Способ переработки облученного ядерного топлива

Авторы патента:

G21F9/30 - виды обработки (разделение одного и того же химического элемента B01D 59/00)

Владельцы патента RU 2591215:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к области переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ). Способ переработки ОЯТ включает термическую обработку путем нагрева фрагментов ОЯТ в газовоздушной смеси, содержащей кислород, диоксид углерода и пары воды, с проведением в две стадии при постоянной или периодической механоактивации реакционной смеси. Процесс проводят путем спекания ОЯТ с карбонатом щелочного металла чередованием этих двух стадий. Одну из стадий проводят при температуре 400-500°C, а другую при температуре 600-800°C в реакционной камере и термообработку проводят в смеси с карбонатами щелочных металлов. Изобретение позволяет повысить технологическую устойчивость процесса и устранить ограничения по его аппаратурному оформлению. 7 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к области атомной промышленности, в частности к способу переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в атомной энергетике при переработке ядерного топлива.

Известен способ предварительного (перед растворением ОЯТ) удаления газообразных (тритий, йод) и летучих (цезий, серебро, рутений, технеций, сурьма и др.) продуктов деления ОЯТ после операции рубки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) путем продувки воздуха или кислорода при температуре 500-600°C (Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 185) или продувкой инертным газом и водородом при температуре до 1500°C (Trans. Amer. Nucl. Soc. 1981, vol. 39, p. 419-421, Radiochimica, 1981, vol. 29, №1, p.153-157). Требуемая степень удаления трития (не менее 99%) при продувке гелием или водородом измельченных ТВЭЛов достигается нагревом фрагментов ОЯТ в течение 24 часов при температуре не менее 1000°C. Такие условия предъявляют особые требования по стойкости к конструкционным материалам, что повышает стоимость оборудования. Также возникают дополнительные сложности в обращении с продуктами деления. При высокой температуре многие компоненты ОЯТ начинают испаряться (цезий, серебро, рутений, иод, технеций, сурьма и др.) и конденсироваться в различных местах оборудования, что, в свою очередь, требует проведения периодической жидкостной дезактивации установки, в результате которой образуются дополнительные высокоактивные жидкие радиоактивные отходы (ЖРО). При высокотемпературной обработке увеличивается количество (до 1,5%) нерастворимых в азотной кислоте соединений плутония.

Известен способ термической обработки фрагментов с ОЯТ при температуре от 480 до 600°С в присутствии воздуха или кислорода. При этом степень удаления трития из ОЯТ составляет 99% (G.D: DelCui, R.D.Hunt, J.A. Jonson and other. Advanced head end for the treatment of LWR fuel. OECD Nuclear Energy Agency. 11-th Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation Hyatt at Fisherman's Wharf, San Francisco, California, 1-5 November 2010). Но при этом не устраняется проблема газообразных выбросов йода, цезия и оксидов технеция.

Известен (RU 2253916, G21C 19/44 от 28.06.2004) способ отгонки паров цезия путем термической обработки ОЯТ кислородом воздуха при температуре 700-800°С с последующим восстановлением полученной закиси урана водородом при температуре 600-700°С. Полученный диоксид урана подвергается отжигу в вакууме при температуре 1000-1300°C для отгонки летучих продуктов деления. К недостаткам метода можно отнести высокую температуру процесса и сложность осуществления вакуумной отгонки.

Известен способ (WO/1996/032729, G21C 19/48 от 9.04.1994) проведения процесса термической обработки ОЯТ (волоксидации) в расплаве карбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов. К недостаткам метода можно отнести высокую не менее 900°C температуру и сложность окисления ОЯТ в связи с низкой растворимостью кислорода в солевом расплаве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, предложенный в патенте WO 2012144933 A1, G21F 9/32 от 12.12.2012 (RU 2459299, G21F 9/30 от 20.04.11) и выбранный в качестве прототипа. Способ отличается от ранее приведенных способов использованием парогазовой смеси, состоящей из кислорода воздуха, водяного пара и диоксида углерода. Парогазовая смесь подается в рабочую камеру, в которой поддерживается чередование температур от 350 до 600°C. В целях интенсификации процесса предлагается использование механоактивации. К недостаткам данного способа можно отнести унос паров йода, оксидов цезия и технеция из рабочей камеры.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение степени возгонки соединений йода, оксидов цезия и технеция при сохранении высокой степени очистки продуктов переработки от трития.

