Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к переработке ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий. Ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают расплав в присутствии кислорода при остаточном давлении в печи ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия, после чего полученный слиток растворяют в кислоте и извлекают уран методом экстракции. Способ позволяет полностью удалить из отработавшего топлива кремний и частично алюминий, а также сократить объем остеклованных отходов. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к пирометаллургической переработке ядерного топлива на основе металлического урана, преимущественно металлического уран-алюминиевого топлива, в т.ч. с алюминий-кремниевой прослойкой, и уран-силицидного ядерного топлива.

Существует способ переработки отработавшего металлического уран-алюминиевого топлива ядерных реакторов методом растворения в щелочи в присутствии нитрата натрия [З. Петерсон, Р. Уаймер. Химия в атомной технологии. - М.: Атомиздат, 1967, с. 209-212]. Недостатками являются многостадийность технологической схемы, большие объемы аппаратуры, занимающие значительные производственные площади, большие объемы образующихся водных растворов, содержащих радионуклиды, которые необходимо утилизировать.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки отработавшего металлического уран-алюминиевого топлива, включающий растворение в азотной кислоте в присутствии азотнокислой ртути, являющейся катализатором, с последующим выделением урана из раствора методом жидкостной экстракции [З. Петерсон, Р. Уаймер. Химия в атомной технологии. - М.: Атомиздат, 1967, с. 212-213]. Остающийся после экстрагирования урана раствор, содержащий алюминий и радионуклиды, упаривают и направляют на остекловывание. Недостатками данного способа являются: - присутствие кремния в растворе, поступающем на экстракцию, приводящее к снижению извлечения урана на этой операции; - образование больших объемов стекла, основное долю в котором занимают не радионуклиды, а алюминий.

Технологии предварительного отделения алюминия и кремния от урана и радионуклидов в растворах до настоящего времени не существует.

Предложен способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, включающий растворение в кислоте и экстракционное отделение урана от радиоактивных продуктов деления и стабильных примесей, согласно которому ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают в присутствии кислорода при остаточном давлении в плавильной камере ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия.

Процесс ведут до полного удаления кремния из урана.

Процесс ведут до остаточного содержания алюминия в уране 0,5-35 мас.%.

Процесс ведут в вакуумной индукционной печи металлическим разрезным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, при электромагнитном перемешивании расплава.

В качестве ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, используют обработавшее металлическое уран-алюминиевое топливо с алюминий-кремниевой прослойкой и урана-силицидное топливо.

Частота индукционных токов составляет 50-200000 Гц.

Экспериментально установлено, что на поверхности расплава, состоящего из металлических урана, кремния и/или алюминия, в присутствии определенного количества кислорода образуется пленка, состоящая из оксидов кремния - SiO₂ и/или алюминия - Аl₂O₃. При достижении определенного значения разрежения в плавильной камере на поверхности расплава протекают реакции взаимодействия компонентов оксидной пленки с Si и/или Аl, содержащихся в расплаве: SiO₂+2Si=2SiO (газ) (1) Al₂O₃+4Al₂=3Al₂O (газ) (2) с образованием газообразных оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия, преимущественно SiO и Al₂О, которые обладают весьма высокой упругостью пара по сравнению с SiO₂, Аl₂О₃, SiO, Al₂O, Si и Аl. Кроме того, термодинамическими расчетами установлено и экспериментально подтверждено, что в интервале температур 900-1800^oС, необходимых для расплавления уран-алюминиевых, уран-кремниевых и уран-алюминий-кремниевых ядерных топливных композиций, давление пара SiO практически всегда превышает давление пара Аl₂О. Это позволяет, подавая кислород в зону расплава в течение определенного периода времени и поддерживая при этом разрежение в плавильной камере ниже, чем равновесные давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и алюминия, удалить кремний в виде SiO из расплава полностью, а алюминий в виде Аl₂О лишь частично. Уран и расчетное количество алюминия останутся в холодном тигле в виде расплава.

SiO и Аl₂O улавливаются на специальном водоохлаждаемом конденсаторе, установленном над тиглем. При конденсации SiO и Аl₂О и будут протекать реакции, обратные реакциям (1) и (2), т.е.

SiO(газ.)=SiO₂(тв.)+Si(тв.) (3) Al₂O(газ.)=Al₂O₃(тв.)+Al(тв.) (4) Осуществление процесса в вакуумной индукционной печи с тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, преимущественно металлическим разрезным водоохлаждаемым тиглем (ИПХТ), обеспечивает электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее массоперенос кремния и/или алюминия из глубины металлического расплава на поверхность, где он(и) вступают в реакции согласно уравнениям (1-2).

