазмы, уран-графитовые реакторы, реакторы РБМК

Код ГРНТИ58.35.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью настоящего междисциплинарного проекта, объединяющего две научные области – физику ядерных реакторов и физику плазмы, разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ , а именно – нового знания, аналитического обоснование применения технологии ионно-плазменной дезактивации металлоконструкций ЯЭУ ( внутриконтурного оборудования, в частности, первого контура). Предлагаемая технология имеет применение для актуальных задач дезактивации 1) внутриконтурного оборудования ЯЭУ как при выводе из эксплуатации так и при плановых ремонтах, 2) дезактивации облученного реакторного графита при выводе из эксплуатации реакторов РБМК. Научной новизной в реализации настоящего способа является впервые предлагающееся использование плазменного распыления для обработки поверхностей радиоактивных элементов конструкции ядерных энергетических установок ЯЭУ. Предлагаемый метод «сухой» плазменной обработки в инертном газе основан на последних достижениях физики плазмы и глубоком понимании процессов, происходящих на межфазных границах, является инновационным и не имеющим аналогов среди известных в настоящее время методов дезактивации. Достоинством и актуальностью предлагаемого метода является универсальность (работа с любыми видами радионуклидов, т.к. ионное травление позволяет распылять все известные атомы), отсутствие необходимости разбирать и измельчать обрабатываемую конструкцию, высокая степень концентрирования удаляемых РАО, возможность получения полезных радиоизотопов, простота в применении и экологическая эффективность за счет отказа от химических реагентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку ионно-плазменной технологии дезактивации для решения одной из ключевых проблем ядерной энергетики – переработку облученного реакторного графита и вывода из эксплуатации ЯЭУ. За первый год реализации проекта в полном объеме выполнены все заявленные научно-исследовательские задачи. Построена численная модель укороченного разряда высокого давления (0,1-1 атм.) в аргоне с учетом взаимодействии ионов аргона с обрабатываемой поверхностью реакторного графита. Получены распределения концентрации электронов, ионов, распыленных атомов с обрабатываемой поверхности, электрического потенциала. Найдены эффективные значения рабочих параметров ионно-плазменной технологии: давление 1 атм., длина разрядного промежутка 2-3 мм, напряжение 600 В, плотность тока разряда до 2-3 А/см2, значения скоростей ионного и термического распыления атомов углерода с поверхности реакторного графита (ГР-280) и радиоактивных отложений (в форме оксидов и шпинелей NiCrFeO4, NiFe2O4, Fe2O3, TiO2, U3O8) с дезактивируемых поверхностей внутриконтурного оборудования ядерных энергетических установок: 0.1 мкм/с и 5 – 25 мкм/с, соответственно. Механизм термического распыления в процессе дезактивации реакторного графита дает вклад при температурах выше 2000 K. Численно рассчитанные значения рабочих параметров ионно-плазменной технологии подтверждены экспериментально. Для реализации технологии в дезактивационной камере рассчитаны распределения поля температуры внутри графитового блока марки ГР-280 в зависимости от вкладываемой мощности в разряд (0.1 -2 )МВт/м2, а также временах экспозиции разряда 2400 с, 2200 с, 2000с, 1800 с и 1200 с, соответственно. Получено, что для реакторного графита (ГР-280) характерные времена нагрева в процессе дезактивации при различных значениях мощности плазменного разряда составляют величины в диапазоне 1200–2400 с, характерное время остывания до 300 К составляет порядка 5 ч. При этом механизм ионно-плазменного распыления и температурный прогрев поверхности графитового блока в первые 200 с дезактивации обеспечивают ионно-термическое распыление поверхностного слоя реакторного графита с удалением дозообразующего радионуклида углерода – 14. Результаты опубликованы в статье «Теплофизические параметры ионно-плазменной камерной технологии дезактивации блоков облученного графита РБМК», А.С. Петровская, А.Б. Цыганов, журнал Ядерная физика и инжиниринг, 2024, том 15, № 6, с. 515–521, DOI: 10.56304/S2079562924060265 и доложены на круглом столе «Перспективы дезактивации и утилизации металлических РАО» (ФГУП «Радон», Росатом) https://radon.ru/news/BolshoykruglyystolnaRADONE/. Получены распределения поля температуры в графитовом блоке и плазменной распылительной ячейки. Модель построена с учетом скоростей продувки аргона и значениях скоростей 5 м/с, 20 м/с, 50м/с через плазменную распылительную ячейку (а также при отсутствии продувки) и значений энерговклада в разряд 1·106 Вт/м2, 5·106 Вт/м2, 1·107Вт/м2. Показана возможность реализации двух режимов прогрева графитового блока – локальный прогрев поверхности и равномерный прогрев графитового блока в зависимости от параметров граничных условий при реализации конфекционного охлаждения. Равномерный прогрев реализует процесс термодиффузии интеркалированных в объеме графитового блока неуглеродных радионуклидов без разрушения интегральной целостности графитового блока, локальный прогрев обеспечивает термическое распыление поверхности блока, содержащего преимущественно дозообразующий изотоп углерод-14. Для выполнения экспериментальных работ по распылению образцов необлученного реакторного графита марки ГР-280 и модельных образцов металлоконструкций ЯЭУ на примере нержавеющей стали 08X18H10T, латуни, никеля, цинка, циркония, титана, изготовлен и испытан лабораторный макет плазменной распылительной ячейки. В эксперименте получено, что эффективное распыление образцов реакторного графита и металлических сплавов наблюдается при рабочих параметрах: давлении аргона в укороченном плазменном разряде 1 атм., напряжении 600 В, плотности тока разряда 2 A/см2, величине разрядного промежутка 3 мм. Работоспособность ионно-плазменной технологии подтверждается измеренными на электронном сканирующем микроскопе Merlin Zeiss спектрами элементного состава поверхностей электродов-коллекторов с присутствием атомов распыленных образцов. Процессы атомизации и транспорта радионуклидов в плазме инертных газов для ионно-плазменной технологии дезактивации оборудования ЯЭУ и переработки ОЯТ рассмотрены нами в статье А.С. Петровская, А.Б. Цыганов, Ядерная физика и инжиниринг, 2024, том 15, № 6, с. 624–630, DOI: 10.56304/S2079562924060277 https://rscf.ru/news/release/ionno-plazmennaya-tekhnologiya-pozvolit-s-99-effektivnostyu-pererabatyvat-yadernoe-toplivo/ Экспериментальное подтверждение ионно-плазменной технологии дезактивации и получение полезного продукта изотопа углерода – 14 для создания новых источников энергии вакуумных бета-вольтаических батарей приводятся в работе "Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Ir radiated Reactor Graphite Deactivation", A.S. Petrovskaya, A.B. Tsyganov, p.324-327, DOI: 10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747 Полученные результаты представляют интерес для атомной отрасли и были доложены на отраслевых научных конференциях ГК Росатом. По приглашению МАГАТЭ основные научные результаты доложены на техническом совещании Technical Meeting on Processing Technologies for Irradiated Graphite Waste, IAEA Headquarters, Vienna, Austria, 7 августа 2024г. Преимущества разрабатываемой ионно-плазменная технологии дезактивации: отсутствие ЖРО, сохранение целостности графитовых блоков, получение полезной изотопной продукции. Потенциальный экономический эффект по сравнению с существующими планами замораживания выводимых из эксплуатации реакторов на 25 лет и последующем захоронением облученного графита без переработки составляет до 500 млрд.руб.