Технический результат достигается способом переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ), включающим термическую обработку фрагментов ОЯТ в газовоздушной среде, содержащей кислород воздуха, диоксид углерода и пары воды, проводимую в две чередующиеся стадии при постоянной или периодической механоактивации, одну из стадий проводят при температуре 400-500°C, а другую при температуре 600-800°C и окисление ОЯТ проводят в смеси с карбонатами щелочных металлов. Способ переработки ОЯТ заключается в том, что термическую обработку и образование газовоздушной среды проводят путем сжигания в рабочей камере, содержащей перерабатываемую смесь, природного газа. Нагрев частично проводят за счет окисления металлического циркония и ниобия, входящих в состав оболочки ОЯТ. Карбонат щелочных металлов можно смешивать с 10-40% гидроксида щелочных металлов. Карбонат щелочных металлов можно смешивать с 10-60% карбоната щелочно-земельных металлов. Карбонат щелочных металлов можно смешивать с 10-60% гидроксида или оксида щелочно-земельных металлов. В газовоздушную смесь перед подачей в рабочую камеру можно добавлять озонированный кислород. Выходящие из рабочей камеры разогретые газы можно использовать для предварительного подогрева входящей газовоздушной смеси.

При нагревании ОЯТ на основе диоксида урана в атмосфере, содержащей кислород, происходит ряд фазовых переходов оксидов урана:

UO₂→UO_2+х→U₄O₉→U₃O₇→U₃O₈.

Так как тип кристаллической решетки у различных оксидов разный, то это в сочетании с механоактивацией приводит к разрушению топливных таблеток до мелкодисперсного состояния: 1-10 мкм, что создает благоприятные условия для выхода летучих и газообразных продуктов деления (Агеенков А.Т., Бибиков С.Е., Валуев Е.М. и др. // Атомная энергия. 1973. Т. 35, Вып. 5. С. 323-325). Вместе с тем происходит выделение в виде паров йода, цезия и оксидов технеция, что создает дополнительные проблемы с дезактивацией оборудования.

Технический результат достигается тем, что в способе процесс переработки ОЯТ, смешанного с карбонатом щелочных и/или щелочно-земельных металлов, проводят в окислительной атмосфере в две стадии, одну из которых проводят при температуре 400-500°C в воздушной среде, дополнительно содержащей водяной пар и диоксид углерода, в течение 60+360 минут. На этой стадии по данным (Плутоний. Фундаментальные проблемы. Т1 стр. 271) протекает реакция:

PuO₂+X H₂O=PuO_2+X+ХН₂

2Н₂+O2=2H₂O

Другую стадию проводят при температуре 600-800°C в воздушной или обогащенной по кислороду среде, содержащей диоксида углерода и водяной пар, течение 120-240 минут. Скорость протекания реакций возрастает с увеличением температуры. Добавка диоксида углерода на обеих стадиях служит для предотвращения улетучивания оксидов щелочных металлов.

На этой стадии протекает несколько реакций:

3UO₂+O₂=U₃O₈

2U₃O₈+3Na₂CO₃+O₂=3Na₂U₂O₇+3CO₂

J₂+Na₂CO₃=2NaJ+CO₂

2CsO₂+CO₂=Cs₂CO₃+O₂

Te₂O₇+Na₂CO₃=2NaTeO₄+CO₂

Zr+O₂=ZrO₂

4Nb+5O₂=2Nb₂O₅

Zr+2H₂O=ZrO₂+2H₂

2H₂+O2=2H₂O

Обе стадии проводят необходимое число раз при постоянной или периодической механоактивации реакционной массы. Расход газового потока на каждой стадии соответствует 10÷50 полным обменам объема реакционной камеры в час. Для уменьшения общей продолжительности обработки и достижения требуемой степени окисления компонентов ОЯТ газовый поток перед входом в рабочую камеру подогревается до температуры внутреннего объема камеры, т.е. до 400-500°C на одной стадии и до 600-800°C на другой стадии.

Примеры осуществления способа.

Способы были опробованы в лабораторных условиях на модельных системах.