Применение индукционных токов относительно низкого диапазона частот (50-200000 Гц) позволяет использовать простые и надежные источники силового электропитания, что значительно упрощает конструкцию ИПХТ, а также обеспечивает отжатие расплава от стенок тигля. При этом происходит увеличение в несколько раз поверхности расплава по сравнению с плоской, а следовательно, пропорционально возрастает количество летучих оксидов кремния и алюминия, удаляемых из тигля в единицу времени.

Остаточное содержание алюминия в расплаве 0,5-35 мас.% определяется составом стекол, применяемых для иммобилизации радионуклидов, направляемых на длительное хранение.

Предлагаемый способ может применяться как для переработки отработавшего топлива ядерных реакторов на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, так и для переработки необлученных сплавов металлического урана с кремнием и/или алюминием. С этой целью исходный материал загружают в вакуумную плавильную печь и расплавляют. Расплав выдерживают в течение определенного времени, подавая в него кислород и поддерживая при этом остаточное давление в плавильной камере ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия. Время выдержки определяется составом исходного материала и тем, какое количество алюминия требуется удалить из расплава. После полного удаления из расплава кремния и частично алюминия его кристаллизуют, извлекают из тигля, растворяют в кислоте и из полученного раствора извлекают уран методом экстракции органическими экстрагентами. Оставшийся раствор, содержащий радиоактивные продукты деления и др. примеси, упаривают, остекловывают и направляют на хранение.

Пример 1. Сплав массой 4 кг, содержащий, мас.%: Аl - 70, U - 26 и Si - 4, загружали в вакуумную индукционную печь с медным разрезным водоохлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, и расплавляли за счет наведения непосредственно в сплаве индукционных токов частотой 2400 Гц. Расплав выдерживали в течение 20 мин, изменяя при этом значение температуры расплава на различных стадиях плавки в пределах 1250-1650^oС. Остаточное давлении в плавильной камере поддерживали на уровне 510^-2 мм рт. ст. Значения равновесных давлений Аl₂О и SiO в этом интервале температур находятся в пределах 0,062-0,48 и 35,7-330 мм рт. ст. соответственно. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 1,5 г/с. Улетучивающиеся с поверхности расплава SiO и Al₂O улавливали на медный водоохлаждаемый конденсатор, установленный над плавильным тиглем. Извлеченный из тигля слиток урана содержал, мас.%: Si - 0,23, Аl - 5,7.

Пример 2. Сплав массой 4 кг, содержащий, мас.%: Аl - 75 и U - 25 плавили в той же печи. Расплав выдерживали в течение 18 мин, изменяя при этом значение температуры расплава в пределах 1250-1650^oС. Остаточное давление в плавильной камере поддерживали на уровне 510^-2 мм рт. ст. Значение равновесного давления Аl₂О в этом интервале температур находится в пределах 0,062-0,48 мм рт. ст. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 0,9 г/с. Извлеченный из тигля слиток урана содержал 33,4 мас.% Аl.

Пример 3. Сплав массой 7,5 кг, содержащий, мас.%: Si - 30 и U - 70 плавили в той же печи. Расплав выдерживали в течение 30 мин, изменяя при этом значение температуры расплава в пределах 1250-1750^oС. Остаточное давление в плавильной камере поддерживали на уровне 20 мм рт. ст. Значение равновесного давления SiO в этом интервале температур находится в пределах 35,7-420 мм рт. ст. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 0,75 г/сек. Извлеченный из тигля слиток урана содержал 0,08 мас.% Si.

Как следует из полученных результатов, приведенные примеры подтверждают эффективность предлагаемого способа. Внедрение этого способа позволит: 1) практически полностью удалить из отработавшего топлива кремний как резко снижающий извлечение урана в процессе экстракции; 2) поскольку алюминий входит в состав стекол для иммобилизации ВАО и не влияет на извлечение урана на последующих операциях, то удалить его (алюминий) из отработавшего топлива лишь частично, оставив в расплаве такое количество, которое обеспечит содержание в стекле на требуемом уровне. В результате, пропорционально количеству удаленного алюминия сокращается объем остеклованных отходов, образующихся при переработки отработавшего ядерного топлива.

Формула изобретения

1. Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, включающий растворение в кислоте и экстракционное отделение урана от радиоактивных продуктов деления и стабильных примесей, отличающийся тем, что ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают расплав в присутствии кислорода при остаточном давлении в печи ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут до полного удаления кремния из расплава.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что процесс ведут до остаточного содержания алюминия в расплаве 0,5-35 мас. %.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вакуумной плавильной печи используют вакуумную индукционную печь с металлическим разрезным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля при электромагнитном перемешивании расплава.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что частота индукционных токов составляет 50-200000 Гц.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, используют отработавшее металлическое уран-алюминиевое топливо с алюминий-кремниевой прослойкой и уран-силицидное топливо.