Способ переработки облученного уран-плутониевого топлива

 

Использование: переработка уран-плутониевого оксидного топлива в расплавленных солях. Сущность изобретения: электролиз разделения урана и плутония ведут в присутствии тетрахлорида урана и при барботаже инертного газа через расплав. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к неводным методам регенерации ядерного топлива и может быть использовано при переработке уран-плутониевого оксидного топлива в расплавленных солях. Известны способы переработки облученного уран-плутониевого оксидного топлива [1] включающие операции хлорирования топлива в расплаве хлоридов щелочных и/или щелочноземельных металлов и последующего выделения диоксида урана, диоксида плутония или их смеси электролизом или другими способами. Недостатком этих способов является то, что они не позволяют очистить топливо от радионуклеотидов деления циркония, ниобия, рутения, родия и палладия, так как эти элементы либо осаждаются при электролизе с оксидами урана и плутония, либо осаждаются вместе с диоксидом плутония при обработке расплава кислородсодержащей газовой смесью, другими окислителями или восстановителями. Известен способ переработки облученного уран-плутониевого топлива (2), включающий операции хлорирования топлива в расплаве хлором и/или хлористым водородом с образованием в расплаве в основном уранилхлорида (UO₂Cl₂) и хлоридов плутония (PuCl₃, PuCl₄), электролиза разделения, при котором расплав обрабатывают хлорирующим агентом (хлор или хлористый водород), а на катоде выделяется диоксид урана, захватывающий примеси нуклидов деления циркония, ниобия, рутения, родия, палладия, серебра, тем самым удаляя их из расплава. При этом коэффициент разделения урана и плутония (К_разд [U]/Pu] кат. осадок/[U] /[Pu] расплав. составляет в расплаве LICl-KCl 100 120, (для других расплавов, например NaCl и NaCl-2CsCl, он намного ниже и не превышает 40 и 8 соответственно), выделения диоксида плутония или смеси диоксидов урана и плутония с достаточной очисткой от нуклидов деления. Недостатком этого способа является то, что при его осуществлении в расплавах NaCl-KCl, NaCl-2CsCl коэффициент разделения урана и плутония невысок. Это приводит к потере плутония, что особенно заметно при переработке топлива быстрых реакторов и может составить 1 2% от общего его количества. Использование соли LiCl-KCl в расплав которой К_разд удовлетворителен (100 120), в условиях защитной камеры затруднено из-за ее сильной гигроскопичности. Целью изобретения является повышение коэффициентов разделения урана и плутония при электролизе. Цель достигается тем, что по способу электролиз разделения ведут в расплаве, содержащем кроме уранилхлорида (UO₂Cl₂) и хлоридов плутония (PuCl₄, PuCl₃) тетрахлорид урана (UCl₄) и при барботаже через расплав инертного газа или азота. При этом К_paзд урана и плутония увеличивается, по сравнению с прототипом в 3 4 раза. Сущность изобретения заключается в том, что при электролизе в предлагаемых условиях уменьшается скорость соосаждения плутония с диоксидом урана. Связано это с тем, что основными причинами загрязнения диоксида урана плутонием являются два процесса. Во-первых, электроразложение плутония - хлоридов (PuO₂Cl₂ и PuO₂Cl) на катоде с образованием диоксида плутония: PuO⁺₂+e _→ PuO₂ (1), PuO⁺₂+2e _→ PuO₂ (2). Плутонилхлориды могут образоваться в расплаве за счет внесения примесей кислорода. Присутствие в расплаве тетрахлорида урана обеспечивает практически полное восстановление плутонилхлоридов: PuO₂Cl₂ + UCl₄ UO₂Cl₂ + PuCl₄ (3) и тем самым является важным условием проведения электролиза разделения. Во-вторых, загрязнение диоксида урана плутонием происходит за счет обменного взаимодействия: PuCl₄+UO₂ _→ UC₁₄+(U,Pu)O2 (4). Барботаж через расплав инертного газа снижает парциальное давление хлора в системе и переводит часть тетрахлорида плутония в трихлорид в соответствии с равновесием: PuCl₄ ⇄ PuCl₃+1/2Cl₂, а так как трихлорид плутония в обменное взаимодействие не вступает, то скорость соосаждения плутония с UO₂ по реакции (4) значительно снижается. Это соответственно приводит к увеличению К_разд урана и плутония. Таким образом, одновременное введение в расплав тетрахлорида урана и операция барботажа инертного газа приводят к увеличению К_разд урана и плутония в 3 4 раза по сравнению с прототипом. Одновременно с этим