Публикации

1. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Технология ионно-плазменной дезактивации конструкционных элементов ЯЭУ Сборник тезисов докладов международной конференции ФизикАСПб-2024, 21–25 октября 2024 г. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. , Международная конференция ФизикАСПб-2024 (октябрь 2024 года, Санкт-Петербург), Стендовый доклад: Ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.С. Петровская «Технология ионно-плазменной дезактивации конструкционных элементов ЯЭУ» Одноименный тезис доклада опубликован в сборнике тезисов докладов международной конференции ФизикАСПб-2024, 21–25 октября 2024 г. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. стр. 211-212. Расширенные тезисы доклада переданы для публикации в специальном выпуске журнала письма ЖТФ, издаваемого ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Выход спецвыпуска запланирован на декабрь этого года. (год публикации - 2024)

2. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Irradiated Reactor Graphite Deactivation (доклад на конференции) Стендовый доклад на конференции- IEEE International conference on electrical engineering and photonics – EЕxPolytech (октябрь 2024 года, г. Санкт-Петербург). Докладчик ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.С. Петровская "Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Irradiated Reactor Graphite Deactivation", A.S. Petrovskaya, A.B. Tsyganov. Расширенные материалы доклада опубликованы с статье в сборнике трудов конференции https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/10755207/proceeding DOI: 10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747 , p.324-327, Стендовый доклад на конференции- IEEE International conference on electrical engineering and photonics – EЕxPolytech (октябрь 2024 года, г. Санкт-Петербург). Докладчик ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.С. Петровская "Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Irradiated Reactor Graphite Deactivation", A.S. Petrovskaya, A.B. Tsyganov. Расширенные материалы доклада опубликованы с статье в сборнике трудов конференции https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/10755207/proceeding DOI: 10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747 , p.324-327 (год публикации - 2024)

3. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Суров С.В. Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ (произносимый доклад) Произносимый доклад "Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ", содержащий основные результаты по текущему этапу гранта РНФ, был представлен на мероприятии Баркемп 2024 «Национальная технологическая революция» 20.35 (7-8 ноября 2024, г. Санкт-Петербург). Докладчик: ведущий научный сотрудник ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.Б. Цыганов. «Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ». Формат мероприятия не предполагает издание сборника тезисов. Прилагается благодарственное письмо от директора технопарка Ленполиграфмаш, Д.В. Старковского., Произносимый доклад "Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ", содержащий основные результаты по текущему этапу гранта РНФ, был представлен на мероприятии Баркемп 2024 «Национальная технологическая революция» 20.35 (7-8 ноября 2024, г. Санкт-Петербург). Докладчик: ведущий научный сотрудник ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.Б. Цыганов. «Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ». Формат мероприятия не предполагает издание сборника тезисов. Прилагается благодарственное письмо от директора технопарка Ленполиграфмаш, Д.В. Старковского. (год публикации - 2024)

