СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БРАКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях изготовления таблеточного ядерного топлива для тепловыделяющих элементов, например для ядерного энергетического реактора ВВЭР.

Известно, что при нормально функционирующем производстве изготовления таблетированного топлива неизбежен брак, объем которого составляет 10-15% объема продукции (см. книгу А.А.Майоров, И.Б.Браверман "Технология получения порошков керамической двуокиси урана", М., Энергоатомиздат, 1985 год, глава 7.1., стр. 115).

Различают следующие виды брака и отходов, которые включают не кондиционные спеченные таблетки: брак по плотности, брак таблеток, имеющих сколы, трещины, дефекты поверхности и формы, не соответствующие эталонам и др. Этот вид брака по химическому составу не отличается от штатных таблеток. Известен способ переработки брака ядерного топлива, который вновь измельчают и возвращают в процесс, а для поддержания постоянства количества возвращающегося в процесс материала брак, по мере необходимости, извлекают из цикла или наоборот вовлекают в цикл (см. Патент Англии N 1371595, Мки G 21 C 3/62). Приоритет 16.03.71 г. N P 22222126701 ФРГ, опубликован "Изобретения за рубежом", 1974 год, вып. 29, N 21, стр. 2,
Известно также, что используемые устройства измельчения не позволяют получать пресс-порошки требуемого гранулометрического состава (см. Книгу 1, Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин, М., Энергатомиздат. , 1995 год, стр. 94), что влияет на качество таблеток, характеризующееся их плотностью, пористостью, размером и формой зерна (см. там же стр. 91).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ переработки брака ядерного топлива в виде некондиционных спеченных таблеток (брак по плотности, брак таблеток, имеющих сколы, трещины, дефекты поверхности и формы, не соответствующих эталонам и др.), включающий операции термического окисления на воздухе до оксида U₃O₈ с последующей подшихтовкой его к валовому порошку диоксида UO₂ (см. А.А.Майоров, И.Б.Браверман, Технология получения порошков керамической двуокиси урана, М., Энергоатомиздат, 1985 год, 7.2., стр.116-118).

В процессе изготовления ядерного топлива на предприятиях возможно изготовление ядерного топлива с различной массовой долей урана U₂₃₅ и накопление этого вида брака. В связи с закрытием АЭС и разработкой новых ядерных реакторов не исключается накопление брака с различной массовой долей U₂₃₅, а данный способ предусматривает переработку только одного вида брака с одной и той же массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана.

Технической задачей является использование при переработке брака с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов и получение при этом оксида U₃O₈ с номинальной массовой долей U₂₃₅.

Эта техническая задача решается тем, что в способе переработки брака ядерного топлива в виде некондиционных спеченных таблеток, включающем операции термического окисления на воздухе до оксида U₃O₈ с последующей его подшихтовкой к валовому порошку диоксида UO₂.

Согласно изобретению дополнительно перерабатывают брак ядерного топлива с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана, при этом для получения номинальной массовой доли U₂₃₅ в смеси изотопов урана рассчитывают составляющие части с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана и определяют составляющие для двух массовых долей U₂₃₅ по формуле:


где масса окислов урана с высокой массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
- высокая массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
- масса окислов урана с низкой массовой долей по U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
- низкая массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
m_H - масса окислов урана с номинальной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
C_5H- номинальная массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана,
содержание урана в окислах с высокой, низкой и номинальной массовой долей U₂₃₅.

Составляющие части для "n" массовых долей U₂₃₅ определяют по формуле;
m₁•C₅₁ + m₂•C₅₂ + ... + m_n•C_5n = m_H•C_5H (2)

где m₁ - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ первой части,
C₅₁ - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана первой части,
m₂ - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ второй части,
C₅₂ - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана второй части,
m_n - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ "n" части,
C_5n - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана "n" части,
n_H - масса окислов с номинальной массовой долей U₂₃₅,
C_5H - номинальная массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана.

O₁ = O₂ = . . . O_n = O_н - содержание урана в окислах первой, второй, "n"-части и в смеси всех частей дозируют и смешивают их без измельчения, а затем в процессе термического окисления одновременно с окислением осуществляют второе смешение в виде порошка оксида U₃O₈.

Предложенное выполнение способа переработки брака ядерного топлива, включающее смешение брака без его измельчения, одновременное термическое окисление до оксида U₃O₈ со вторым смешением позволит переработать брак с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана и получить оксид с номинальной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана и подшихтовать оксид U₃O₈ к валовому диоксиду UO₂. Поскольку переработке подвергался брак,
содержание урана, в окислах которого равно

то содержание урана в окислах "O" исключено из формул (1), (2).