Пример №1

Диоксид урана смешивался с карбонатом натрия в мольном соотношении, соответствующем уравнению реакции:

3UO₂+O₂=U₃O₈

2U₃O₈+3Na₂CO₃+O₂=3Na₂U₂O₇+3CO₂

с 10% избытком карбоната. Смесь тщательно перетиралась в ступке. Навеска смеси массой 6 г в тигле прокаливалась при температуре 600°C в течение 1, 2, 3 и 4 часов. Аналогичная смесь прокаливалась при температуре 800°C. Время прокаливания также 1, 2, 3 и 4 часа.

Рентгенодефрактометрическим способом определено образование во всех случаях соответствующих диуранатов. Сравнение полученных при разных температурах результатов показывает примерно двукратное увеличение скорости реакции с увеличением температуры с 600 до 800°C. Аналогичные результаты были получены при замене карбоната натрия карбонатом лития, калия и цезия.

Пример №2

Аналогичным способом изучалось поведение оксидов циркония и ниобия. Навески оксида циркония и оксида ниобия, смешанные с карбонатом натрия, нагревались сначала в течение 4 часов до 600°, а в последующем в течение 4 часов до 800°C. Рентгенодефрактометрическим способом было определено отсутствие реакции между компонентами.

Пример №3

Сплавление смеси оксида рения (имитирующего оксид технеция) с карбонатом натрия уже при температуре 600°C привело к образованию перрената натрия по уравнению реакции:

Re₂O₇+Na₂CO₃=2NaReO₄+CO₂

Пример №4

Сплавление смеси металлического иода с карбонатом натрия уже при температуре 600°C привело к образованию иодида натрия по уравнению реакции:

J₂+Na₂CO₃=2NaJ+CO₂

Изучение кинетики реакций проводилось дериватографическим методом с определением состава выделяющихся газов масс-спектрометром. Результаты показывают увеличение скорости реакции с ростом температур. Анализ выделяющихся газообразных продуктов показывает отсутствие в них оксидов щелочных металлов, технеция и газообразного йода.

Пример №5

Изучение кинетики реакций взаимодействия смеси карбоната и гидроксида натрия (в мольном соотношении 1:1 по приведенному выше уравнению) с диоксидом урана при 10% избытке смеси щелочного металла дериватографическим методом показывает уменьшение температуры начала реакции до 400°C.

Как видно из примеров, достигаемый технический результат заключается в том, что пары йода, оксиды цезия и технеция связываются в устойчивые при данных условиях соединения. Диоксид урана полностью переходит в шестивалентное состояние. Оболочки ТВЭЛов переходят в состояние порошка из смеси оксидов ZrO₂ и Nb₂O₅.

1. Способ переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ), включающий термическую обработку путем нагрева фрагментов ОЯТ в газовоздушной смеси, содержащей кислород, диоксид углерода и пары воды, с проведением в две стадии при постоянной или периодической механоактивации реакционной смеси, отличающийся тем, что процесс проводят путем спекания ОЯТ с карбонатом щелочного металла чередованием этих двух стадий, при этом одну из стадий проводят при температуре 400-500°C, а другую при температуре 600-800°C в реакционной камере.

2. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев и образование газовоздушной смеси проводят путем сжигания в реакционной камере, содержащей перерабатываемую смесь, природного газа.

3. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что при переработке нагрев частично проводят за счет окисления металлического циркония и ниобия, входящих в состав оболочки ОЯТ.

4. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что фрагменты ОЯТ смешивают с карбонатом щелочных металлов, содержащим 10-40% гидроксида щелочных металлов.

5. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что фрагменты ОЯТ смешивают с карбонатом щелочных металлов, содержащим 10-60% карбоната щелочно-земельных металлов.

6. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что фрагменты ОЯТ смешивают с карбонатом щелочных металлов, содержащим 10-60% гидроксида или оксида щелочно-земельных металлов.

7. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что в газовоздушную смесь при подаче в рабочую камеру добавляют озонированный кислород.

8. Способ переработки ОЯТ по п. 1, отличающийся тем, что выходящие из реакционной камеры разогретые газы используют для подогрева входящей газовоздушной смеси.

