СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ИЗ ПАКЕТОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2003 года по МПК C22B60/00 C22B7/00 G21C19/34 

Изобретение относится к пирометаллургическим методам переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) преимущественно на основе урана.

Существуют способы механического извлечения оксидного уранового топлива из металлических оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных из циркония, легированного ниобием, заключающиеся:
- в разборке тепловыделяющих сборок (ТВС) на отдельные твэлы и последующей резке [1], рубке [2] или деформации [3];
- в отрезании хвостовиков и рубке всей ТВС на отдельные куски без разборки на отдельные твэлы [4].

Недостатком этих способов является образование больших количеств пыли и аэрозолей оксидного топлива, что требует мощных и высокоэффективных систем газоочистки. В результате рубки твэлов образуется большое количество фрагментов циркониевых оболочек, так называемой циркониевой шелухи, которые являются пожароопасными и требуют строительства специальных хранилищ больших объемов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термический способ извлечения керамического уранового топлива из пакетов тепловыделяющих элементов [А.С. СССР 357596, опубл. 31.10.1972 г. Бюл. N 33] с отделением топлива от конструкционных материалов путем нагрева до температуры плавления оболочек, согласно которому тепловыделяющие элементы помещают в контейнер, выполненный из железа массой 15-25% от массы конструкционных деталей пакета тепловыделяющих элементов и выполняющий роль твердой присадки, и ведут процесс вскрытия в вакууме или инертной атмосфере при 1000-1300^oС.

Недостатками данного способа являются:
- необходимость разделки ТВС путем отрезания хвостовиков и извлечения пакетов твэлов, что является весьма трудоемкой операцией, выполняемой с помощью манипуляторов, поскольку работа ведется с облученными ТВС;
- необходимость изготовления контейнеров из железа, которое в ходе переработки твэлов войдет в состав радиоактивных металлических отходов и не может быть извлечено из них экономически приемлемым способом.

Техническим результатом предлагаемого решения является сокращение трудоемкости процесса отделения керамического ядерного топлива от металлических конструкций тепловыделяющих элементов и сокращение количества образующих радиоактивных металлических отходов. Технический результат достигается тем, что в способе извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов, включающем расплавление в вакууме или инертной среде металлических конструкционных материалов и отделение расплава от твердого топлива, согласно изобретению расплавлению подвергают пакеты тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющих сборок в плавильном тигле с расплавом, содержащим цирконий, железо, хром и никель.

В тигле с расплавом одновременно выделяющей сборкой дополнительно загружают порцию фрагментов циркониевых оболочек отработавших твэлов.

В тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой дополнительно загружают порцию отработавших тепловыделяющих элементов без концевых деталей.

Содержание в расплаве циркония, железа, хрома и никеля поддерживают на уровне 72-86; 2-26; 0,2-7,0 и 0,1-4,0 мас.% соответственно.

В расплав добавляют цинк в количестве 0,1-15,0 мас.%.

Процесс ведут при 800-1250^oС.

Часть расплава после отделения от твердого топлива направляют на операцию извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов.

Расплав после отделения от твердого топлива фильтруют.

Твердое топливо промывают цинковым расплавом.

Промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива фильтруют.

Процесс ведут в вакуумных индукционных печах с медными разрезными водоохлаждаемыми тиглями при электромагнитном перемешивании расплава.

Процесс ведут при частоте индукционных токов 50-250000 Гц.

Основными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что переработке подвергают тепловыделяющие сборки в той комплектации, в которой они были извлечены из ядерного реактора, без какой-либо предварительной механической разборки.

Процесс осуществляют путем погружения ТВС в плавильный тигель с расплавом на основе циркония, содержащий также железо, хром и никель. Этот расплав образуется при плавлении самих металлических деталей ТВС, а именно: оболочек твэлов и дистанционирующих решеток, изготовленных из циркония, легированного ниобием, а также концевых деталей (хвостовиков), изготовленных из стали 12Х18Н10Т. Эта сталь содержит Fe, Cr и Ni, которые образуют с цирконием легкоплавкие эвтектики. В результате растворения металлической составляющей ТВС будет образовываться двухфазная система, состоящая из металлического расплава и твердого диоксида урана, с последующим разделением фаз по удельной плотности непосредственно в плавильном тигле и контрольной фильтрацией металлического расплава с целью отделения взвешенных частиц топлива при сливе его из тигля.