На чертеже представлена аппаратурная схема способа переработки брака ядерного топлива.

Для осуществления способа использованы биконические контейнеры 1, 2, весы 3, 4, смеситель 5 со шнеком 6, печь 7 с электрообогревом, с сетчатым вращающимся барабаном 8, патрубком 9 подачи горячего воздуха в печь, патрубком 10 отсоса воздуха на фильтр очистки (не показан) и шнеком 11 выгрузки оксида U₃O₈ в контейнер 12 на весах 13.

Оборудование работает и способ осуществляют следующим образом.

Пример 1.

В биконическом контейнере 1 взвешивают брак ядерного топлива на весах 3, где
- масса оксислов урана с высокой массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана - 500 кг и массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана составляет 4,4%.

Определяем по формуле (1)

сколько необходимо брака = 3,6%
для получения C_5H = 4,0%


В контейнере 2 на весах 4 взвешивают 500 кг с массовой долей - 3,6% и брак из контейнеров 1, 2 загружают в смеситель 5, где осуществляют смешение без измельчения брака. Шнеком 6 смесь подается в сетчатый вращающийся барабан 8, находящийся в печи 7 под углом к горизонтальной оси. В барабан 8 через штуцер 9 подается горячий воздух и в сетчатом барабане поддерживается температура не ниже 500^oC. Воздух через штуцер 10 выводится на фильтр очистки. За счет перестройки кристаллической решетки и образования в качестве конечного продукта оксида U₃O₈ происходит измельчение бракованных таблеток до тонкого порошка. Благодаря вращению сетчатого барабана и совместного окисления брака с различной массовой долей U₂₃₅ происходит интенсивное второе смешение и получение однородного оксида с номинальной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов.

Порошок оксида U₃O₈ шнеком 11 выгружается из печи в биконический контейнер 12, взвешивается на весах 13 и отправляется на подшихтовку в валовый диоксид UO₂ до 15%.

Благодаря предложенному способу появилась возможность перевода спеченных браков с различной массовой долей U₂₃₅ в оксид U₃O₈ с номинальной массовой долей U₂₃₅ и с последующей подшихтовкой к UO₂ и производством таблеток для тепловыделяющих элементов тех или иных ядерных реакторов.

Использование: при изготовлении таблетированного ядерного топлива для переработки брака с различной масовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов и получение при этом оксида U₃O₈ с заданной массовой долей U₂₃₅. Сущность изобретения : дополнительно перерабатывают брак ядерного топлива с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана, при этом для получения номинальной массовой доли U₂₃₅ в смеси изотопов урана рассчитывают по формуле составляющие части с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана, дозируют и смешивают их без измельчения, а затем в процессе термического окисления одновременно с окислением осуществляют второе смешение до порошка оксида U₃O₈. 1 ил.

Способ переработки брака ядерного топлива в виде некондиционных спеченных таблеток, включающий операции термического окисления на воздухе до оксида U₃O₈, с последующей подшихтовкой его к валовому порошку диоксида UO₂, отличающийся тем, что перерабатывают брак ядерного топлива с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана, при этом для получения номинальной массовой доли U₂₃₅ в смеси изотопов урана рассчитывают составляющие части с различной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана и определяют составляющие части с различной массовой долей U₂₃₅ смеси изотопов урана для двух массовых долей U₂₃₅ по формуле

где - масса окислов урана с высокой массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
- высокая массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
- масса окислов урана с низкой массовой долей по U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
- низкая массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
m_н - масса окислов урана с номинальной массовой долей U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
C_5н - номинальная массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
- содержание урана в окислах с высокой, низкой и номинальной массовой долей U₂₃₅;
составляющие части для n массовых долей U₂₃₅ определяют по формуле
m₁ • C₅₁ + m₂ • C₅₂ + ... + m_n • C_5n = m_н • C_5n (2),

где m₁ - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ первой части;
C₅₁ - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана первой части;
m₂ - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ второй части;
C₅₂ - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана второй части;
m_n - масса окислов с массовой долей U₂₃₅ n-й части;
C_5n - массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана n-й части;
m_н - масса окислов с номинальной массовой долей U₂₃₅;
C_5н - номинальная массовая доля U₂₃₅ в смеси изотопов урана;
O₁ = O₂ = ... O_n = O_н - содержание урана в окислах первой, второй, n-й части и в смеси всех частей,
дозируют и смешивают их без измельчения, а затем в процессе термического окисления одновременно с окислением осуществляют второе смешение в виде порошка оксида U₃O₈.