Способ переработки нитридного ОЯТ в солевых расплавах с удалением остаточного количества хлорирующего агента Российский патент 2021 года по МПК G21C19/42 

Изобретение относится к способам переработки нитридного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Выделение металлов с использованием электролиза расплавленных солей используется в различных технологиях уже давно. Электролиз солей включает растворение исходного материала, содержащего металл, который требуется получать электрохимическим извлечением, в электролите. Последующее электрохимическое извлечение металла из раствора происходит с помощью пропускаемого постоянного тока.

Известен способ получения вольфрама и вольфрамовых сплавов из соединений, содержащих вольфрам, электрохимическим способом (Патент № RU 2463387, МПК С25С 3/34, опубл. 10.10.2012).

Способ включает удаление вещества (X) из соединения, содержащего два или более металлов (М¹М²Х) с помощью электролиза. При этом электролиз ведут в электролите расплавленной соли или расплавленного раствора соли, в котором соединение металлов (М¹М²Х) не растворяется и в котором прикладывающийся потенциал ниже потенциала разложения электролита.

Недостаток данного способа заключается в том, что процесс электролиза проводится при потенциале, ниже потенциала разложения электролита, что в свою очередь ведет к загрязнению конечного продукта различными веществами, входящими в состав сплава.

Электрохимические способы находят свое применение и в областях ядерной энергетики.

Известен способ получения металлического урана (патент RU 2497979 С1, МПК С25С 3/34, С22В 60/02 опубл. 10.11.2013) Способ получения металлического урана включает электролиз диоксида урана в расплаве хлоридов лития и калия в электролизере с графитовым анодом и металлическим катодом и выделение металлического урана на катоде и диоксида углерода на аноде. Предварительно готовят смеси диоксида урана и углерода в мольном соотношении 6:1 и 1:1 путем измельчения соответствующих порошков, брикетируют полученные порошки в таблетки. В анодное пространство электролизера, образованное сосудом с пористыми стенками, размещенным в керамическом тигле, загружают таблетки, полученные из смеси диоксида урана и углерода, и расплав хлоридов лития и калия. В катодное пространство электролизера, образованное стенками сосуда с пористыми стенками и керамическим тиглем, загружают расплав хлоридов лития и калия и тетрахлорид урана в количестве 5-15 мас. % от хлоридов лития и калия.

Электролиз осуществляют при температуре электролита 500-600°С, катодной плотности тока 0.5-1,5 А/см², анодной плотности тока 0,05-1,5 А/см, в атмосфере аргона с периодической загрузкой в анодное пространство таблеток из смеси диоксида урана и углерода в мольном соотношении 1:1. Выход металлического урана по току составляет 80-90% от теоретического.

Недостаток данного способа заключается в использовании в качестве компонента электролита тетрафторида урана, который при электрохимическом разложении образует газообразный фтор, являющийся коррозионно-активным элементом по отношению к конструктивным элементам оборудования.

В качестве прототипа выбран способ, описанный в патенте на изобретение «Способ переработки отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах (RU №2603844 С1 МПК G21C 19/42), согласно которому переработка нитридного отработавшего ядерного топлива или его компонентов в солевых расплавах включает подготовку электролита в аппарате для переработки нитридного отработавшего ядерного топлива или его компонентов, которую проводили в атмосфере инертного газа непрерывным анодным растворением нитридного отработавшего ядерного топлива или его компонентов с последующим электрохимическим восстановлением на жидком металлическом катоде в расплавленном хлоридном электролите при температуре до 500°С.

В предложенном способе определенное количество нитрида урана в виде спрессованных таблеток закрепляли на анодном токоподводе и опускали в электролит после его расплавления и достижения рабочей температуры. Жидкий кадмий, служащий катодом, находился под слоем расплавленного электролита, помещенного в тигель из спеченного оксида бериллия. Электролиз начинали сразу же после опускания нитрида урана в электролит. При этом протекали реакции образования растворяющегося в солевом расплаве трихлорида урана, анодного растворения нитрида урана, катодного восстановления находящихся в электролите ионов кадмия. После полного выделения кадмия на катоде по этой реакции на кадмиевом катоде происходило выделение урана в виде его раствора в жидком кадмии, уран-кадмиевых сплавов или интерметаллидов.

Недостатками способа является наличие остаточного количества хлорида кадмия, что в свою очередь будет загрязнять целевой продукт, а так же получения сплавов и интерметаллидов целевого компонента с кадмием, переработка (разделение) которого требует дополнительных технологических операций. Все это в значительной степени увеличивает время переработки нитридного ОЯТ удорожает практическое использование способа.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего выделить хлорирующий реагент из солевого расплава после процесса растворения, то есть подготовки электролита для переработки ОЯТ.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки нитридного ОЯТ, включающем подготовку электролита растворением ценного компонента в расплаве галогенидов, подготовку осуществляют с выделением металлической фазы хлорирующего реагента на металлическом катоде.

В качестве материала катода используют металл тантал, не взаимодействующий с хлорирующим реагентом.

Способ осуществляют следующим образом.

В аппарат переработки ОЯТ погружают металлический катод и графитовый анод. Под действием электрического тока происходит электрохимическое разложение хлорирующего реагента, с последующим выделением металлической фазы хлорирующего реагента на катоде. Образованный в результате разложения хлор выделяют на аноде и удаляют из аппарата. Выделение проходит под постоянным контролем напряжения разложения и обратной ЭДС соответствующей выделению металлической фазы исключительно хлорирующего реагента.

Пример 1

В реактор загружали подготовленную солевую фазу с заранее известными данными о содержании хлорирующего реагента, полученный растворением нитрида ценного компонента в расплаве солей с добавлением реагента хлорида кадмия и содержащей в себе трихлориды ценных компонентов и продуктов деления. При температуре 550°С в солевой раствор погружали танталовый катод и графитовый анод, под действием электрического тока при катодной плотности тока 1 А/см² происходило выделение металлической фазы хлорирующего реагента, которая скапливалась в приемной емкости, хлор удалялся из аппарата через линию сдувки. Обратная ЭДС системы соответствовала значениям 1,2-1,4 В. После повышения ЭДС выше 1,4 В процесс прекращали, аппарат охлаждали, солевую фазу разделывали, оценивали количество выделенного кадмия. Степень выделения металлической фазы составила 99,2%.

Согласно данному способу подготовка электролита осуществляется с удалением остаточного количества хлорирующего реагента, образованного на операциях растворения нитридного топлива в расплаве солей.

Изобретение относится к способам переработки нитридного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Способ переработки нитридного ОЯТ включает подготовку электролита растворением ценного компонента в расплаве галогенидов. Подготовку осуществляют с выделением металлической фазы хлорирующего реагента на металлическом катоде. Изобретение позволяет выделить хлорирующий реагент из солевого расплава после процесса растворения. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки нитридного ОЯТ, включающий подготовку электролита растворением ценного компонента в расплаве галогенидов, отличающийся тем, что подготовку осуществляют с выделением металлической фазы хлорирующего реагента на металлическом катоде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала катода используют металл тантал, не взаимодействующий с хлорирующим реагентом.