Растворение ОЯТ. 
Ядерные технологии

Выбор метода переведения ОЯТ в раствор зависит от химической формы топливной композиции, способа предварительной подготовки топлива, необходимости обеспечения определенной производительности.

Химическая форма топливной композиции определяет выбор растворителя. Например, топливо из металлического урана или из оксидов урана и плутония растворяется в азотной кислоте. Сплавы урана с цирконием или нержавеющей сталью требуют или использования более агрессивных сред, или проведения электрохимического растворения.

Для растворения ТВЭЛов должна быть обеспечена:

• — полнота растворения топливной композиции, чтобы не допустить потери делящихся материалов с нерастворимым остатком;
• — полнота растворения не должна приводить к сильному разбавлению растворов и получению большого объёма разбавленных растворов;
• — получение максимально концентрированных растворов не должно создавать опасности возникновения цепной ядерной реакции, т. е условия проведения процесса должны обеспечивать ядерную безопасность;
• — полученные растворы должны быть устойчивыми во времени, т. е. в них не должны происходить химические процессы (например, гидролиз), приводящие к выпадению в осадок ценных компонентов;
• — материал аппаратуры должен быть коррозионно устойчив по отношению к применяемым компонентам;
• — используемые реагенты не должны отрицательно влиять на последующие стадии химической переработки.

Металлический уран растворяют в концентрированной кипящей.

НШ. ПЛ ПРЯтТИИ*

Лучше растворение проводить в присутствии кислорода. В этом случае процесс протекает без выделения газов по уравнению:

Расход кислоты снижается, а радиоактивные ксенон, криптон и пары йода не разбавляются азотом и окислами азота.

На практике реакция идёт по следующей сЬоомуле:

Реакция проходит с большим выделением тепла и при концентрации азотной кислоты более 6о% реакционная смесь сама поддерживается при температуре кипения.

Диоксид урана растворяют в 6+8М HN0₃ при температуре 8о-юо°. Процесс может иметь два механизма:

Для борьбы с выделением оксидов азота растворение ведут в присутствии кислопола:

МОКС растворяют в кипящей смеси юМ HN0₃ и 0,02М HF.

Разрушение топливной композиции при растворении приводит к освобождению всех радиоактивных продуктов деления, в том числе — газообразных (⁸5 Кг, ¹²9j, зН, и др.). Газообразные продукты деления и аэрозоли попадают в систему сброса отходящих газов. Для улавливания йода применяются хроматографические колонны с насадкой, содержащей AgN0₃:

Степень очистки от йода составляет 99,9%. Оптимальная температура КОЛОННЫ 150°ч-200°.

⁸5 Кг поглощают низкотемпературной ректификацией или адсорбцией на активированном угле.

Большая часть негазообразных продуктов деления, растворяется в азотной кислоте с образованием нитратов соответствующих элементов. Однако при высокой степени выгорания топлива, когда количества образующихся продуктов деления достигают килограммов на 1 т U, часть труднорастворимых осколочных элементов полностью в раствор не переходит и образует нерастворимые взвеси. К таким элементам относятся рутений, технеций и молибден. В нерастворенном виде остаётся часть углерода и кремния, которые могут присутствовать как в материале сердечника, так и в смазочных материалах. Для удержания урана в растворе его переводят в U (VI) путём введения в процесс окислителей.

Полученные после растворения азотнокислые растворы содержат 300-к320г/л урана, до 2 г/л плутония в форме Pu (IV) и Pu (VI) (последнего может быть до 25%), до 8омг/л Np (V) и Np (VI). Кислотность раствора составляет 3 М Н*, плотность 1,5 г/смз. Кроме того, растворы содержат некоторое количество взвеси, что осложняет дальнейшую экстракционную переработку растворов. В состав взвесей входят продукты коррозии оболочек и аппаратуры, кремнекислота (до 3%), тонкодисперсный графит (>50%) и некоторое количество урана. Основными элементами в осадке являются интерметаллические соединения металлов платиновой группы, молибдаты, цирконаты, кремний, серебро, технеций, плутоний и т. д. Высокое тепловыделение радиоактивных осадков вызывает местные перегревы. Это приводит к разрушению экстрагента и к образованию стабилизированных эмульсий. Осадки захватывают из раствора значительное количество ценных компонентов, что приводит к снижению коэффициентов очистки.

Полученный в процессе растворения азотнокислый раствор ОЯТ, содержащий продукты деления, конструкционные материалы и примеси, направляют на дальнейшую переработку. Эффективность процесса экстракции зависит от состава раствора, поступающего на экстракцию. При этом кроме факторов, непосредственно влияющих на коэффициенты очистки и разделения (общая концентрация солей в растворе, концентрация кислоты, окислителей, восстановителей, присутствие комплексообразователей и т. д.), на ход экстракционных процессов влияют присутствующие в растворе макровзвеси и коллоиды. В процессе последующей экстракции взвеси концентрируются на границе раздела фаз, образуя плёнки, стабилизирующие капли эмульсии и уменьшающие скорость расслаивания фаз. При накоплении взвесей в зоне расслаивания образуется объёмный осадок, который нарушает режим работы экстракционных аппаратов.

Поэтому на стадии подготовки растворов к последующей экстракции проводят их осветление.

Для осветления растворов и снижения количества твёрдых примесей до <5мг/л. применяют центрифугирование с использованием коагулянтов или фильтрацию через твёрдые фильтрующие материалы, например, металлокерамические патронные фильтры. Осветление растворов предусматривает удаление не только нерастворенных взвешенных частиц, но и содержащихся в растворе веществ, таких как кремниевая кислота, цирконий, молибден и другие компоненты. Процесс осветления растворов способствует снижению общей активности раствора и повышению коэффициентов очистки ценных компонентов.

Окончательную подготовку исходного раствора ядерного топлива к экстракции проводят в аппаратах для корректировки кислотности и состава раствора. Аппараты снабжены нагревателем и используются для упаривания. Стадия корректировки исходного раствора включает стабилизацию плутония и нептуния в экстрагируемых четырёхи шести валентных состояниях, которую проводят нитритом натрия. В случае переработки топлива с высоким содержанием плутония осуществляют его электрохимическое окисление, чтобы избежать введения в раствор большого количества солеобразующих веществ, увеличивающих объём ВАО.

Для переведения труднорастворимых видов ТВЭЛов в раствор азотной кислотой были разработаны методы электрохимического растворения. Электрохимическое анодное растворение приводит к растворению материалов сердечника и оболочек, нерастворенными остаются лишь графит и цирконий.

Растворение и выщелачивание ОЯТ осуществляют в периодическом, полунепрерывным и непрерывном режимах.

Для обеспечения ядерной безопасности в процессе растворения используют разные приёмы: выбор геометрии аппарата; ограничение количества загружаемого в аппарат ядерного топлива; ограничение максимальной высоты уровня раствора в аппаратах-растворителях непрерывного действия; регулирование количества и концентрации подаваемой на растворение азотной кислоты; использование растворимых поглотителей нейтронов: борной кислоты, растворимых солей кадмия и гадолиния; применение в аппаратах-растворителях вставок из водородсодержащих материалов для замедления нейтронов и вставок, поглощающих нейтроны, например, в виде пластин из стали, содержащей бор.