СПОСОБ СУХОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СКРАПА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ИЗ СМЕШАННОГО ОКСИДА (U, PU) O Российский патент 2004 года по МПК G21C19/48 G21C3/62 C04B35/622 

Изобретение относится к способу сухой переработки скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (U, Pu)O₂.

Приготовление топлива для реакторов на легкой воде на основе оксидов урана и плутония, обычно называемых топливом МОХ, представляет собой объект различных разработок, обусловленных желанием повторно использовать плутоний, извлекаемый при переработке отработавших топлив.

Приготовление и облучение топлива МОХ в реакторах на легкой воде рассматривается в настоящее время как одно из решений, обеспечивающих приемлемую защиту от плутония, независимо от того, имеет ли плутоний гражданское или военное происхождение.

В течение двух последних десятилетий было разработано несколько способов приготовления топлива МОХ, некоторые из которых для получения тонкой смеси включают размол всего количества порошков UO₂ и РuO₂, а другие ограничиваются размолом лишь части этих порошков. Процесс MIMAS (сокращение для Micronisation and MASter blend) тонкого измельчения маточной смеси (исходной смеси) MIMAS, который был разработан автором настоящего изобретения (фиг.1), осуществляется путем тонкого размола (микронизации) лишь части конечной смеси и включает две последовательные операции смешения, которые обеспечивают изотопную гомогенизацию и позволяют использование текучих исходных порошков UO₂. Использование при втором смешении UO₂ и только размол при первом смешении упрощают процесс (например, за счет исключения операций предварительного прессования-гранулирования или сфероидизации смеси оксида) и значительно упрощают при внедрении в промышленность апробирование топлива МОХ пользователями и получение разрешений в администрации Ядерного Надзора (благодаря аналогии характеристик топлива МОХ и топлива UO₂).

При производстве топлива со смешанным оксидом для реакторов на легкой воде при запуске образуются значительные количества скрапа и продолжают образовываться в период последующего производства. Эти отходы обусловлены самим процессом, техническими требованиями пользователя топлива (при производстве партий продуктов) и наблюдением за его качеством путем отбора проб.

Известны способы переработки скрапа смешанного оксида влажным методом. Эти процессы обладают рядом различных серьезных недостатков: с одной стороны, они дают значительные объемы жидких отходов, что создает дополнительный риск, с другой стороны, они требуют выполнения дополнительных условий и транспортных средств в тех случаях (и это случается часто), когда установка переработки влажным методом расположена не там, где располагается установка, производящая скрап.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа непосредственной сухой переработки скрапа указанного типа на месте его производства при изготовлении топлива.

Кроме того, из опыта следует, что переработка скрапа без специальных предосторожностей может привести к дефектам при изготовлении таблеток: избыточная вариабельность физических характеристик продукции, дефекты, обусловленные дифференциальной усадкой, например вследствие непосредственной утилизации порошков после шлифовки, дефекты типа пузырьков, обусловленные летучими примесями и т.п. В общем случае при производстве продукта с регулируемыми характеристиками следует обеспечить контроль характеристик исходного материала.

Для устранения перечисленных выше недостатков способ сухой переработки скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (U, Рu)O₂, образующегося при приготовлении топлива или направлении его в отход из-за отсутствия или прекращения его применения, согласно изобретению заключается в том, что осуществляют
дозирование и первое смешение порошкообразного скрапа и, в некоторых случаях, порошков РuО₂ и/или UO₂,
тонкое измельчение (микронизацию) и принудительное просеивание первой смеси,
новое дозирование и второе смешение первой просеянной смеси, порошков РuО₂ и, в некоторых случаях, порошковых отходов,
таблетирование второй смеси и
спекание образовавшихся таким образом таблеток,
процесс предварительной обработки отходов, заключающийся в том, что осуществляют
таблетирование и спекание порошкообразного скрапа для получения таблеток из отходов,
тонкое измельчение таблеток из отхода для введения в качестве порошкообразных отходов в первую и/или вторую смеси.

Целесообразно, чтобы способ дополнительно содержал дробление таблеток отхода производства перед их тонким измельчением.