4. Петровская А.С. Преимущества ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ЯЭУ и реакторного графита (произносимый доклад) Произносимый доклад на Круглом столе «Перспективы дезактивации и утилизации металлических РАО» (апрель 2024, ФГУП «Радон», Росатом). Докладчик: Ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.С. Петровская «Преимущества ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ЯЭУ и реакторного графита» Корпоративная газета ФГУП Радон - "Родник", Новость: Большой круглый стол на «РАДОНЕ», Участники мероприятия обсудили перспективы дезактивации и утилизации металлических РАО. с. 14-15 https://radon.ru/news/BolshoykruglyystolnaRADONE/ Участие в круглом столе не предполагает публикацию тезисов докладов. Прилагаются подтверждающие документы об участии. В качестве даты публикации указана дата представления доклада., Произносимый доклад на Круглом столе «Перспективы дезактивации и утилизации металлических РАО» (апрель 2024, ФГУП «Радон», Росатом). Докладчик: Ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф.-м.н. А.С. Петровская «Преимущества ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ЯЭУ и реакторного графита» Корпоративная газета ФГУП Радон - "Родник", Новость: Большой круглый стол на «РАДОНЕ», Участники мероприятия обсудили перспективы дезактивации и утилизации металлических РАО. с. 14-15 https://radon.ru/news/BolshoykruglyystolnaRADONE/ Участие в круглом столе не предполагает публикацию тезисов докладов. Прилагаются подтверждающие документы об участии. В качестве даты публикации указана дата представления доклада. (год публикации - 2024)

5. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Теплофизические параметры ионно-плазменной камерной технологии дезактивации блоков облученного графита РБМК Журнал Ядерная физика и инжиниринг (издательство Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва). Переводная версия журнала индексируется в Web of Science Core Collection, Scopus, Russian Science Citation Index, РИНЦ, Springer , Журнал Ядерная физика и инжиниринг, 2024, том 15, № 6, с. 515–521 (год публикации - 2024)
10.56304/S2079562924060265

6. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Атомизация и транспорт радионуклидов в плазме инертных газов для ионно-плазменной технологии дезактивации оборудования ЯЭУ и переработки ОЯТ Журнал Ядерная физика и инжиниринг (издательство Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва). Переводная версия журнала индексируется в Web of Science Core Collection, Scopus, Russian Science Citation Index, РИНЦ, Springer, Журнал Ядерная физика и инжиниринг, 2024, том 15, № 6, с. 624–630 (год публикации - 2024)
10.56304/S2079562924060277

7. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Численное моделирование параметров укороченного разряда для ионно-плазменной технологии дезактивации облученного реакторного графита Супервычисления и математическое моделирование. Тезисы XIX Международной конференции. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2024. – 233 с.: ил. Тезис опубликован на стр. 162-163 Статья по материалам доклада принята к публикации в сборнике трудов конференции (пол рел. Р.М. Шагариева). Сборник включен в электронную наукометрическую базу РИНЦ и будет опубликован на сайте Научной электронной библиотеки (http://elibrary.ru). Ожидаемая дата выхода сборника- I квартал 2025г., Петровская А.С., Цыганов А.Б., Численное моделирование параметров укороченного разряда для ионно-плазменной технологии дезактивации облученного реакторного графита, с. 323-33 в СБОРНИКЕ НАУЧНЫХ ТРУДОВ, XIX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СУПЕРВЫЧИСЛЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, Под ред. Р. М. Шагалиева. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2025. – 519 с.: ил. ISBN 978-5-9515-0561-3 (год публикации - 2025)

8. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Плазменные технологии для вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии Сборник докладов седьмого научно-технического семинара «Проблемы переработки и кондиционирования радиоактивных отходов»: научно-техническое издание; - г. Санкт-Петербург, 17-19 июня 2024 г. - 95 с. Тезис на стр. 74-79 , Сборник докладов седьмого научно-технического семинара «Проблемы переработки и кондиционирования радиоактивных отходов»: научно-техническое издание; - г. Санкт-Петербург, 17-19 июня 2024 г. - 95 с. Тезис на стр. 74-79 ISBN 978-5-906580-13-9. Произносимый доклад и тезис. (год публикации - 2024)

9. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Удаление активированных продуктов коррозии с поверхностей внутриконтурного оборудования ЯЭУ посредством ионно-плазменной технологии дезактивации (доклад и тезис) Государственное научное учреждение «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований − Сосны» Национальной академии наук Беларуси. – Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2024. − 178 с., В сборнике трудов X Международная конференция «Атомная энергетика, ядерные и радиационные технологии XXI века»: доклады, Минск, 28‒31 мая 2024 г. / Государственное научное учреждение «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований − Сосны» Национальной академии наук Беларуси. – Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2024. − 178 с. На стр. 64-69. (год публикации - 2024)

10. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Prospects of ion-plasma technology for nuclear energy International Conference “Nucleus-2024: Fundamental problems and applications” (LXXIV; 2024; Dubna). LXXIV International Conference “Nucleus-2024: Fundamental problems and applications”, Dubna, July 1–5, 2024: Book of Abstracts [Electronic edition]. —Dubna: JINR, 2024., LXXIV International Conference “Nucleus-2024: Fundamental problems and applications”, Prospects of ion-plasma technology for nuclear energy, p. 312, Dubna, July 1–5, 2024: Book of Abstracts [Electronic edition]. — Dubna: JINR, 2024. (год публикации - 2024)

11. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Роль ионного и термического распыления радиоактивных отложений в процессе ионно-плазменной дезактивации ядерных энергетических установок Письма в журнал технической физики, Издается ФТИ им. А.Ф.Иоффе, г. Санкт-Петербург. Переводная версия журнала (Technical Physics Letters) индексируется в Web of Science Core Collection, Scopus, Russian Science Citation Index, РИНЦ, Springer, входит в третий квартиль в Scopus и в четвертый в WoS., Письма в ЖТФ, 2024, том 50, вып. 23, с. 68-69 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.23.59405.6402k

12. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Ионно-плазменная технология дезактивации реакторных установок: расчет скорости ионного распыления радиоактивных отложений Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Сборник тезисов Шестой научно-практической конференции, 18-19 сентября 2024 г. / Под общей редакцией проф. Е.А. Ваниной; 2024 — 29с: ил. 6, табл. 4. Издательство ФГУП Радон (ГК Росатом), г. Москва, Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров: Сборник тезисов Шестой научно-практической конференции, 18-19 сентября 2024 г. / Под общей редакцией проф. Е.А. Ваниной; 2024 — 29с: ил. 6, табл. 4. Доклад на стр. 24-25 (год публикации - 2024)

13. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Ir radiated Reactor Graphite Deactivation Published in: 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) Publisher: IEEE. Штаб-квартира: Пискатауэй Тауншип, Нью-Джерси, США, Published in: 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), p.324-327, https://ieeexplore.ieee.org/xpl/conhome/10755207/proceeding DOI:10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747

14. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Ионно-плазменная технология для переработки ОЯТ Материалы докладов участников конференции размещены в электронной научно-технической библиотеке Госкорпорации «Росатом», г. Москва., 2-я Международная конференция Базовой организации государств – участников СНГ (сентябрь 2024, г. Екатеринбург, АО «ТВЭЛ» - Росатом). Материалы докладов участников конференции размещены в электронной научно-технической библиотеке Госкорпорации «Росатом». (год публикации - 2024)

15. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Экспериментальная верификация работоспособности ионно-плазменной технологии дезактивации ЯЭУ в лабораторных условиях Материалы докладов участников конференции размещены в электронной научно-технической библиотеке Госкорпорации «Росатом», г. Москва., 2-я Международная конференция Базовой организации государств – участников СНГ (сентябрь 2024, г. Екатеринбург, АО «ТВЭЛ» - Росатом).Материалы докладов участников конференции размещены в электронной научно-технической библиотеке Госкорпорации «Росатом». (год публикации - 2024)

16. Петровская А.С. Ионно-плазменные технологии в ядерном комплексе (произносимый доклад) Доклад на отраслевом семинаре ГК Росатом «Циклотронные технологии и перспективные научно исследовательские работы», АО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» (июнь 2024, предприятие Госкорпорации «Росатом»). Произносимый доклад по приглашению: Ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф-м.н. А.С. Петровская «Ионно-плазменные технологии в ядерном комплексе». Формат мероприятие не предполагал опубликование тезисов. В качестве даты публикации указана дата доклада., Доклад на отраслевом семинаре ГК Росатом «Циклотронные технологии и перспективные научно исследовательские работы», АО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» (июнь 2024, предприятие Госкорпорации «Росатом»). Произносимый доклад по приглашению: Ген.директор ООО "ИнноПлазмаТех", к.ф-м.н. А.С. Петровская «Ионно-плазменные технологии в ядерном комплексе». Формат мероприятие не предполагал опубликование тезисов. В качестве даты публикации указана дата доклада. (год публикации - 2024)

17. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Численное моделирование параметров укороченного разряда для ионно-плазменной технологии дезактивации облученного реакторного графита (тезис) Супервычисления и математическое моделирование. Тезисы XIX Международной конференции. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2024. – 233 с.: ил. ISBN 978-5-9515-0559-0, Супервычисления и математическое моделирование. Тезисы XIX Международной конференции. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2024. – 233 с.: ил. Тезис опубликован на стр. 162-163 (год публикации - 2024)

