Подготовка ОЯТ к экстракции

На перерабатывающем заводе ТВС перегружается из контейнеров в заводской буферный бассейн-хранилище. После выдержки в бассейне в течение срока, выбранного на данном заводе (несколько суток или недель), ТВС выгружают из хранилища и направляют в отделение подготовки топлива к экстракции на операции вскрытия отработавших ТВЭЛов.

Вскрытие отработавших ТВЭЛов является первой операцией технологического процесса переработки топлива.

Отделение материала оболочки ТВЭЛов от топливной оболочки — одна из наиболее сложных в техническом отношении задач процесса регенерации ОЯТ. Существующие методы можно разделить на две группы: методы вскрытия с разделением материалов оболочки и сердечника ТВЭЛов и методы вскрытия без отделения материалов оболочки от материала сердечника. Первая группа предусматривает снятие оболочки ТВЭЛов и удаление конструкционных материалов до растворения ОЯТ.

Селективное растворение оболочек ТВЭЛов тепловых реактороввозможно только в сильноагрессивных средах. Циркалоевая оболочка содержит несколько процентов Sn и Nb, алюминиевая оболочка — Si, а нержавеющая сталь — Fe, 18% Сг и 8% Ni. При обработке оксидного ОЯТ циркалой удаляют механическим измельчением топливных стержней на сегменты, а затем растворением ОЯТ в азотной кислоте. Циркалой также может быть отделён от металлического топлива смесыо азотной и плавиковой кислот. Реакция растворения циркония в плавиковой кислоте с большим избытком щавелевой или азотной кислоты протекает по реакции:

Другой способ основан на растворении циркония в растворе фторида аммония:

Обычный подход с нержавеющей сталью — механическое сдирание оболочки и растворение оксидного топлива в HN0₃, после чего стальная оболочка направляется на окончательное захоронение. Нержавеющую сталь не растворяют, потому что элементы в сплаве влияют на водные процессы растворения, но она может быть растворена методами анодной коррозии при использовании пирохимических методов разделения.

Чтобы уменьшить объём отходов от разрушения оболочек и получить эти отходы сразу в твёрдом состоянии, более пригодном для длительного хранения, реализуют процессы разрушения оболочек под воздействием неводных реагентов при повышенной температуре (пирохимические методы). Оболочку из циркония снимают безводным хлористым водородом в псевдоожиженном слое А1₂0₃ при 350*800°. Цирконий превращается при этом в летучий ZrCl₄ и отделяется от материала сердечника сублимацией, а затем гидролизуется, образуя твёрдый диоксид циркония. Пирометаллургические методы основаны на прямом оплавлении оболочек или растворения их в расплавах других металлов. Эти методы используют различие в температурах плавления материалов оболочки и сердечника или различие их растворимости в расплавленных металлах или солях.

Механические методы снятия оболочек включают несколько стадий. Сначала отрезают концевые детали ТВС и разбирают её на пучки ТВЭЛов и на отдельные ТВЭЛы. Затем механически снимают оболочки отдельно с каждого ТВЭЛа. В России поступающие на переработку сборки сплющивают и затем разрезают на куски длиной 40 мм с помощью пресса рубки. Перспективными считаются лазерные способы резки ТВЭЛов.

Вскрытие ТВЭЛов может проводиться без отделения материалов оболочки от материала сердечника. При реализации водно-химических методов оболочку и сердечник растворяют в одном и том же растворителе с получением общего раствора. Совместное растворение целесообразно при переработке топлива с высоким содержанием ценных компонентов (²³sU и ²39Ри) или когда на одном заводе перерабатывают разные виды топлива, причём ТВЭЛы различаются размером и конфигурацией.

Еще один метод вскрытия с совместным разрушением оболочки и сердечника — метод «рубка-выщелачивание», пригодный для переработки ТВЭЛов в оболочках, нерастворимых в азотной кислоте. Целые сборки ТВЭЛов или отдельные ТВЭЛы в оболочках разрезают на мелкие куски, освобождённый сердечник ТВЭЛа становится доступным действию химических реагентов и растворяется в азотной кислоте. Нерастворившиеся оболочки ТВЭЛов отмывают от остатков задержавшегося в них раствора и удаляют в виде скрапа. Рубка ТВЭЛов имеет определенные преимущества. Остатки оболочек находятся в твёрдом состоянии, т. е. не происходит образования жидких РАО, как при химическом растворении оболочки; не происходит и значительных потерь ценных компонентов, как при механическом снятии оболочек, так как отрезки оболочек могут быть хорошо отмыты. Недостаток метода рубки-выщелачивания — сложность оборудования для рубки ТВЭЛов и необходимость его дистанционного обслуживания.

Совместное растворение ядерного топлива и циркониевой оболочки требует использования более агрессивных, чем азотная кислота, реагентоврастворителей, например, смеси фтористоводородной и азотной кислот. Для снижения коррозии материалов аппаратов в раствор вводят нитрат алюминия. Комплексообразование фторид-ионов с алюминием приводит к уменьшению их активности в растворе.

В отработанных ТВЭЛах энергетических реакторов высокой и средней глубины выгорания накапливается большое количество газообразных радиоактивных продуктов, которые представляют серьезную биологическую опасность: тритий, йод и криптон. В процессе растворения ОЯТ они в основном выделяются и уходят с газовыми потоками, но частично остаются в растворе, а затем распределяются в большом количестве продуктов по всей цепочки переработки. Особые неприятности при этом доставляет тритий, образующий тритированную воду, которую затем трудно отделить от обычной воды Н₂0. Поэтому на стадии подготовки топлива к растворению вводят операции, позволяющие освободить топливо от радиоактивных газов, сосредоточив их в небольших объёмах сбросных продуктов. Криптон и ксенон удаляют в системе отходящих газов криогенным абсорбционным методом. Йод может быть химически захвачен из газовой фазы при растворении ОЯТ. Процесс отделения летучих оксидов рутения или технеция может быть включен в момент первоначального растворения ОЯТ.

В процессе предварительной обработки топлива, получившим название «волоксидация» (окислительная перекристаллизация, объёмное окисление), куски оксидного топлива подвергают окислительной обработке при температуре 450⁰. Обработку ведут смесью 0₂ с N₂ или 0₃. При перестройке структуры решётки окисного топлива в связи с переходом и0₂(или 1Ю₃)—>и₃08 происходит выделение газообразных продуктов деления — трития, йода, ^{, 4}С, Тс, Ru, благородных газов. Степень выделения радиоактивных благородных газов и йода в газовый поток непостоянная и составляет 404−70% для Кг и 254−40% для ^ia^J. Волоксидация также разбивает топливо на куски или увеличивает его площадь поверхности, облегчая проникновение реагентов на последующих стадиях переработки. Разрыхление топливного материала при выделении газообразных продуктов, а также при переходе UOo в U₃0s способствует ускорению последующего растворения топливных материалов в азотной кислоте.