ES2897199T3 - Procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) que comprende(n) uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio que comprende las siguientes etapas: a) una etapa de adición de al menos un monómero a una solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio, comprendiendo el o los monómeros al menos un grupo etilénico y al menos un grupo polar capaz de formar enlaces hidrógeno; b) una etapa de obtención de un gel que atrapa dicha solución acuosa mediante la polimerización del o de los monómeros añadidos en a); c) una etapa de obtención de un xerogel que comprende nitratos de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio por deshidratación del gel obtenido en b); d) una etapa de obtención de dicho polvo mediante tratamiento térmico del xerogel obtenido en c).
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio
Campo técnico
La invención se refiere a un procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio.
Este procedimiento puede encontrar, en particular, su aplicación en el reciclado de actínidos menores mediante la incorporación de estos actínidos menores en un combustible nuclear, que está destinado a ser utilizado para constituir barras nucleares para reactores nucleares (en particular, del tipo de neutrones rápidos) o nuevamente, para entrar en la constitución de los objetivos de transmutación, con miras a realizar experimentos de transmutación nuclear, en particular para comprender mejor el mecanismo de transmutación de estos elementos actínidos menores por capturas de neutrones.
Se especifica, para el resto de la presentación, que por actínidos menores se entienden los elementos actínidos distintos del uranio, el plutonio y el torio, formados en los reactores por capturas sucesivas de neutrones por los núcleos de combustible estándar, en donde los actínidos menores son el americio, el curio y el neptunio.
Estado de la técnica anterior
Después de la irradiación en un reactor, el combustible nuclear usado contiene los llamados actínidos recuperables principales (uranio y plutonio), productos de fisión y actínidos pesados, que son actínidos menores.
Actualmente, el reciclado de actínidos menores resultantes del tratamiento del combustible usado se contempla de dos formas distintas conocidas con los siguientes nombres:
- el reciclado homogéneo; y
- el reciclado heterogéneo.
En el caso del reciclado homogéneo, los actínidos menores se mezclan directamente con un combustible del tipo MOX de tipo (U,Pu)O2 destinado a ser utilizado en un reactor. Por lo tanto, solo se pueden agregar pequeñas cantidades (por ejemplo, menos del 5% atómico) para no perturbar la neutrónica del núcleo del reactor. Para ello, durante el tratamiento del combustible usado, se tratan conjuntamente uranio, plutonio y actínidos menores para formar óxidos, que luego se utilizan en la fabricación de dichos combustibles.
La introducción de actínidos menores en los combustibles en forma de pastillas destinados al núcleo del reactor se traduce por una emisión significativa, dentro de estos combustibles, de gas de fisión y helio y una fuerte emisión a. Esto puede ser el origen a nivel estructural de un aumento significativo en el volumen de las pastillas. Si este aumento no se controla, esto puede conducir a una reducción del espacio libre entre las pastillas y la vaina que los rodea y a un riesgo de interacción. Por lo tanto, es necesario prever combustibles que presenten una microestructura que comprenda un nivel de porosidad estable bajo irradiación, que además permita la evacuación de gases de fisión y helio de descomposición sin degradación física del combustible. La tasa de porosidad recomendada para tales combustibles debe estar en el intervalo del 10-20% en volumen, al igual que la porosidad debe ser una porosidad mayormente abierta. Sin embargo, este tipo de procedimiento, que solo permite transmutar pequeñas cantidades de actínidos menores y requiere la integración de actínidos menores en las cadenas de producción de MOX, sigue siendo poco favorecido.
En el caso de reciclado heterogéneo, los actínidos menores se separan, durante el tratamiento del combustible usado, del uranio y el plutonio, y luego se incorporan, con un alto contenido, en elementos de combustible que comprenden una matriz no fisible (por ejemplo, UO2 empobrecido) distintos de los elementos de combustible estándar de reactores. Los elementos de combustible que comprenden los actínidos menores pueden consistir, por ejemplo, en elementos de cubierta dispuestos en la periferia del núcleo de un reactor. De este modo, el combustible del núcleo y la neutrónica cambian poco o no se modifican y luego es posible transmutar cantidades mayores de actínidos menores. El material de estos elementos de combustible se presenta generalmente en forma de una solución sólida de fórmula Ui_xAMxO2±5 (con 0,05 < x < 0,7 y 0 < 8 < 0,2 y más particularmente, 0,07 < x < 0,2 y 0 < 8 < 0,1), AM designa un actínido menor o una mezcla de actínidos menores y se fabrica en líneas específicamente dedicadas, lo que, por lo tanto, no tiene repercusión alguna en la fabricación de combustible MOX estándar.