18. Петровская А.С., Цыганов А.Б. The ion-plasma technology for deactivation of irradiated reactor graphite and metal structures of nuclear power plants (приглашенный доклад) Доклад на техническом совещании Technical Meeting on Processing Technologies for Irradiated Graphite Waste, IAEA Headquarters, Vienna, Austria (7 августа 2024г.). По приглашению секретариата МАГАТЭ Произносимый доклад к.ф.-м.н. А.С. Петровской «The ion-plasma technology for deactivation оf irradiated reactor graphite and metal structures of nuclear power plants». Доклад согласован с Министерством иностранных дел Российской Федерации, отдел Департамент по вопросам нераспространения и контроля над вооружениями (ДНВК) (Письмо вход. № 5773/днвк от 01.08.2024 Об участии в мероприятии МАГАТЭ), Федеральной службой экспортного контроля ФСТЭК России, Отдел ядерной техники Управления экспортного контроля (Письмо вход. № 240/54/2841 от 29.07.2024 Об участии в совещании). Все документы прилагаются. Материалы докладов технического совещания размещены организаторами из МАГАТЭ на портале IAEACLOUD https://iaeacloud.sharepoint.com/sites/EVT2304219TechnicalMeetingonProcessingTechnologiesforIrra724/Shared%20Documents/Forms/AllItems.aspx?id=%2Fsites%2FEVT2304219TechnicalMeetingonProcessingTechnologiesforIrra724%2FShared%20Documents%2FGeneral&p=true&ga=1, Доклад на техническом совещании Technical Meeting on Processing Technologies for Irradiated Graphite Waste, IAEA Headquarters, Vienna, Austria (7 августа 2024г.). По приглашению секретариата МАГАТЭ произносимый доклад к.ф.-м.н. А.С. Петровской «The ion-plasma technology for deactivation оf irradiated reactor graphite and metal structures of nuclear power plants». Доклад согласован с Министерством иностранных дел Российской Федерации, отдел Департамент по вопросам нераспространения и контроля над вооружениями (ДНВК) (Письмо вход. № 5773/днвк от 01.08.2024 Об участии в мероприятии МАГАТЭ), Федеральной службой экспортного контроля ФСТЭК России, Отдел ядерной техники Управления экспортного контроля (Письмо вход. № 240/54/2841 от 29.07.2024 Об участии в совещании). (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработка ионно-плазменной технологии дезактивации направлена на решение мировой проблемы переработки облученного реакторного графита и вывода из эксплуатации ЯЭУ. За второй год реализации проекта в полном объеме выполнены все заявленные научно-исследовательские задачи. 1. Разработаны варианты конструкций плазменного распылительного устройства, системы подачи и отвода инертного газа в разрядный промежуток, системы электропитания разряда с микропроцессорным управлением и системы охлаждения плазменной распылительной ячейки. Разработана система охлаждения и выполнены расчеты ее технических характеристик для портативного варианта устройства для дезактивации внутриконтурного оборудования ЯЭУ (трубопроводы первого контура, содержащие поверхностные радиоактивные отложения в форме оксидов металлов и шпинелей). Найдены эффективные режимы системы охлаждения: при вкладываемой плотности мощности в разряд 1·10^5 Вт/м2, 2·10^5 Вт/м2 скорости потока воды составляет 0,1 м/с и 1 м/с. При скорости потока воды 0.01 м/с и плотности мощности разряда 1·10^5 Вт/м2, 2·10^5 Вт/м2 эффективная работа системы охлаждения обеспечивается в импульсном режиме при длительности импульса не более 5 с. При непрерывном горении разряда и величинах мощностей 5·10^5 Вт/м2 и 1·10^6 Вт/м2 необходима скорость потока водяного охлаждения не менее 1 м/с или импульсный режим воздействия разряда с длительностью не более 0,3 с и скоростью потока воды 0.01 м/с и 0.1 м/с, минимальный поперечный размер полости для прокачки охлаждающей жидкости составляет 0.4 см. Результаты опубликованы в журнале «Ядерная физика и инжиниринг» DOI: 10.56304/S207956292602003X 2.Экспериментально подобраны оптимальные параметры распыления образцов в зависимости от конфигурации плазменного распылительного устройства, уточнены величины рабочих параметров технологии для распыления шпинелей: давление инертного газа 0.1–1 атм., плотность тока разряда 0.1–1 А/см2, напряжение 100–1000 В, межэлектродный промежуток 0.3-5 мм. Выполнен численный расчет величин коэффициентов и скоростей ионного распыления (0.5–20мкм/с) отложений толщиной 10 мкм в форме оксидов и шпинелей (Fe2O3, Fe3O4, NiCrFeO4, FeCr2O4) в зависимости от инертного газа и вкладываемой мощности в разряд (0.5-10) МВт/м2. Получено, что аргон является наиболее технико-экономически эффективным газом для реализации технологии. Результаты опубликованы в журнале «Письма ЖТФ» https://journals.ioffe.ru/articles/62097. 2. Выполнены исследования процессов распыления металлических сплавов из меди, алюминия, нержавеющей стали? шпинелей (NiаFex)O(CrbFey)O3 толщиной не более 10мкм в условиях: длина разрядного промежутка 0,3 - 3 мм, давление аргона 0,1 – 1 атм., напряжение (150 – 600) В, плотность тока (0.1 – 1) А/см2 и осаждения распыленных атомов на никелевый и танталовый электрод-коллектор. Посредством сканирующего электронного микроскопа Merlin Zeiss c X-ray микроанализом и энергодисперсионного EDS-детектора Oxford X-Max 8 выполнены исследования распределения по глубине (микронного масштаба) элементного состава и морфологии поверхности модельных образцов конструкций ЯЭУ (осажденных на подложки из нержавеющей стали слоя оксидов и шпинелей) и реакторного графита марки (ГР-280). На поверхности электрода-коллектора (никель) обнаружены атомы алюминия, меди, нержавеющей стали от нескольких единиц до нескольких десятков атом.%. На танталовом электроде-коллекторе были обнаружено присутствие (в единицах % вес.): Cr (0.92%), Fe (40.43%), что подтверждает работоспособность ионно-плазменной технологии. Результаты опубликованы в журнале «Ядерная физика и инжиниринг» https://doi.org/10.1134/S1063778825090510 Выполнены эксперименты по распылению образцов необлученного реакторного графита при временах экспозиции разряда 30 с., 1 мин., 5 мин. При давлении аргона 0.65 атм., плотности тока 1 A/см2, напряжении 600 В, расстоянии между анодом и катодом – 1мм., наблюдается однородное осаждение слоя углерода на танталовый электрод-коллектор. Присутствие 70% атом.% углерода на танталовой подложке подтверждает работоспособность технологии. При давлении аргона 200 Торр, токе разряда 4 мА, напряжении 300 В наблюдается неоднородное осаждение в виде крупных частиц/кластеров на поверхности танталовой подложки. Различные режимы ионно-плазменной технологии могут быть использованы для создания нового типа углеродных материалов или однородного слоя бета-активного слоя 14С для создания нового типа вакуумных бета-вольтаических батарей. Результаты опубликованы в сборнике статей International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) - 2025 doi: 10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139. 4. Разработана конструкция камеры для дезактивации элементов графитовой кладки реактора: обрабатываемый графитовый блок целиком помещается в камеру, в аргоне между стенками камеры и поверхностями графитового блока зажигается разряд, что позволяет наиболее эффективно проводить дезактивацию за счет процессов ионного и термического распыления реализуя процесс термодиффузии примесных атомов в объеме графитового блока и выход их на поверхность за счет термического разогрева блока плазмой до температуры порядка 2000º К при рабочих параметрах технологии: давление аргона (0,1 - 1 атм. ), напряжение от 150 до 1000 В, плотность тока от 0,01 до 1 А/см2. Подана заявка на изобретение в ФИПС. Результаты работ представляют интерес для ГК «Росатом» и были представлены в рамках Всероссийского лектория РНФ в НИТИ им. А.П. Александрова (ГК «Росатом») https://niti.ru/?p=11658 https://www.atomic-energy.ru/news/2025/11/13/161003 в интервью для «Научной России» https://scientificrussia.ru/articles/pererabotat-a-ne-zahoronit-kak-izbavitsa-ot-soten-tysac-tonn-adernyh-othodov-intervu-s-fizikom-annoj-petrovskoj и «Атомная энергия 2.0» https://www.atomic-energy.ru/interviews/2025/09/05/158295