Полезно, чтобы в качестве порошкообразного скрапа для таблетирования и спекания при предварительной обработке использовали неспеченные порошки, направляемые в отход и/или образующиеся при шлифовке топливных таблеток.

Выгодно для переработки необлученных таблеток ядерного топлива из (U, Рu)O, получаемых в различных производственных процессах и направляемых в отход, эти таблетки подвергать указанному процессу предварительной обработки.

Целесообразно в указанном процессе производства топливных таблеток вводить до 40% отходов в расчете на нетто-массу произведенных таблеток.

Полезно в первую смесь вводить до 100% отходов.

Полезно также повторно использовать в сухом виде 99,5% (выражено в массе РuО₂) отходов описанного выше процесса производства топливных таблеток.

Желательно для тонкого измельчения первой смеси и/или таблеток из отходов использовать способ шарового дробления.

Целесообразно перед таблетированием добавлять смазывающий агент, в качестве которого используют стеарат цинка.

Полезно, чтобы осуществляли спекание топливных таблеток, содержащих отходы, или таблеток из отходов в атмосфере аргона или водорода при температуре преимущественно от 1670-1760^oС.

Предпочтительно, чтобы в процессе спекания корректировали парциальное давление кислорода PuO₂, используя для улучшения взаимной диффузии оксидов РuO₂ и UO₂ увлажнение.

Полезно, чтобы при осуществлении операций способа или при транспортировании пыль от отходов и от оксидов РuО₂ и UO₂ рекуперировали с помощью очищаемых фильтров для повторного использования на стадии таблетирования и спекания в таблетки отхода.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает стадии приготовления топлива из смешанного оксида по способу MIMAS;
фиг. 2 изображает стадии приготовления топлива из смешанного оксида и стадии сухого повторного использования согласно изобретению.

Для устранения указанных недостатков способ согласно изобретению сухой переработки скрапа смешанного оксида (U, Pu)O₂ имеет в своей основе процесс изготовления топливных таблеток из смешанного оксида (U, Рu)O₂, т.е. (фиг.1 и 2), заключающийся в том, что осуществляют
дозирование и первое смешение (стадия 1) скрапа и, в некоторых случаях, порошков PuO₂ - 32 и/или UO₂ - 31,
тонкое измельчение (микронизацию) (стадия 2) первой смеси, в частности, путем размола и принудительное просеивание (стадия 3) этого продукта 1, например, через ячейки размером 250 μм,
новое дозирование и второе смешение (стадия 4) первой просеянной смеси 3, порошков UO₂ - 23 и, в некоторых случаях, скрапа,
гомогенизацию (стадия 5) второй смеси 4 и добавление агента или агентов смазывания и/или регуляции пористости,
прессование (стадия 6) второй смеси в таблетки с помощью прессов (таблетирование) и
спекание (стадия 7) полученных таким образом топливных таблеток 6 преимущественно в атмосфере увлажненных аргона и водорода.

Этот процесс изготовления топливных таблеток из смешанного оксида обычно содержит также следующие стадии
сухую шлифовку (стадия 8),
сортировку по внешнему виду (стадия 9),
штабелирование (пактирование) (стадия 10),
помещение таблеток в оболочку и заваривание оболочек в виде топливных стержней,
подпрессовку стержней,
неразрушающий контроль стержней (стадия 12) и
сборку стержней (стадия 13).

Согласно настоящему изобретению описанный выше способ сухой переработки содержит также процесс предварительной обработки отходов 6, 8, 9, включающий, в частности,
таблетирование (стадия 20) и спекание (стадия 21) скрапа, образующегося в указанном процессе изготовления топливных таблеток из смешанного оксида, для получения таблеток из отхода и
тонкое измельчение (микронизацию)(стадия 23) таблеток из отхода для получения порошка отходов, предназначенного для включения в качестве порошкообразного скрапа в первую и/или вторую смеси (на стадиях 1 и/или 4).

Следует отметить, что описанный выше способ сухой переработки не включает стадии(й) предварительного прессования-гранулирования (или сфероидизации), обычно предназначенного для улучшения текучести конечной смеси и способствования заполнению форм при прессовании. Такие стадии для настоящего изобретения являются излишними благодаря наличию используемых стадий способа изобретения и их последовательности.