Esta vía de reciclado permite, en particular, evitar la degradación de las características del combustible estándar mediante la incorporación de actínidos menores al concentrar los problemas generados por estos actínidos en un flujo de material reducido.
Ya sea para reciclado homogéneo o heterogéneo, los materiales obtenidos de los actínidos menores deben presentar preferiblemente una microestructura porosa para promover la liberación de los gases de fisión durante la irradiación y así permitir el mantenimiento de la integridad de los materiales que comprenden actínidos menores.
Para formar estos materiales porosos, actualmente se consideran dos formas.
La primera vía se basa en la metalurgia de los polvos e implica etapas de granulación mediante prensado a alta presión de polvos a base de U3O8 y AmO2, como se describe en Journal of Nuclear Materials, 432, 2013, 305-312. Este procedimiento, que involucra varias etapas de trituración de óxidos simples de uranio y americio, así como una etapa de compactación, genera partículas finas responsables de incrementar la radiactividad de las instalaciones (tales como guanteras, cadenas blindadas) en las que se manipulan estos polvos así como el riesgo de contaminación del trabajador.
La segunda vía se basa en el uso de precursores esféricos resultantes del uso de resinas de intercambio iónico que servirán como matrices orgánicas de soporte para fijar la morfología final de los precursores en forma de microesferas porosas de polvo aglomerado como se describe en Journal of Nuclear Materials, 453, 2014, 214-219. En esta vía, las etapas que presentan un riesgo de diseminación son muy limitadas. Sin embargo, el mayor inconveniente de este procedimiento radica en el manejo de la gran cantidad de efluentes líquidos asociados con la etapa de fijación de los actínidos en la resina de intercambio iónico. Sin embargo, la eficiencia de fijación de estos actínidos y en particular de los actínidos menores es inferior al 60%, lo que lleva a tener que manejar soluciones acuosas que pueden cambiar con el tiempo bajo radiación a con riesgo de generar gases explosivos, como e1H2. Asimismo, a la vista de lo existente, los autores de la presente invención se han fijado como objetivo desarrollar un procedimiento de preparación de precursores de tipo polvo para la fabricación de combustibles a base de óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio que presenta en particular las siguientes características:
- la posibilidad de acceder a una amplia gama de contenidos de actínidos menores, lo que permite contemplar la obtención de estos polvos, materiales utilizables tanto para el núcleo del reactor como para los elementos de cobertura;
- etapas que no afecten negativamente al rendimiento de obtención de precursores de tipo polvo;
- un número de etapas más limitado que para los procedimientos implementados de modo convencional;
- etapas que permitan evitar el manejo significativo de efluentes cargados con actínidos menores;
- un procedimiento robusto que permita una gran flexibilidad en términos de insumos y también de productos finales obtenidos.
Descripción de la invención
Así, la invención se refiere a un procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) que comprenden uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio, que comprende las siguientes etapas:
a) una etapa de adición de al menos un monómero a una solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio, comprendiendo el o los monómeros, ventajosamente, al menos un grupo etilénico y al menos un grupo polar capaz de formar enlaces hidrógeno; b) una etapa de obtención de un gel que atrapa dicha solución acuosa mediante la polimerización del monómero o de los monómeros añadidos en a);
c) una etapa de obtención de un xerogel que comprende nitratos de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio por deshidratación del gel obtenido en b);
d) una etapa de obtención de dicho polvo mediante tratamiento térmico del xerogel obtenido en c).
Antes de entrar en mayor detalle en la descripción de esta invención, se especifican las siguientes definiciones. Por monómero se entiende, convencionalmente, en lo que precede y lo que sigue, un compuesto capaz de reaccionar durante una reacción de polimerización para formar un polímero (que será, en el contexto de esta invención, el material constituyente del gel, que atrapa la solución acuosa), comprendiendo así el polímero una unidad repetitiva, es decir, un grupo orgánico bivalente resultante directamente de la reacción del monómero.
