СПОСОБ РАСТВОРЕНИЯ МОКС-ТОПЛИВА Российский патент 2012 года по МПК C01G43/00 C01G56/00 G21C19/42 

Изобретение относится к способам растворения топлива, которое представляет собой смесь оксидов урана и плутония.

Известно, что PuO₂ трудно растворяется в растворах азотной кислоты. Добавление плавиковой кислоты ускоряет растворение. Например, известен способ растворения РuО₂ в смеси кислот: 10 М NНО₃ - 0,05 М HF (Плутоний / Справочник под ред. О.Вика, том 1, М.: Атомиздат, 1971. - С.23).

Известен способ растворения уран-плутониевого топлива в азотной кислоте, содержащей фтор-ионы (Плутоний / Справочник под ред. О. Вика, том 1, М.: Атомиздат, 1971. - С.414). Растворение твердого раствора UO₃ - РuО₂ протекает достаточно полно при длительном кипячении в 16 М HNО₃, содержащей 0,05-0,25 М фтор-ионов. Затем раствор фильтруют и нерастворимый остаток возвращают в растворитель для повторной обработки. Недостатком способа является возможность получения ядерно-опасных растворов плутония.

Известен способ растворения оксидного облученного ядерного топлива в растворе азотной кислоты в аппаратах растворения непрерывного действия барабанного типа (Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС: Учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.346). Способ выбран за прототип. Для обеспечения ядерной безопасности в азотнокислый раствор добавляют гадолиний в качестве нейтронного поглотителя или комбинируют ядерно-безопасную геометрию аппарата с поглотительными вставками. Сначала происходит преимущественное растворение диоксида урана по реакции:

UO₂+4НNО₃ → UO₂(NО₃)₂+2NO₂+2Н₂О.

Для более полного растворения плутония вводятся дополнительные операции растворения «нерастворившихся остатков» с введением в раствор азотной кислоты фтор-иона.

Недостатком способа является то, что растворение уран-плутониевого МОКС топлива осуществляют сначала в растворе азотной кислоты и гадолиния без введения фтор-иона, при этом плохо растворяется диоксид плутония, а затем в растворе азотной кислоты в присутствии фтор-иона, ускоряющего растворение диоксида плутония, но уже без гадолиния, т.к. фтор-ион реагирует с гадолинием с образованием фторида гадолиния, выпадающего в осадок.

Одним из условий применения гадолиния в качестве нейтронного поглотителя в растворах ядерноделящихся материалов (плутония, урана, обогащенного изотопом уран-235) является его равномерное распределение в растворе. При растворении МОКС-топлива фтор-содержащими растворами азотной кислоты гадолиний не должен образовывать осадки, то есть должен оставаться в растворе.

Фториды редкоземельных элементов относятся к числу очень малорастворимых соединений. Произведение растворимости GdF₃ равно 6,7×10^-17. Растворимость фторидов РЗЭ в растворах сильных кислот незначительна [Аналитическая химия редкоземельных элементов и иттрия. М.: Наука, 1966, с.76-77].

Неизвестна и степень снижения химической активности фторсодержащих растворов азотной кислоты по отношению к МОКС-топливу при введении в них гадолиния, связывающего фтор-ион в комплекс.

Задачей изобретения является растворение смешанного оксидного уран-плутониевого (МОКС) топлива без образования осадков фторида гадолиния, обеспечивающего в растворенном состоянии ядерную безопасность растворов.

Поставленную задачу решают тем, что в способе растворения МОКС-топлива в растворе азотной кислоты с использованием фтор-иона и гадолиния растворение осуществляют при одновременном присутствии в растворе ионов фтора и гадолиния при следующих концентрациях в растворе: азотной кислоты (6-9) моль/л, фторида натрия (0,05-0,08) моль/л и нитрата гадолиния в пересчете на гадолиний (1,3-1,5) г/л.

Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония PuО₂ - 24-26 мас.%.

Растворение осуществляют в течение трех суток при температуре 20°С, после чего к нерастворившемуся остатку приливают новую порцию раствора.

Способ осуществляют следующим образом.

Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония РuО₂ - 24-26 мас.%, которое было получено плазмохимической денитрацией раствора азотнокислых солей урана и плутония.