Изобретение относится к области дезактивации оборудования, используемого при переработке облученного ядерного топлива атомных электростанций (ОЯТ АЭС). Способ дезактивации экстракционного оборудования путем его промывки раствором комплексона кислотного характера в разбавленной азотной кислоте заключается в том, что в многоступенчатый экстрактор или каскад экстракторов, работающий в режиме противоточной кислотной промывки, после полной реэкстракции и вытеснения радионуклидов вводят водный раствор комплексона или соли комплексона.

Способ удаления радиоактивного иода и гидрофильная смола для удаления радиоактивного иода // 2572813

Изобретение относится к способам удаления радиоактивного иода, присутствующего в жидкости и/или твердом теле, образующегося в атомной электростанции или в установке для переработки отработанного ядерного топлива.

Способ обработки металлических радиоактивных отходов, образованных при переработке ядерного топлива водо-водяных реакторов и реакторов рбмк // 2569998

Изобретение относится к способу обработки твердых радиоактивных отходов, образованных при переработке ядерного топлива водо-водяных реакторов и реакторов РБМК. Способ заключается в хлорировании отходов молекулярным хлором при температуре 400-500°С и разделении полученных продуктов, при этом огарок и отфильтрованные пылевидные продукты направляют в пурекс-процесс, газовую смесь с целью очистки от ниобия и других легирующих элементов обрабатывают водородом при температуре 450-550°С и пропускают через керамический фильтр, нагретый до 500-550°С, очищенный тетрахлорид циркония кристаллизуют в конденсаторе при температуре не выше 150°С.

Способ очистки опускных трубопроводов барабан-сепараторов ядерного канального реактора // 2568895

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к способам очистки внутренних поверхностей трубопроводов от радиоактивных загрязнений, например опускных трубопроводов барабан-сепараторов контура многократной принудительной циркуляции ядерного канального реактора, и может быть использовано при проведении ремонтных и регламентных работ на энергоблоках атомных электростанций.

Способ измерения активности пробы водного раствора по 60со и система для его осуществления // 2561707

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для оценки и контроля радиационно-экологической обстановки на АЭС и радиохимических производствах в ходе переработки радиоактивных отходов, а также в районах ядерных аварий на суше и на море.

Способ удаления ядерного топлива из контуров исследовательских и энергетических ядерных реакторов // 2547822

Изобретение относится к средствам удаления двуокиси урана, используемой в качестве ядерного топлива, из теплоносителя первого и основных контуров исследовательских и энергетических ядерных реакторов.

Нанокомпозитный твердый материал на основе гекса- и октацианометаллатов, способ его приготовления и способ фиксации минеральных загрязнителей с использованием упомянутого материала // 2541474

Изобретение относится к нанокомпозитному твердому материалу на основе гекса- и октацианометаллатов, способам их получения и применгению в качестве минеральных фиксаторов.

Способ регенерации твердого йодного фильтра // 2530058

Изобретение относится к способу регенерации твердого фильтра, содержащего йод в форме йодида и/или йодата серебра и возможно физически сорбированный молекулярный йод в твердом фильтре, содержащем серебро в форме нитрата.

Способ электрокинетической дезактивации твердой пористой среды // 2516455

Заявленное изобретение относится к способу электрокинетической дезактивации твердой пористой среды. Заявленный способ включает выделение загрязняющих веществ, присутствующих в этой твердой среде, в электролит, имеющий вид в основном неорганического геля, причем это выделение осуществляют путем пропускания электрического тока между двумя электродами, расположенными на поверхности и/или внутри твердой среды При этом контакт между, по меньшей мере, одним из этих электродов и указанной твердой средой обеспечивает слой указанного геля, высыхание геля, содержащего выделенные таким образом загрязняющие вещества до получения ломкого сухого остатка и удаление полученного таким образом сухого остатка указанной твердой среды.

Обработка углеродсодержащих радиоактивных отходов // 2486617

Изобретение относится к обработке углеродсодержащих радиоактивных отходов. .

Способ получения оксигалогенида, и/или оксида актинида(ов), и/или лантанида(ов) из среды, содержащей по крайней мере одну расплавленную соль // 2610067

Изобретение относится к способу получения оксихлорида и/или оксида актинида(ов), и/или лантанида(ов) из хлорида актинида(ов), и/или лантаноида(ов), присутствующего в среде, содержащей по крайней мере одну расплавленную соль типа хлорида. Способ включает стадию взаимодействия хлорида актинида(ов) и/или лантанида(ов) с влажным инертным газом. Изобретение обеспечивает эффективное получение оксигалогенидов и/или оксида актинида(ов), и/или лантанида(ов), а также образование с элементами актинидов или лантанидов, продуктов, отличных от оксигалогенидов или оксидов, и исключение загрязнения катионами среды, содержащей расплавленную соль, упрощая рециркуляцию расплавленных солей. 10 з.п. ф-лы, 3 пр.