Por gel se entiende, convencionalmente, en lo que precede y en lo que sigue, un material constituido por el o los polímeros resultantes de la polimerización del o de los monómeros antes mencionados, en el que se retiene un disolvente, en este caso, una fase acuosa, que corresponde, en nuestro caso, a la solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y eventualmente plutonio.
Por xerogel se entiende, convencionalmente en lo que precede y en lo que sigue, un material que consiste en el polímero o polímeros resultantes de la polimerización de los monómeros mencionados con anterioridad, en el que el agua de la solución acuosa se ha eliminado por secado, dejando así solo nitratos de uranio, al menos un actínido menor y posiblemente plutonio.
El procedimiento de la invención comprende, en primer lugar, una etapa de añadir al menos un monómero a una solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio.
Más precisamente, la solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y, opcionalmente, plutonio es, ventajosamente, una solución acuosa que comprende uranio en su grado de oxidación VI (que se puede simbolizar por U+Vl), al menos un actínido menor en su grado de oxidación III, como el americio en su grado de oxidación III (que puede simbolizarse con Am+NI) y posiblemente el plutonio en su grado de oxidación IV (que puede estar simbolizado por Pu+lV). Más específicamente, la solución acuosa puede consistir en una solución acuosa que comprende U+Vl, por ejemplo, en forma de nitrato de uranilo UO2(NO3)2, americio Am+m, por ejemplo, en forma de nitrato de americio Am(NO3)3, y opcionalmente Pu+lV, por ejemplo, en forma de nitrato de plutonio (IV) Pu(NO3)4. Además, la solución acuosa puede ser una solución nítrica (es decir, una solución de ácido nítrico).
Esta solución nítrica puede obtenerse directamente del reprocesamiento de combustible usado que comprende las siguientes operaciones:
- una operación de disolución del combustible usado en ácido nítrico;
- una operación de extracción de uranio y plutonio utilizando una fase orgánica que comprende queroseno y fosfato de tributilo (conocido por la abreviatura TBP);
- una operación de extracción de al menos un actínido menor, tal como americio, de la fase nítrica restante, por ejemplo, llevando a cabo el procedimiento ExAm, en donde la fase orgánica comprende americio que constituye una solución madre purificada en americio III;
- una etapa de obtención de la solución nítrica que comprende uranio, al menos un actínido menor, tal como americio III, y opcionalmente plutonio por adición a la solución madre mencionada con anterioridad de la cantidad deseada de uranio y posiblemente plutonio en función del contenido final pretendido para el polvo.
Ventajosamente, el o los monómeros añadidos durante la etapa a) comprenden al menos un grupo etilénico (que constituye el grupo de polimerización) y al menos un grupo polar capaz de formar enlaces hidrógeno. Por lo tanto, una vez polimerizado, el producto resultante (a saber, un polímero) podrá almacenar agua formando enlaces hidrógeno entre ella y el o los grupos polares de la o de las unidades repetidas resultantes de la polimerización del o de los monómeros.
Más específicamente, el o los monómeros añadidos durante la etapa a) comprenden al menos un grupo etilénico y al menos un grupo que comprende uno o más átomos de hidrógeno unidos a átomos más electronegativos que el hidrógeno, tales como átomos de nitrógeno, átomos de oxígeno.
Incluso más específicamente, el o los monómeros comprenden al menos un grupo etilénico y al menos un grupo elegido entre grupos amida, grupos -OH, grupos carboxílicos, grupos carboxilato y/o grupos éster.
A modo de ejemplo, el o los monómeros se pueden seleccionar de monómeros acrílicos, tales como ácido acrílico, monómeros metacrílicos, monómeros de acrilato (y más particularmente, monómeros de acrilato de alquilo), monómeros de metacrilato (y más particularmente, monómeros de metacrilato de alquilo), monómeros de acrilamida, monómeros de bis(acrilamida), monómeros epoxi y mezclas de los mismos.
Durante la etapa a), se puede añadir un solo monómero o una mezcla de monómeros, por ejemplo, de los tipos mencionados con anterioridad.
Cuando se trata de una mezcla de monómeros, puede consistir, más precisamente, en un monómero que comprende un solo grupo polimerizable, por ejemplo, un monómero acrílico, tal como ácido acrílico y un monómero que comprende dos grupos polimerizables, por ejemplo un monómero de bis(acrilamida), este último debido a la presencia de dos grupos polimerizables que también cumplen la función de agente de reticulación. A título indicativo, la mezcla de monómeros puede consistir en ácido acrílico y N,N-metilen-bis(acrilamida).
