УРАН-ПЛУТОНИЕВОГО ТОПЛИВА

Введение

Используемая в настоящее время PUREX-технология переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) при всех ее несомненных достоинствах обладает рядом очевидных недостатков, среди которых следует отметить:

I. техническую сложность ее реализации;

II. использование большого количества, зачастую дорогих, реагентов, неустойчивых в радиационных полях;

III. образование значительного количества жидких высокоактивных отходов (ВАО);

IV. очень высокую стоимость;

V. сложные системы обеспечения безопасности многофункциональной технологической схемы;

VI. принципиальная возможность нарушения режима нераспространения ядерных материалов.

Перспективной альтернативой PUREX-технологии считают пирохимическую, “сухую” технологию переработки ОЯТ, впервые разработанную в Аргоннской Национальной Лаборатории (ANL*)) в США. Известен целый ряд вариантов “сухих” технологий, один из которых - переработка в расплавленных солях - разработан наиболее тщательно. Привлекательные стороны этой технологии связаны со следующими обстоятельствами:

1. в солевых расплавах деградация в радиационных полях значительно ниже, чем в растворах; тем самым снимаются ограничения на удельную активность перерабатываемых материалов;

2. все химические операции могут быть проведены в одном или нескольких компактных аппаратах;

3. переработка в солевых расплавах может быть использована для топлив различных типов (металлическое, оксидное, карбидное, нитридное) с одним и тем же оборудованием;

1. в ряде случаев в результате переработки ОЯТ в солевых расплавах можно получить конечный продукт, готовый для непосредственного изготовления ядерного топлива.

Переработка ОЯТ в солевых расплавах предполагает:

II. растворение ОЯТ в солевом расплаве;

III. выделение из расплава делящихся материалов с ограниченной очисткой их от ПД и загрязнений;

1) получение плутония в форме, пригодной для рециклирования;

2) концентрирование ПД;

3) рецикл реагентов, что позволяет существенно ограничить объем используемых в технологическом процессе солей и других реагентов (5-20 г на 1 кг перерабатываемого топлива).

ОЯТ можно растворять и перерабатывать в различных солевых расплавах:

- хлориды щелочных или щелочноземельных металлов,

- фториды различных металлов,

- нитраты и сульфаты щелочных металлов,

- молибдаты и вольфраматы щелочных металлов и др.

В дальнейшем будут рассмотрены лишь хлориды щелочных металлов - система, наиболее часто используемая или предлагаемая к использованию при разработке пирохимических методов на разных этапах переработки ОЯТ и/или РАО.

Существует два основных способа переработки ОЯТ в солевых расплавах (на примере оксидного топлива):

- Пироэлектрохимическая переработка с использованием хлорирующего агента с непосредственным растворением оксидного топлива. Процесс протекает при температуре 500-700 °С и включает следующие реакции:

- Хлорирование:

UO₂ + Cl₂ → UO₂Cl₂

PuO₂ + 2Cl₂ → PuCl₄ + O₂

PuCl₄ + O₂ → PuO₂Cl₂ Cl₂

- Электролиз:

на катоде                                   UO + 2e → UO₂

                                                   PuO + 2e → PuO₂

на аноде                                     2Cl – 2e = Cl₂

- Осаждение:               PuCl₄ + O₂ ® PuO₂ + 2Cl₂

- Пирометаллургическая обработка с восстановлением оксидов до металлов или до катионов, не содержащих кислород, с последующей очисткой при электролизе или при обменных реакциях с получением актиноидов в виде металлов. Такая обработка проводится также при температуре 500-700 °С и включает реакции:

- Восстановление кальцием (СаСl₂ - CaF₂) в жидком металле (кадмии или др.):

UO₂ + 2Ca(Cd) ® U(Cd) + 2CaO

PuO₂ + 2Ca(Cd) ® Pu(Cd) + 2CaO

Кальций удаляется из расплава при электролизе с графитовым анодом.

- Электролиз (в расплаве LiCl - KCl):

на аноде:                         U(Cd) – 3e ® U³⁺

                                      Pu(Cd) – 3e ® Pu³⁺

на катоде:                   Pu³⁺ + 3e ® Pu(Cd)_сплав.

Очевидно, что реализация пирохимической переработки возможна не только различными способами, но и на разных этапах переработки ОЯТ, включая обработку жидких ВАО, образовавшихся в результате переработки ОЯТ с использованием иных технологий.

В данном учебном пособии предполагается выявить основные направления и тенденции при разработке и использовании пирохимической технологии за последние годы. Особое внимание будет обращено на те возможные изменения ЯТЦ, которые могут явиться следствием использования пирохимических технологий в тех вариантах ЯТЦ, которые описаны в предыдущих главах.

Глава 8 Пироэлектрохимическая технология переработки