Ниже в качестве примера приведены несколько не ограничивающих изобретения параметров процесса изготовления таблеток:
работа с партиями более предпочтительна, чем непрерывная работа,
содержание плутония в первой смеси составляет от 20 до 40%,
размол партиями по 60 кг в течение минимального эффективного времени 5 час,
использование порошков UO₂, получаемых от ADU и AUC, известных специалистам,
добавление от 0,2 до 0,5% стеарата цинка и от 0 до 1% порогенного агента AZB, известного специалистам,
прессование под давлением от 400 до 600 МПа,
спекание в течение не менее 4 час при температуре 1650-1760^oС в среде аргона с 5% водорода и отношением Н₂/Н₂O от 20 до 30,
сухая шлифовка без центрирования.

В процессе указанных операций изготовления таблеток скрап может производиться в объеме от 10 до 20% от нетто-массы, причем указанные пределы зависят от нескольких существенных переменных, таких как особые технические требования пользователя способа или его клиента (например, технические требования на видимые дефекты), размеры производимых партий и т.д.

Для уменьшения времени, расходуемого на тонкое измельчение 23 таблеток из отходов, способ может включать их предварительное дробление (стадия 22).

В качестве скрапа для таблетирования и спекания (стадии 20 и 21) в способе предварительной обработки можно использовать неспеченные, выведенные в отход порошки и/или порошки от шлифовки (стадия 8) топливных таблеток.

Для ограничения необходимых материалов и места для стадий сухой обработки отходов (стадии 20-23) для их переработки может быть применено обычное для изготовления топливных таблеток оборудование, например, дробилки, брикетировочные прессы, агломерационные печи и т.п. Регулировочные параметры для процесса переработки могут отличаться от регулировочных параметров, используемых при основном изготовлении топливных таблеток. Изготовление партий делает возможным проводить операции переработки между операциями собственно изготовления таблеток.

Что касается пыли от отходов и от оксидов РuO₂ и UO₂, образующейся во время процесса или при транспортировании, эта пыль может быть рекуперирована с помощью фильтров, которые очищаются для переработки на стадиях таблетирования и спекания (стадии 20 и 21) с образованием таблеток из отхода.

Целесообразно вводить до 40% предварительно обработанных (на стадиях 20-23) отходов в расчете на нетто-массу топливных таблеток, произведенных в описанном выше процессе их изготовления.

Опыт показал, что возможно перерабатывать скрап, произведенный при изготовлении таблеток в режиме изготовления в пропорции, составляющей от 20 до 25% от нетто-массы произведенных таблеток.

В частности повторно используется в сухом виде 99,5%, выраженных в массе PuO₂, отходов производства описанного выше процесса изготовления топливных таблеток.

Возможности способа изобретения повторно использовать значительные количества отходов могут быть использованы для повторного использования внеплановых отходов, возникающих, в частности, при тестировании процесса, при производственных неполадках и т.д.

Можно вводить в названную выше первую смесь до 100% предварительно обработанных в соответствии с изобретением отходов вне зависимости от того, получены ли они в процессе изготовления таблеток МОХ (процесс MIMAS) или в каком-либо другом процессе.

Для тонкого измельчения первой смеси (стадия 2) названных выше таблеток из отхода (стадия 23) преимущественно используют шаровую мельницу.

В процессе спекания (стадия 7, 21) можно корректировать парциальное давление кислорода РO₂, преимущественно используя для улучшения взаимной диффузии оксидов РuO₂ и UO₂ увлажнение.

Основные типы встречающихся отходов приведены в таблице в качестве примера.

Стадии дробления (стадия 22, необязательная) и тонкого измельчения (стадия 23) таблеток могут быть использованы также для повторного использования содержащих отходы таблеток, например, при сортировке (стадия 9) и для увеличения размера партий порошкового скрапа, гомогенизированных и охарактеризованных повторным использованием.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше формами осуществления и в него может быть внесено множество изменений, не выходя за рамки формулы изобретения.

Лабораторные азотнокислые растворы могут быть подвергнуты осаждению и прокаливанию перед повторным использованием сухим методом, используемым для описанных выше отходов.

