Первые роботы, которые будут использоваться на строящемся опытно-­демонстрационном энергетическом комплексе (ОДЭК) и промышленно-­энергетических комплексах (ПЭК), создаваемых в рамках «Прорыва», собирались на учебно-­экспериментальной базе проекта, в научно-­техническом университете «Сириус».

О том, почему в "Прорыве" взялись за создание роботов, рассказал на семинаре «Робототехника в проектном направлении „Прорыв“» главный технолог проекта Юрий Мочалов: «Цель «Прорыва" — ​создание ядерной энергетики поколения IV. А это работа как со свежим топливом, так и c ОЯТ. Нужно минимизировать контакт человека с этими материалами, обеспечив безопасное выполнение всех технологических процессов». Еще одно важнейшее требование «Прорыва" — ​конкурентоспособность. «Наши оценки показывают, что использование роботов существенно снижает себестоимость продукции», — ​отметил Ю. Мочалов.

Первый шаг был сделан при разработке технического проекта реконструкции Модуля фабрикации/рефабрикации топлива на ОДЭК. Там внедрили роботизированные технологии — ​и эффект оказался впечатляющим. Технологическое ядро МФР строящихся промышленных энергокомплексов будет полностью безлюдным, то есть все операции (технологические процессы, обслуживание, ремонт, эвакуация оборудования) будут там проходить без участия человека. Согласно разработанному для МФР ПЭК техническому проекту, площадь технологического ядра будет примерно в 3,5−4 раза меньше, чем спроектировано по использованной на ОДЭК технологической схеме. Полностью роботизированным будет и модуль переработки (МП) — ​как на ОДЭК, так и на ПЭК.

Роботов для МФР и МП в АО "Диаконт" (Санкт-Петербург) создавали несколько лет. И после окончания индивидуальных испытаний стало ясно: теперь нужно увидеть, как они будут работать на одной площадке, в едином технологическом цикле, взаимодействуя с оборудованием и друг с другом. Такой площадкой стала учебно-­экспериментальная база «Прорыва» в "Сириусе". «Во-первых, комплекс необходим для демонстрации возможностей и потенциала созданных технологий. Во-вторых, на нем отлаживаются все процессы, подтверждается надежность техники. И в‑третьих, здесь мы готовим эксплуатационный персонал», — ​отметил научный руководитель ПН «Прорыв» Евгений Адамов.

Как это работает
В 2023 году в "Сириусе" торжественно открыли первую очередь робототехнического комплекса. Руководитель проекта «Талант и успех», а также федеральной территории «Сириус» Е. Шмелева показывала ее президенту РФ В. В. Путину. К началу 2025 года количество роботов здесь удвоилось.

Участникам семинара продемонстрировали работу комплекса в режиме, максимально приближенном к эксплуатационному. Всеми роботами можно управлять дистанционно: из Санкт-­Петербурга, с площадки разработчиков — ​создателей роботов АО "Диаконт". Для этого на площадке установлено несколько десятков камер.

Сначала гости увидели, как изготавливаются топливные сборки для натриевых быстрых реакторов БН‑1200М. Начинается все с формирования топливных таблеток на автоматизированном прессе и их укладки в палеты. Затем транспортный робот переносит палеты в буферное хранилище, а оттуда — ​на контроль. Дельта-­робот обеспечивает работу комплекса контроля, где оцениваются характеристики продукта (внешний вид, вес и др.). Брак отправляется в отдельной палете на переработку, годные таблетки — ​дальше, в зону изготовления твэлов. Там твэльные трубки заполняются таблетками, и шестиосный робот передает их на установку навивки и приварки проволоки. Готовый твэл перемещается в следующую зону контроля; там его взвешивают, оценивают геометрические параметры и дефекты поверхности. Роботы очень аккуратно передают друг другу эстафету — ​залюбуешься! Прошедшие контроль твэлы передаются на установки роботизированной сборки ТВС.

В рамках ПН «Прорыв» разрабатывается быстрый свинцовый реактор большой мощности БР‑1200. На следующем участке роботы собирают ТВС для него, так же быстро и четко. Есть в составе линии и сборщик чехловой ТВС для БН‑1200М.

Отдельная история — ​роботизированная транспортная система. Участникам было продемонстрировано, как универсальная транспортная платформа легко переместила шестиосного робота из одной точки в другую; робот был установлен на новом рабочем месте и с помощью универсальных контактных разъемов вновь включен в работу.

А что делать, если робот вышел из строя? Производство безлюдное, вместо кислорода помещение наполнено ​инертным газом — ​человеку вход воспрещен. На помощь «заболевшему» приходит робот-­товарищ. Если поломка не очень серьезная — ​робота починят прямо на месте. (Участники семинара увидели, как шестиосный робот присоединил к своей «руке» шуруповерт и заменил одну из осей сломанного робота.) Если требуется сложный ремонт — ​с помощью транспортной платформы робота эвакуируют.