Схема тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000 представлена на чертеже. Она состоит из:
- перегрузочно-разгрузочной 1 и посадочной 4 головок, так называемых концевых деталей или хвостовиков, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, с помощью которых твэлы жестко фиксируются в определенном положении;
- пакета тепловыделяющих элементов 2, представляющих собой набор трубок из циркония, легированного ниобием, внутри которых находится оксидное урановое топливо;
- дистанционирующих шестигранных сотовых решеток 3 из циркония, легированного ниобием, сквозь которые проходят твэлы.

Одна ТВС реактора ВВЭР-1000 имеет общую массу около 787 кг и содержит, кг:
Диоксид урана - 497
Цирконий, легированный ниобием - 184
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т - 106
Расчет показывает, что при плавлении металлической составляющей ТВС образующийся многокомпонентный Zr-Fe-Cr-Ni-расплав будет иметь массу 290 кг и содержать, мас.%:
- компоненты нержавеющей стали - 36,3, в т. ч. Fe - 26, Сr - 6,6 и Ni - 3,7 соответственно;
- цирконий, легированный ниобием (по разности) - 63,7.

Экспериментально установлено, что для данной многокомпонентной системы минимальной температурой ликвидуса 800-1200^oС обладают сплавы, содержащие в сумме 14-28 мас. % компонентов нержавеющей стали 12Х18Н10Т: Fe, Cr и Ni. Проведение процесса при таких температурах сводит к минимуму вероятность восстановления диоксида урана цирконием до металлического урана, что, в свою очередь, резко уменьшает потери урана с циркониевым расплавом.

Для получения сплава указанного выше состава должно быть увеличено содержание циркония с 63,7 до 72-86 мас.%. Это достигается загрузкой в плавильный тигель вместе с очередной ТВС до 200 кг фрагментов облученных циркониевых оболочек, так называемой циркониевой шелухи, накопленной в больших количествах в результате переработки облученных твэлов методом рубки за несколько десятков лет. Содержание циркония в расплаве также может быть повышено загрузкой в тигель одновременно с ТВС расчетной порции твэлов без концевых деталей.

При необходимости еще большего снижения температуры ликвидуса (до 750^oС и ниже) в расплав целесообразно добавлять 0,1-15,0% цинка, образующего с цирконием и железом легкоплавкие сплавы. Это еще больше уменьшит степень протекания реакции восстановления урана до металлического состояния.

Содержание железа, хрома и никеля в расплаве, равное: 2-26, 0,2-7 и 0,1-4,0 мас. % соответственно, определяется, в основном, содержанием указанных металлов в нержавеющей стали 12Х18Н10Т, из которой изготовлены концевые детали ТВС, и количеством добавляемых в расплав цирконийсодержащих материалов - циркониевой шелухи или твэлов без концевых деталей. При необходимости корректировки состава в расплав вводят дополнительно небольшие количества железа, хрома и никеля.

Для удаления остатков металлического цирконий-железо-хромо-никелевого расплава из пор твердого оксидного уранового топлива его (топливо) промывают легкоплавким цинковым расплавом. Цинковый расплав целесообразно использовать многократно, периодически очищая (регенерируя) его от накапливающихся в процессе промывок циркония, железа, хрома, никеля и др. примесей.

Для технически и экономически эффективного проведения операций извлечения керамического ядерного топлива на основе урана из тепловыделяющих элементов в агрессивной среде металлического расплава необходима специальная плавильная печь, позволяющая реализовать следующие условия:
- исключить загрязнение извлекаемого ядерного топлива материалом плавильного тигля;
- исключить поглощение плавильным тиглем радиоактивных элементов во избежание образования нового типа радиоактивных отходов в виде отработанных тигельных материалов;
- обеспечить электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее растворение конструкционных материалов твэлов в расплаве на основе циркония;
- обеспечить проведение технологических операций в требуемой атмосфере: вакуум, инертный газ, воздух и др., причем должна быть обеспечена возможность изменения атмосферы в ходе технологического процесса;
- обеспечить возможность перемещения расплава внутри тигля в требуемом направлении (вверх или вниз), а также сливать или кристаллизовать расплав и вытягивать в виде компактного слитка;
- обеспечить кардинальное решение проблемы долговечности тигля, а именно: он должен работать несколько лет и не требовать промежуточных зачисток и ремонтов с участием обслуживающего персонала.