В отношении отходов, содержащих в избытке исключительно нелетучие химические примеси, можно прибегнуть к предварительной химической обработке в водной фазе.

Способ повторного использования отходов по изобретению может быть также применен для повторного использования в качестве исходного материала необлученных таблеток ядерного топлива из смешанного оксида (U, Pu)O₂, которые могут образовываться в различных процессах (например, при направлении в отход необлученных топлив со смешанным оксидом, предназначенных для новых и исследовательских реакторов).

Изобретение относится к области производства и переработки ядерного топлива. Сущность изобретения: способ сухой переработки скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (U, Pu)O₂, образующегося при приготовлении топлива или при направлении в отход топлива из-за отсутствия или прекращения его применения, включает дозирование и первое смешение порошкообразного скрапа и, в некоторых случаях, порошков PuO₂ и/или UO₂. Затем осуществляют тонкое измельчение - микронизацию и принудительное просеивание полученной первой смеси, новое дозирование и второе смешение первой просеянной смеси, порошков РuО₂ и, в некоторых случаях, порошковых отходов. Вторую смесь подвергают таблетированию, а полученные таблетки спеканию. Процесс предварительной обработки отходов заключается в том, что осуществляют таблетирование и спекание порошкообразного скрапа для получения таблеток из отходов и тонкое измельчение таблеток из отхода для введения в качестве порошкообразных отходов при первом смешении и/или при втором смешении. Преимущества изобретения заключаются в том, что переработку скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (U, Рu)O₂ возможно осуществлять на месте производства ядерного топлива. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ сухой переработки скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (U, Pu)O₂, образующегося при приготовлении топлива или при направлении в отход топлива из-за отсутствия или прекращения его применения, включающий дозирование и первое смешение (1) порошкообразного скрапа и, в некоторых случаях, порошков PuO₂ и/или UO₂, тонкое измельчение - микронизацию (2) и принудительное просеивание (3) полученной первой смеси, новое дозирование и второе смешение (4) первой просеянной смеси, порошков РuО₂ и, в некоторых случаях, порошковых отходов, таблетирование (6) полученной второй смеси и спекание (7) полученных таким образом таблеток и процесс предварительной обработки отходов, заключающийся в том, что осуществляют таблетирование (20) и спекание (21) порошкообразного скрапа для получения таблеток из отходов и тонкое измельчение (23) таблеток из отхода для введения в качестве порошкообразных отходов при первом смешении (1) и/или при втором смешении (4).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дробление (22) таблеток отхода производства перед их тонким измельчением.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного скрапа для таблетирования (20) и спекания (21) при предварительной обработке используют неспеченные порошки, направляемые в отход и/или образующиеся при шлифовке (8) топливных таблеток.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что подвергают процессу предварительной обработки необлученные таблетки ядерного топлива из (U, Рu)O₂, получаемые в различных производственных процессах и направляемые в отход.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в указанном процессе производства топливных таблеток вводят до 40% отходов в расчете на нетто-массу произведенных таблеток.6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при первом смешении (1) в первую смесь вводят до 100% отходов.7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что повторно используют в сухом виде 99,5% отходов от производства топливных таблеток, выраженных в массе РuO₂, содержащегося в общем количестве перерабатываемых отходов.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для тонкого измельчения (2, 23) первой смеси и/или таблеток из отходов используют способ шарового дробления.9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что перед таблетированием (6 и 20) добавляют смазывающий агент, в качестве которого используют стеарат цинка.10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что осуществляют спекание (7, 21) топливных таблеток, содержащих отходы, или таблеток из отходов в атмосфере аргона или водорода при температуре преимущественно от 1670 до 1760°С.11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в процессе спекания (7, 21) корректируют парциальное давление кислорода РO₂, используя для улучшения взаимной диффузии оксидов РuО₂ и UO₂ увлажнение.12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что при осуществлении операций способа пыль от отходов и/или от оксидов PuO₂ и UO₂ рекуперируют с помощью очищаемых фильтров для повторного использования на стадии таблетирования (20) и спекания (21) в таблетки отхода.