Кстати, «прорывные» роботы довольно «упитанные», ведь вся аппаратура спрятана внутри защитного нержавеющего кожуха — ​это необходимо для повышения радиационной стойкости роботов и для упрощения их дезактивации перед ремонтом.

Роботы будут использоваться не только на модуле фабрикации-­рефабрикации, но и на модуле переработки. Несколько таких машин уже есть в "Сириусе". Их обучение было сложнейшей задачей. Участники семинара увидели, как пара универсальных роботов работает с ТВС с ОЯТ. Первый робот с помощью лазера отделяет твэл от пучка, второй захватывает его и передает на участок фрагментации. Твэл надрезается с помощью лазера. Кажется, будто смотришь фантастический фильм: отполированный до блеска робот аккуратно и точно делает надрез (важно не задеть топливо, разрезав оболочку), фрагмент твэла отламывается и падает в контейнер. На настоящем МП в ОДЭК сегменты твэлов будут отправляться на волоксидацию — ​обработку ОЯТ газом-­окислителем при высоких температурах, чтобы перевести облученное топливо в мелкодисперсное состояние и отделить летучие компоненты.

Скоро в "Сириусе" откроется еще один участок, где будут отрабатываться другие действия роботов на МФР и МП: замена контрольно-­измерительной аппаратуры, сварка трубопроводов и замена вентилей на них, взаимодействие с печным оборудованием.

«У этого оборудования уникальные характеристики, — ​говорит Е. Адамов. — ​Во-первых, исключительная надежность. Например, приводы, созданные „Диаконтом" — ​лучшие в мире в своем классе: они имеют один отказ на 20 миллионов срабатываний! Этот продукт покупают не только в Китае, но и в США, и в Японии. Во-вторых, высочайшая радиационная стойкость. В-третьих, минимальное влияние на окружающую среду. И, разумеется, мы стремимся к тому, чтобы наши роботы были не "золотыми“, конкурентоспособными по цене».

Кому еще нужны роботы?
Конечно, роботизация в отрасли не ограничивается «Прорывом». Новейшую историю использования роботов для нужд атомщиков напомнил руководитель ЦО реализации проектов АО "Диаконт" Дмитрий Красноруцкий.

Яркий пример — ​робототехнический комплекс, применявшийся для восстановления графитовой кладки РБМК на Ленинградской АЭС. Результат обеспечил выработку дополнительных 40 ГВт/лет электроэнергии.

Атомщики знают: роботы им необходимы. Концерн «Росэнергоатом», опросив персонал российских АЭС, узнал, в каких технологических операциях целесообразно внедрять роботизированное оборудование. Оказалось, что прежде всего роботы нужны при обслуживании теплообменного оборудования, контроле наличия посторонних предметов в ТВС и их извлечении оттуда, осмотре бассейнов выдержки, выводе из эксплуатации и обращении с отходами. А еще на многочисленных вспомогательных работах, от пожаротушения до уборки и покоса травы. Теперь в концерне детализируют потребности и определяют возможности внедрения роботов. Главный технолог АО "Концерн Росэнергоатом" Сергей Флоря утверждает: много где можно модернизировать существующие решения, внедрив алгоритмы ИИ и видеоаналитику.

Что дальше?
Ю. Мочалов оценил потребности «Прорыва» так: до 200 роботов к 2030 году, до 300 — ​к 2035-му и более 800 — ​в горизонте до 2042 года. «Очевидно, потребуется серийное производство, то есть нам нужен целый завод», — ​резюмировал Ю. Мочалов.

Е. Адамов считает, что у роботов, разработанных для «Прорыва», большие перспективы применения на других предприятиях «Росатома» и в смежных отраслях промышленности. Конечно, потребуется модификация, изменятся требования к ряду характеристик, например, к радиационной стойкости. «Необходимо обеспечить серийность, а значит, эффективную экономику, — ​уверен Е. Адамов. — ​К этой задаче можно будет подключать разные предприятия — ​как „атомные“, так и внешние; такие есть на Урале, в Сибири».

Он состоит из установок электрохимического растворения ОЯТ, кристаллизационного аффинажа уранового продукта, СВЧ-денитрации азотнокислого раствора актинидов и робототехнического комплекса (РТК).

«Все установки непрерывного действия полностью автоматизированы и спроектированы так, чтобы управляться дистанционно. Ремонт и обслуживание осуществляются при помощи РТК», — ​объясняет Константин Двоеглазов, кандидат химических наук, руководитель группы АО "Прорыв". В этом году ученые «Прорыва» и отделения Бочваровского института по обращению с ОЯТ и РАО отработают технологический процесс на каждой установке, подберут оптимальные режимы работы оборудования. Эксперименты будут проводиться с использованием урансодержащих имитаторов. На следующий год запланирован сквозной эксперимент: все три узла и РТК будут работать как единый комплекс, в непрерывном режиме.