Такими свойствами обладают вакуумные индукционные печи с металлическими разрезными водоохлаждаемыми (холодными) тиглями (ИПХТ), снабженные перемещающимися поддонами со сливными устройствами, а также сливными желобами, расположенными в верхней части тигля. Как показал промышленный опыт, срок службы ИПХТ достигает 18 лет и более, что практически исключает образования такого класса радиоактивных отходов, как отработавшие тигельные материалы. Применение индукционных токов относительно низкого диапазона частот (50-250000 Гц) позволяет применять простые и надежные источники силового электропитания, а также значительно упрощает конструкцию ИПХТ.

Перед началом процесса переработки в холодном тигле, оборудованном сливным желобом в верхней зоне и перемещающимся внутри медным водоохлаждаемым поддоном со сливным устройством, готовится ванна легкоплавкого расплава на основе циркония, содержащего Fe, Cr и Ni, предполагаемый состав которого указан выше. Отработавшую ТВС и порцию циркониевой шелухи или отработавших твэлов равномерно погружают в расплав, где происходит их растворение под действием таких факторов, как высокая температура, агрессивная химическая среда металлического расплава и его интенсивное электромагнитное перемешивание. Очевидно, что в силу своих физико-химических характеристик металлические детали ТВС после растворения будут концентрироваться в металлическом расплаве. В холодном тигле по мере переработки тепловыделяющих сборок будет накапливаться двухфазная система, состоящая из расплава Zr-Cr- Ni-Fe и частиц отработавшего оксидного топлива различной крупности. Последние, как имеющие большую плотность (10-11 г/см³), будут оседать в нижнюю часть тигля. Металлический расплав, содержащий небольшие количества мелкодисперсных частиц оксидного топлива во взвешенном состоянии, будет располагаться в верхней части тигля. Металлический расплав также будет заполнять открытые поры оксидного топлива.

После переработки партии ТВС, когда количество твердого топлива в тигле достигает предельно допустимого заполнения, расплав на основе циркония сливают по желобу в изложницу путем перемещения вверх поддона. Расплав в изложнице кристаллизуют, охлаждают, слиток извлекают и направляют в хранилище. Следует отметить, что компактные слитки потребуют значительно меньшего объема хранилищ, а также будут совершенно пожаробезопасны в отличие от циркониевой шелухи, хранящейся в настоящее время навалом.

Металлический расплав, расположенный в порах твердого топлива, удаляют в обогреваемую изложницу через устройство для донного слива. После промывки цинковым расплавом твердое топливо выгружают из тигля и направляют на дальнейшую переработку. Присутствующие в сливаемых расплавах твердые частицы ОЯТ при необходимости отфильтровывают.

В пустой плавильный тигель заливают расплав из обогреваемой изложницы, в него погружают очередную ТВС и расчетную порцию циркониевой шелухи или отработавших твэлов, т.е. цикл переработки очередной партии ТВС повторяется.

Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в индукционной печи с прозрачным для электромагнитного поля медным разрезным водоохлаждаемым (холодным) тиглем диаметром 100 мм с устройством для донного слива расплава. Под сливным устройством устанавливали керамический фильтр. Частота тока источника питания 2400 Гц обеспечивала интенсивное перемешивание металлического расплава.

Пример 1. Исходная шихта массой 4268 кг, имитирующая ТВС реактора ВВЭР-1000, состояла из восьми циркониевых трубок, заполненных спеченными таблетками диоксида урана, а также кусков нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Масса диоксида урана составляла 2485 г, циркония - 920 г, нержавеющей стали 12Х18Н10Т - 503 г.

Шихту указанного состава загружали в холодный тигель с расплавом массой 3423 г, содержащим цирконий, железо, хром и никель и выдерживали в течение 27 мин при 1050^oС в атмосфере аргона до полного растворения металлической фракции шихты в расплаве и разделения по плотности расплава и твердого диоксида урана. Общая масса металлического расплава в тигле составила 4846 г, который имел следующий химический состав, мас.%: Zr - 79,73, Fe - 14,48, Cr - 3,72, Ni - 2,07. После этого открывали пробку сливного устройства и расплав, проходя через фильтр, попадал в изложницу, где кристаллизовался в слиток.