Для растворения 15 навесок МОКС-топлива массой 286 мг каждая с содержанием U - 191,8 мг и Рu - 62,8 мг приготовили исходные растворы, содержащие азотную кислоту, нитрат гадолиния и фторид натрия. К каждой навеске МОКС-топлива приливали 10 мл исходного раствора заданного состава и выдерживали при температуре 20-25°С 3 суток. Полученный первый раствор декантировали и на остаток МОКС-топлива приливали новую порцию в 10 мл того же исходного раствора. Выдержку продолжали до полного растворения навески - получали второй раствор.

Состав растворов, их устойчивость к образованию осадков трифторида гадолиния, продолжительность растворения МОКС-топлива приведены в таблице.

№ оп. Состав исходного раствора Потери Gd c осадком, мас.% Содержание в первом растворе, г/л Содержание во втором растворе, г/л Общая продолжительность растворения, сутки [HNO₃], моль/л [NaF], моль/л [Gd],г/л U Pu U Pu 1 0 0,08 1,5 100 * * * * >30 2 0,5 0,08 1,5 43 * * * * >30 3 1,0 0,08 1,5 0 * * * * >30 4 3,0 0,08 1,5 0 * * * * >30 5 6,0 0,08 1,5 0 18,3 5,2 0,8 1,1 6,0 6 8,0 0,08 1,5 0 18,6 5,4 0,6 0,9 5,8 7 9,0 0,08 1,5 0 18,8 5,6 0,4 0,7 5,5 8 10,0 0,08 1,5 2,3 19,0 5,8 0,2 0,5 5,0 9 12,0 0,08 1,5 9,6 * * * * 4,5 10 6,0 0,05 1,3 0 18,0 5,1 0,8 1,2 7,0 11 6,0 0,05 1,5 0 * * * * 7,0 12 6,0 0,08 1,3 0 * * * * 6,0 13 9,0 0,05 1,3 0 18,7 5,5 0,5 0,8 5,8 14 9,0 0,05 1,5 0 * * * * 5,8 15 9,0 0,08 1,3 0 * * * * 5,5 * - концентрацию не определяли

Осадки фторида гадолиния отсутствовали в растворах, содержащих: [НNO₃]=1,0-9,0 моль/л; [NaF]=0,05-0,08 моль/л и [Gd]=1,3-1,5 г/л, при этом полное растворение навесок МОКС-топлива в течение приемлемого времени (нескольких суток) произошло при [NНO₃]=6-9 моль/л. Полученные объединенные растворы 1 и 2 не содержали осадков фторидов гадолиния. При [NНО₃]≤3,0 моль/л растворение не закончилось и за 30 суток.

Таким образом, в растворах состава: [НNО₃]=(6-9) моль/л; [NaF]=(0,05-0,08) моль/л; [Gd]=(1,3-1,5) г/л фторид гадолиния находится в растворенном состоянии; растворение смешанного уран-плутониевого топлива в этих растворах проходит полностью в течение приемлемого времени (нескольких суток); обеспечивается ядерная безопасность процесса растворения.

Изобретение относится к способам растворения топлива, которое представляет собой смесь оксидов урана и плутония. Способ заключается в растворении МОКС-топлива в растворе азотной кислоты при одновременном присутствии в растворе ионов фтора и гадолиния при следующих концентрациях: азотной кислоты (6-9) моль/л, фторида натрия (0,05-0,08) моль/л и нитрата гадолиния в пересчете на гадолиний (1,3-1,5) г/л. Изобретение обеспечивает полное растворение смешанного уран-плутониевого топлива без образования осадков и ядерную безопасность процесса растворения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ растворения МОКС-топлива в растворе азотной кислоты с использованием фтор-иона и гадолиния, отличающийся тем, что растворение осуществляют при одновременном присутствии в растворе ионов фтора и гадолиния при следующих концентрациях в растворе: азотной кислоты (6-9) моль/л, фторида натрия (0,05-0,08) моль/л и нитрата гадолиния в пересчете на гадолиний (1,3-1,5) г/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония PuO₂ - 24-26 мас.%, которое было получено плазмохимической денитрацией раствора азотнокислых солей урана и плутония.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворение осуществляют в течение трех суток при температуре 20-25°С, после чего к нерастворившемуся остатку приливают новую порцию раствора.