Аппарат электрохимического растворения
Процессы извлечения ядерных материалов из традиционного уранового ОЯТ и из ОЯТ уран-плутониевого топлива различаются. «При переходе на уран-плутониевое топливо возникает потребность в электрохимическом растворении, — ​пояснил директор отделения по обращению с ОЯТ и РАО Бочваровского института Владимир Кащеев. — ​Когда мы растворяем облученное урановое топливо в азотной кислоте, осадки практически не образуются. Как только в топливо включается в значительных количествах плутоний, количество осадков резко возрастает, и возникает задача их дорастворить».

«Фактически мы выщелачиваем ядерные материалы, в частности плутоний, электрохимическим методом из остатков, образующихся при химическом растворении, — ​рассказывает К. Двоеглазов. — ​Шнековым дозатором в аппарат загружается либо пульпа, содержащая твердые соединения плутония, либо порошок диоксида плутония. Они смешиваются в определенной пропорции с азотной кислотой и катализатором — ​двухвалентным серебром. Через раствор пропускается электрический ток, генерирующий ионы серебра, — ​сильный окислитель, растворяющий плутонийсодержащие соединения».

Масштаб экспериментальной установки относится к промышленному варианту как 1:10. В Бочваровском институте работают на имитаторах ядерных материалов, в прошлом году на аппарате провели первую серию экспериментов. Основное оборудование смонтировано и опробовано, осталось оснастить рабочее место оператора. «Предполагается, что на заводе переработки ОЯТ ручных операций вообще не останется. Все операции будут механизированы, а замену датчиков и ремонт аппаратов будет осуществлять РТК по заданной программе. Операторы РТК будут следить за процессом по видео, находясь в операторской, за мощной биологической защитой, — ​объясняет К. Двоеглазов. — ​Аппарат-­растворитель способен сам себя обслуживать и при необходимости ремонтировать — ​с помощью соседей-­роботов».

Установка кристаллизационной очистки нитрата уранила
Полученный на стадии электрохимического растворения раствор нитрата уранила по трубопроводам поступает на упаривание, превращается в плав с высоким содержанием тяжелого металла и подается в кристаллизатор — ​колонну, заполненную раствором азотной кислоты. «Кристаллизатор — ​это труба небольшого диаметра, — ​говорит Елизавета Филимонова, старший научный сотрудник Бочваровского института. — ​Охлаждающие рубашки с хладоагентом, расположенные вокруг нее, позволяют сформировать температурный профиль кристаллизации. Исходный плав достаточно горячий — ​около 70 °C. Его необходимо постепенно охладить до температуры около нуля, обеспечивая выделение уранового продукта в кристаллическую фазу».

Уникальность метода, используемого при динамической кристаллизации, в том, что в едином аппарате формируется кристаллический продукт, тут же промываемый подаваемым снизу колонны раствором азотной кислоты. Такой метод промывки обеспечивает высокую степень очистки кристаллов от примесей.

Радиохимики «Росатома» также рассматривают возможность применения кристаллизации в головных операциях переработки ОЯТ. Размещенный на стенде Бочваровского института аппарат подойдет и для тестирования этой технологической операции.

Созданный аппарат кристаллизации — ​опытно-­промышленный, он обеспечивает выделение в кристаллическую фазу и очистку от продуктов деления до 30 тонн тяжелого металла в год. Стратегическая отраслевая программа развития радиохимии предполагает создание нового завода по переработке ОЯТ большой производительности — ​до 500 тонн ОЯТ в год. Задача ученых Бочваровского института — ​разработать кристаллизатор соответствующей производительности.

Установка СВЧ-денитрации
Аппарат позволяет получать оксиды актинидов либо напрямую из азотнокислых растворов, либо из кристаллов нитратов шестивалентных актинидов. Установка разделена на три зоны, в которые непрерывно подается СВЧ-излучение. «В первой зоне азотнокислый раствор урана упаривается. Во второй происходит его денитрация, то есть разрушение нитратов с образованием оксидных форм, — ​рассказывает К. Двоеглазов. — ​В третьей — ​прокаливание оксидов при температуре 600−700 °C в аргоно-­водородной смеси». Конечный продукт переработки — ​диоксид урана выгружается в приемные контейнеры. Заполненные контейнеры робот перемещает на стеллаж. После пробоотбора и анализа диоксид можно направлять на фабрикацию топлива, реализуя концепцию замыкания ядерного топливного цикла.

Новый комплекс установок уникален, аналогов ему в мире нет. Как перспективная технологическая операция переработки ОЯТ СВЧ-денитрация азотнокислых растворов актинидов известна в Японии, Корее, США. Но коллеги предлагают аппараты периодического действия. Мы в рамках проектного направления «Прорыв» впервые создали установку непрерывного действия промышленного масштаба. Уже проведены пусковые испытания, продемонстрировавшие обнадеживающие результаты", — ​сообщил К. Двоеглазов.