Публикации

1. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Особенности удаления продуктов коррозии с внутриконтурного оборудования посредством ионно-плазменной дезактивации (произносимый доклад на конференции) Доклад на Всероссийской конференции посвященной 80-летию атомной промышленности, Актуальные проблемы инновационного развития ядерных технологий» 19-23 мая 2025 г,, Доклад на Всероссийской конференции посвященной 80-летию атомной промышленности, Актуальные проблемы инновационного развития ядерных технологий» 19-23 мая 2025 г. (год публикации - 2025)

2. Петровская А.С., Цыганов А.Б. О выборе инертного газа для ионно-плазменной технологии дезактивации реакторного оборудования Российская академия наук Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, Письма в ЖТФ, 2025, том 51, вып. 24, c.54-56 (год публикации - 2025)
10.61011/PJTF.2025.24.62097.7991

3. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Анализ системы охлаждения для ионно-плазменной технологии дезактивации Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, 2026, том 17, № 2, с. 295–302 (год публикации - 2026)
10.56304/S207956292602003X

4. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Экспериментальная верификация ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ядерных энергетических установок Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, 2025, том 16, № 6, с. 771–778 (год публикации - 2025)
10.56304/S2079562925060211

5. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Численное моделирование параметров укороченного разряда для ионно-плазменной технологии дезактивации облученного реакторного графита ГОСКОРПОРАЦИЯ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ «РОСАТОМ», Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский НИИ экспериментальной физики, Саров, Петровская А.С., Цыганов А.Б., Численное моделирование параметров укороченного разряда для ионно-плазменной технологии дезактивации облученного реакторного графита, с. 323-33 в СБОРНИКЕ НАУЧНЫХ ТРУДОВ, XIX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СУПЕРВЫЧИСЛЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, Под ред. Р. М. Шагалиева. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2025. – 519 с.: (год публикации - 2025)

6. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Ионно-плазменная технология дезактивации внутриконтурного оборудования ЯЭУ (произносимый доклад на конференции) НИЦ «Курчатовский институт», Санкт-Петербургский государственный университет, Объединенный институт ядерных исследований, Санкт-Петербург, 8. А. С. Петровская, А. Б. Цыганов, Ионно-плазменная технология дезактивации внутриконтурного оборудования ЯЭУ, LXXV Международная конференция «ЯДРО-2025», 1-7 июля 2025, сборник тезисов, с. 118 (год публикации - 2025)

7. Петровска А.С., Цыганов А.Б. Ионно-плазменная дезактивация внутриконтурного оборудования реакторных установок ( доклад на конференции) Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2025, Тезисы докладов международной конференции ФизикА.СПб, 20–24 октября 2025 года, с. 296-297 (год публикации - 2025)

8. Петровская А.С., Цыганов А.Б. The Experimental Study of Carbon Micro-Nano-Layer Deposition on a Metal Substrate Fabricated by the Ion-Plasma Technology Published in: 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) Publisher: IEEE. Штаб-квартира: Пискатауэй Тауншип, Нью-Джерси, США, Статья по материалам конференции 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Saint Petersburg, Russian Federation, 2025, pp. 284-287, doi: 10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139. (год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139.

9. Петровская А.С., Цыганов А.Б. The Experimental Study of Carbon Micro-Nano-Layer Deposition on a Metal Substrate Fabricated by the Ion-Plasma Technology (доклад на конференции) Доклад на конференции - 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Saint Petersburg, Russian Federation, 2025, pp. 284-287, doi: 10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139., Доклад на конференции - 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Saint Petersburg, Russian Federation, 2025, pp. 284-287, doi: 10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139. (год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11252139.

10. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Ионно-плазменная технология для очистки бланкета токамаков (произносимый доклад на конференции) Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Частное учреждение «ИТЭР-Центр», Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук, Институт прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Москва 2025, Сборник тезисов докладов конференции XXI конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы» - 2025, Сочи, с. 421-422 (год публикации - 2025)

11. Петровская А.С. Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ (произносимый доклад в рамках Всероссийского лектория РНФ) А.С. Петровская, доклад «Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ» на базе ФГУП НИТИ им. А.П. Александрова (предприятие ГК «Росатом») в рамках Всероссийского лектория Российского научного фонда, 23 октября 2025 г. https://niti.ru/?p=11658 https://www.atomic-energy.ru/news/2025/11/13/161003, 1. А.С. Петровская, доклад «Разработка технологии ионно-плазменной дезактивации ЯЭУ» на базе ФГУП НИТИ им. А.П. Александрова (предприятие ГК «Росатом») в рамках Всероссийского лектория Российского научного фонда, 23 октября 2025 г. https://niti.ru/?p=11658 https://www.atomic-energy.ru/news/2025/11/13/161003 (год публикации - 2025)

12. Петровская А.С., Цыганов А.Б. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ДЕЗАКТИВАЦИИ ВНУРИКОНТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Российская академия наук (Изд-во "Наука, РЦНИ), Москва, Статья подготовлена по материалам конференции доклада на конференции ЯДРО-2025 и направлена в журнал «Известия РАН. Серия физическая», 2025 согласно правилам подачи статьи на сайте конференции https://indico.spbu.ru/event/1/page/5-proceedings Александру Константиновичу Власникову (авторы за пределами Московского региона) на e-mail vlasnik@list.ru . Имеется подтверждение из редакции Известия РАН. Серия Физическая. (год публикации - 2026)

13. Петровская А.С., Цыганов А.Б. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ДЕЗАКТИВАЦИИ ОБЛУЧЕННОГО ГРАФИТОВОГО БЛОКА (заявка на изобретение) Заявка на изобретение № 2025130372/07(071500), Дата поступления документов заявки 02.11.2025, Заявка на изобретение № 2025130372/07(071500), Дата поступления документов заявки 02.11.2025, поскольку в настоящий не известна дата получения патента формально для заполнения и отправки формы в качестве даты принятия публикации указано 02.11.2025. Ожидаемая дата выдачи патента 2026 год. Поскольку текст заявки на изобретение находится на рассмотрении в ФИПС (экспертиза) и само изобретение еще не опубликовано в качестве текста публикации прилагаем реферат и формула изобретения. (год публикации - 2026)