тетрахлорид урана, при большом содержании влияет на скорость электроосаждения диоксида урана, а при постоянной скорости соосаждения плутония с UO₂ это приводит к снижению К_разд. Например, в расплаве NaCl-KCl влияние тетрахлорида урана на скорость осаждения диоксида урана становится заметным при его доле около 20% от общего содержания урана в расплаве (в виде UO₂Cl₂ и UCl₄). Поэтому при электролизе разделения для поддержания высокого К_разд. доля UCl₄ в расплаве не должна быть выше этой величины. С другой стороны, доля тетрахлорида урана не должна быть очень низкой. Это связано с тем, что газы, используемые в технологии, содержат от 0,001 до 0,01 об. кислорода и паров воды, которые могут окислять трихлорид и тетрахлорид плутония до плутонилхлорида, и вследствие этого идет загрязнение катодного осадка по реакциям (1) и (2). Если в расплаве содержится тетрахлорид урана, реакция (3) и в расплаве плутонилхлориды не присутствуют. Для нейтрализации примесей кислорода и паров воды необходимо, чтобы в расплаве концентрация тетрахлорида урана была по крайней мере не ниже 1% от общего содержания урана. Таким образом, в расплаве NaCl-KCl для достижения высокого К_разд. урана и плутония (120 150) необходимо поддерживать содержание тетрахлорида урана от 1 до 20% от общего содержания урана. в расплаве. Для других расплавов хлоридов этот диапазон может быть другим и должен подбираться экспериментально. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Проводим четыре эксперимента по переработке уран-плутониевого топлива в расплаве NaCl-KCl. Использовали хлоратор-электролизер с тиглем из пирографита диаметром 120 мм и высотой 350 мм и пирографитовый катод. Навески смеси диоксидов урана и плутония хлорировали в 1500 г расплава NaCl-KCl. Суммарное содержание урана и плутония в расплаве составляло 25 31 мас. Необходимое содержание тетрахлорида урана создавали обработкой расплава смесью хлора с парами четыреххлористого углерода. Электролиз разделения вели при температуре 660 670^oC и начальной плотности катодного тока 0,5 0,8 А/см². Во время электролиза через расплав барботировали аргон или азот с расходом 20 25 л/ч. Электролиз заканчивали при извлечении урана на 50 60% от его общего содержания в расплаве. Катодные осадки отмывали от захваченных солей и анализировали на содержание плутония. Параметры и результаты экспериментов приведены в таблице. Для сравнения в тех же условиях проведен электролиз разделения по прототипу (4). Результаты, приведенные в примерах, показывают, что К_разд. U/Pu увеличивается при использовании изобретения. После электролиза разделения плутоний из расплава выделяли в виде диоксида путем обработки расплава хлор-кислородной газовой смесью. Использование предлагаемого способа переработки облученного уран-плутониевого оксидного топлива обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: уменьшение потерь плутония с катодным осадком диоксида урана при электролизе разделения; возможность использования при переработке негигроскопичных расплавов NaCl-KCl и других вместо гигроскопичного LiCl-KCl; возможность проведения электролиза разделения в расплавах с массовым отношением U/Pu 1 5 с небольшими потерями. Это, в свою очередь, позволяет организовать процесс накопления плутония в расплаве за счет многократного повторения операций хлорирования и электролиза разделения с увеличением каждый раз основной массы урана. Такая организация процесса переработки топлива увеличивает его производительность.

Формула изобретения

1. Способ переработки облученного уран-плутониевого топлива в расплавах хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов, включающий хлорирование топлива в расплаве, электролиз разделения урана и плутония и последующее получение диоксида плутония или/и смеси диоксидов урана и плутония, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента разделения урана и плутония, электролиз разделения ведут в присутствии тетрахлорида урана и при барботаже через расплав инертного газа или азота. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переработку ведут в расплаве эквимольной смеси хлоридов натрия и калия, и при электролизе разделения поддерживают содержание тетрахлорида урана в расплаве от 1 до 20% от общего содержания урана в расплаве.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.01.2010

Дата публикации: 10.12.2011

---