Способ обработки оболочки, содержащей прокаленный гидрид кальция // 2622500

Изобретение относится к пригодному для обработки ядерных отходов способу обработки оболочки для проведения ядерных реакций, содержащей прокаленный материал, состоящий полностью или частично из прокаленного гидрида кальция. Предложенный способ включает фазу контакта прокаленного материала с реагентной смесью, в молярных долях состоящей из 0,5-5% пара, 5-25% двуокиси углерода и 74,5-94,5% химически инертного газа, при этом контакт обеспечивают при температуре 40-55°С в течение времени, которое позволит прокаленному гидриду кальция преобразоваться в порошок карбоната кальция. Предложен новый эффективный способ получения химически инертного отхода, позволяющий минимизировать объем отходов в потоках обработки ядерных отходов. 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Установка для обработки радиоактивных углеродных отходов, в частности, графита // 2627237

Группа изобретений относится к обработке радиоактивных углеродных отходов. Способ обработки радиоактивных углеродных отходов включает в себя доставку отходов до одного или нескольких участков разделения радиоактивных изотопов, по меньшей мере, углерода 14, хлора 36 и трития. Доставку отходов к каждому из участков осуществляют во влажном состоянии, причем обработке углерода 14 предшествует отделение хлора 36 и трития, для чего отходы смешивают с водой в виде суспензии, затем подвергают механической фильтрации и сушке, при этом полученная после сушки вода содержит весь или часть хлора 36, который присутствовал в отходах до сушки, и после отделения хлора 36 отходы прокаливают путем обжига, затем промывают, с получением после промывки воды, которая содержит весь или часть трития, который присутствовал в отходах до обжига. Имеется также установка для обработки радиоактивных углеродных отходов. Группа изобретений позволяет доставлять отходы к каждому из участков во влажном состоянии, при этом вода является общей средой-носителем отходов для доставки к каждому из участков разделения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Мембрана на подложке, функционализованная гекса- и октацианометаллатами, способ ее получения и способ разделения с применением этой мембраны // 2645989

Изобретение относится к мембране на подложке, к способу получению мембраны и способу выделению с помощью указанной мембраны твердых частиц и катионов металлов, более точно, к способу фильтрации твердых частиц и экстракции катионов металлов, в частности радиоактивных, содержащихся в жидкости. Мембрана на подложке содержит твердую пористую неорганическую фильтрационную мембрану, нанесенную на твердую пористую неорганическую подложку. Мембрана на подложке содержит наночастицы металлокоординационного полимера с CN-лигандами, содержащего катионы Mn+, где М есть переходный металл, и n равно 2 или 3; и анионы Alk+y[M'(CN)m]x-, где Alk означает щелочной металл, y равно 0, 1 или 2, М' означает переходный металл, x равно 3 или 4, и m равно 6 или 8. Указанные катионы Mn+ координационного полимера соединены металлоорганической или координационной связью с органической группой органической прививки, химически связанной с поверхностью фильтрационной мембраны, внутри пор фильтрационной мембраны и, возможно, внутри пор подложки. Способ выделения по меньшей мере одного катиона металла и твердых частиц из жидкой среды, в которой они находятся, с применением указанной мембраны на подложке, включает контакт потока жидкой среды с первой противоположной подложке стороной мембраны на подложке. Вторая часть потока жидкой среды, не прошедшая через мембрану на подложке, собирается на первой стороне мембраны и образовывает реагент, обогащенный твердыми частицами. Катион металла иммобилизован на поверхности твердой пористой неорганической фильтрационной мембраны, внутри пор мембраны и, возможно, внутри пор твердой пористой неорганической подложки. Изобретение позволяет с высокой эффективностью осуществить одновременно отделение твердых частиц и катионов металлов, в частности радиоактивных, содержащихся в жидкости. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 8 ил, 3 табл, 4 пр.