Возможность практического использования результатов
Разработка ионно-плазменной технологии направлена на решение одной из ключевых проблем переработки облученного реакторного графита, мировые объемы которого оценивается до 260 тыс. тонн, в России – в 50-60 тыс. тонн. В настоящее время в России перед ГК «Росатом» и АО «Концерн Росэнергоатом» остро стоит проблема вывода из эксплуатации 11 энергоблоков РБМК с общим объемом графита порядка 20 тыс. тонн при многомиллиардных расходах на консервацию в связи с планами содержания остановленных реакторов на 25 лет и при отсутствии какой-либо принятой к исполнению технологии дезактивации графита после окончания этого срока. Полученные в рамках данного гранта РНФ научные результаты по разработке ионно-плазменной технологии дезактивации ЯЭУ представляют интерес для атомной отрасли в мире, что подтверждается представлением доклада руководителя проекта к.ф.-м.н. А.С. Петровской на техническом совещании Technical Meeting on Processing Technologies for Irradiated Graphite Waste, IAEA Headquarters, Vienna, Austria, 7 августа 2024г.по приглашению секретариата МАГАТЭ, интересом со стороны ГК «Росатом», подтверждаемым решением семинара НИТИ им. А.П. Александрова (предприятие ГК «Росатом») на котором в рамках Всероссийского лектория РНФ https://niti.ru/?p=11658 https://www.atomic-energy.ru/news/2025/11/13/161003 были представлены результаты проекта полученные в период реализации гранта, а также представление научных результатов на отраслевых конференциях и совещаниях ГК «Росатом» (ФГУП Радон, Радиевый институт, НИТИ им. А.П. Александрова, АО ТВЭЛ, АО «Концерн Росэнергоатом», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ), «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований − Сосны» Национальной академии наук Беларуси. Основные положения решения о семинаре со стороны НИТИ им. А.П. Александрова в рамках Всероссийского лектория РНФ содержат отметку о высокой научной проработанности проекта, новизне подхода, необходимости выполнения следующих этапов проекта, в том числе, необходимость решения ряда научно-технических и конструкторских задач для последующего поэтапного внедрения проекта на площадках ГК «Росатом», реализации совместных работ ООО «ИнноПлазмаТех» с предприятиями ГК «Росатом». По предварительной оценке потенциальный экономический эффект внедрения ионно-плазменной технологии дезактивации реакторного графита по сравнению с существующими планами замораживания выводимых из эксплуатации реакторов (11 блоков РБМК) на 25 лет и последующем захоронением облученного графита без переработки составляет до 500 млрд.руб. Наиболее подробно информация о преимуществах технологии представлена в опубликованных статьях и в интервью для научных и научно-деловых порталов «Научной России» https://scientificrussia.ru/articles/pererabotat-a-ne-zahoronit-kak-izbavitsa-ot-soten-tysac-tonn-adernyh-othodov-intervu-s-fizikom-annoj-petrovskoj и «Атомная энергия 2.0» https://www.atomic-energy.ru/interviews/2025/09/05/158295 Также основные принципы ионно-плазменной технологии могут быть использованы для разработки нового подхода для решения глобальной проблемы ядерной энергетики – переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и замыканию ядерного топливного цикла – в виде ионно-термической технологии переработки ОЯТ с разделением по элементному составу. Технология позволяет получить эффективность не менее 99% для разделения изотопов входящих в топливо, что дает возможность разделения урана и плутония от остальных продуктов ОЯТ. Результаты опубликованы в статье «Атомизация и транспорт радионуклидов в плазме инертных газов для ионно-плазменной технологии дезактивации оборудования ЯЭУ и переработки ОЯТ» А.С. Петровская, А.Б. Цыганов, Ядерная физика и инжиниринг, 2024, том 15, № 6, с. 624–630, DOI: 10.56304/S2079562924060277. https://nauka.tass.ru/nauka/22188745 https://www.atomic-energy.ru/news/2024/10/22/150570 Еще одним из направлений применения ионно-плазменной технологии дезактивации графита является получение полезного продукта изотопа углерода – 14 в форме однородного слоя (заданной толщины) твердого осадка на подложке, который может быть использован для создания новых источников энергии вакуумных бета-вольтаических батарей приводятся в работе "Fabrication of Beta-Active Carbon Nano-Layer Using Ion-Plasma Technology for Ir radiated Reactor Graphite Deactivation", A.S. Petrovskaya, A.B. Tsyganov, p.324-327, DOI: 10.1109/EExPolytech62224.2024.10755747 https://rscf.ru/news/engineering-sciences/rezident-skolkovo-razrabotal-tekhnologiyu-vydeleniya-izotopa-ugleroda-dlya-sozdaniya-vechnykh-batare/ Дополнительные экспериментальные исследования показали, что при варьировании параметров ионно-плазменной технологии открывается возможность для создания нового типа углеродных материалов. Результаты опубликованы в сборнике рецензируемых статей конференции Proceedings of international conference on electrical engineering and photonics- EExPolytech – 2025. Полученный научный задел в рамках гранта РНФ является основой для дальнейшего развития проекта в направлении дезактивации реакторного графита и металлоконструкций ЯЭУ (внутриконтурное оборудование), а также открывает совершенно новый подход для решения одной из ключевых проблем атомной отрасли - переработки ОЯТ и замыкания ядерного топливного цикла, кроме этого открывает возможность для создания нового типа углеродных материалов и новых источников энергии вакуумных бета-вольтаических батарей. Таким образом, последующая разработка ионно-плазменной технологии закрывает спектр нескольких важных проблем ядерной энергетики, что в настоящее время крайне важно для Российской федерации в связи с текущей мировой политической ситуаций и курсом на развитие ядерных технологий.