Анализ показал, что содержание урана в полученном слитке массой 4770 г составило 0,36 мас.%. Остаточное суммарное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 1,9 мас.%.

Пример 2. Эксперимент проводили, как описано в примере 1. Отличие заключалось в том, что в расплав массой 3423 г, содержащий цирконий, железо, хром и никель, добавляли еще и 250 г цинка. В полученный расплав массой 3673 г загружали шихту массой 4268 кг, состав которой приведен в примере 1. Процесс вели в течение 19 мин при 950^oС в атмосфере аргона до полного растворения металлической фракции шихты в расплаве и разделения по плотности расплава и твердого диоксида урана. Общая масса металлического расплава в тигле составила 5096 г, который имел следующий химический состав, мас.%: Zr - 76,12; Fe - 13,79; Cr - 3,25; Ni - 1,93; Zn - 4,91. После этого открывали пробку сливного устройства и расплав, проходя через фильтр, попадал в изложницу, где кристаллизовался в слиток.

Анализ показал, что содержание урана в полученном слитке массой 5035 г составило 0,23 мас.%. Остаточное суммарное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 1,2 мас.%.

Пример 3. Эксперимент проводили, как описано в примере 1. Отличие заключалось в том, что для промывки оставшегося в тигле твердого диоксида урана догружали 3 кг цинка, расплавляли и выдерживали расплав при 800^oС в течение 10 мин. Далее цинковый расплав сливали через устройство для донного слива, пропускали через фильтр и кристаллизовали. Анализ показал, что содержание урана в слитке цинка массой 3040 г составило менее 0,02 мас.%. Остаточное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 0,6 мас.%.

Приведенные примеры подтверждают эффективность предложенного способа.

Литература
1. Патент Великобритании 1096745, 1967.

2. Патент Великобритании 1171257, 1969.

3. Abdel-Rassoni A. et al. J. Nuclear Energy, 1969, 23, р.551.

4. Кондратьев А. Н. и др. в сб. Труды Симпозиума СЭВ "Исследования в области переработки облученного топлива", т.1, Прага, изд. КАЭ, СССР, 1972, с.174.

Способ включает расплавление в вакууме или инертной среде металлических конструкционных материалов и отделение расплава от твердого топлива. В плавильный тигель загружают пакет тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющих сборок. Расплав содержит цирконий, железо, хром, никель. Дополнительно загружают порцию фрагментов циркониевых оболочек. Дополнительно загружают порцию отработавших тепловыделяющих элементов без концевых деталей. Содержание в расплаве циркония, железа, хрома и никеля поддерживают на уровне 72-86; 2-26; 0,2-7,0 и 0,1-4,0 мас.% соответственно. В расплав добавляют цинк в количестве 0,1-15,0 мас.%. Процесс ведут при 800-1250^oС. Способ позволяет сократить трудоемкость процесса отделения керамического ядерного топлива от металлических конструкций тепловыделяющих элементов и сократить количество образующихся радиоактивных металлических отходов. 11 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов, включающий расплавление в вакууме или инертной среде металлических конструкционных материалов и отделение расплава от твердого топлива, отличающийся тем, что расплавлению подвергают пакеты тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющих сборок в плавильном тигле с расплавом, содержащим цирконий, железо, хром и никель. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой загружают дополнительно порцию фрагментов циркониевых оболочек отработавших тепловыделяющих элементов. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой загружают дополнительно порцию отработавших тепловыделяющих элементов без концевых деталей. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержание в расплаве циркония, железа, хрома и никеля поддерживают на уровне 72-86; 2-26; 0,2-7,0 и 0,1-4,0 мас. % соответственно. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в расплав добавляют цинк в количестве 0,1-15,0 мас. %. 6. Способ по п. 1 или 5, отличающийся тем, что расплавление ведут при 800-1250^oС. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть расплава после отделения от твердого топлива направляют на операцию извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов. 8. Способ по п. 1 или 7, отличающийся тем, что расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое топливо промывают цинковым расплавом. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива, фильтруют. 11. Способ по п. 1 или 9, отличающийся тем, что расплавление ведут в вакуумных индукционных печах с медными разрезными водоохлаждаемыми тиглями при электромагнитном перемешивании расплава. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что процесс ведут при частоте индукционных токов 50-250000 Гц.