Aparte de las características mencionadas con anterioridad, que pueden dictar la elección del o de los monómeros en función de la polimerización deseada (por ejemplo, una polimerización por radicales o una polimerización por etapas como la policondensación), otros criterios pueden regir la elección del o de los monómeros por añadir durante la etapa a) para formar posteriormente un gel.
Entre estos criterios, la noción de estabilidad del o de los monómeros con respecto a la solución acuosa y posiblemente del fenómeno de radiólisis inducido por la presencia eventual de ciertos radioelementos emisores a puede ser un criterio de elección para el o los monómeros. De hecho, es importante evitar la gelificación prematura o incluso la no gelificación de la solución acuosa, pero también la generación de gases que presentan riesgos de explosividad (H2, CH4, etc.) más allá de ciertas concentraciones. Además, si la ejecución del procedimiento se detiene en condiciones accidentales o programadas, también es necesario poder evitar el envejecimiento del gel por
radiólisis que podría impedir la reanudación de la producción o volver a generar gases presentando riesgo de daño de explosividad.
Además, en la elección del o de los monómeros que se añadirán en la etapa a), podrán regir los siguientes criterios: - las propiedades fisicoquímicas del producto final deseado, a saber, el polvo, en términos, por ejemplo, de morfología, microestructura, velocidad de aglomeración;
- la viscosidad deseada para el gel resultante de la polimerización de o de los monómeros, siendo posiblemente la noción de viscosidad un criterio de selección en función de la naturaleza del procedimiento utilizado; por ejemplo, un procedimiento continuo que implica matrices de flujo se adapta fácilmente con una baja viscosidad del gel resultante; - el cumplimiento de la normativa Reach sobre la toxicidad del o de los monómeros utilizados y la ausencia de generación de gas durante la degradación térmica de los polímeros resultante de la polimerización de los monómeros;
- la capacidad de los polímeros resultantes de la polimerización del o de los monómeros de degradarse térmicamente durante la etapa de tratamiento térmico sin dejar impurezas residuales en el polvo final, cuyo contenido podría ser prohibitivo para los tratamientos posteriores del polvo en forma de pastillas (en particular las etapas de conformación/sinterización/densificación) y el uso de estas pastillas como combustibles;
- su disponibilidad y su costo.
En ciertos casos, el o los monómeros añadidos durante la etapa a) también pueden cumplir la función de agente complejante del uranio y/o al menos un actínido menor y, opcionalmente, el plutonio presente en dicha solución, siempre que, por supuesto, el o los monómeros comprendan grupos capaces de complejar el uranio y/o al menos un actínido menor y opcionalmente el plutonio.
Además, se puede añadir a la solución acuosa, preferiblemente, antes de la adición del o de los monómeros, al menos un agente complejante del uranio y/o del o de los actínidos menores y opcionalmente del plutonio presentes en dicha solución, en donde el o los agentes complejantes mencionados son distintos del o de los monómeros de la etapa a), siendo posiblemente el papel de este agente, además de la complejación, el de evitar un fenómeno de precipitación del uranio y/o de los actínidos menores y, opcionalmente, del plutonio antes de la implementación de la etapa de gelificación.
Se especifica que, por agente complejante, se entiende un compuesto que comprende al menos un grupo funcional capaz de complejar uranio y/o actínidos menores y opcionalmente plutonio presente en la solución acuosa, lo que significa, en otras palabras, que el uranio y/o los actínidos menores y posiblemente el plutonio, en contacto con este agente, son capaces de unirse al grupo funcional antes mencionado formando un enlace de coordinación al compartir un doblete libre de un heteroátomo presente al nivel de este grupo y/o de una carga negativa portada por un heteroátomo presente al nivel de este grupo con un orbital vacío de uranio y/o de actínidos menores y posiblemente de plutonio.
Dicho heteroátomo que lleva un doblete libre puede ser un átomo de oxígeno, un átomo de nitrógeno o un átomo de azufre y combinaciones de los mismos, siendo los grupos funcionales que comprenden tales heteroátomos posiblemente un grupo alcohol (a saber, un grupo -OH), un grupo amina, un grupo éter, un grupo éster (a saber, un grupo -COO-), un grupo carboxílico o un grupo carboxilato.
Como ejemplos de agentes complejantes, se pueden citar:
- un compuesto que comprende al menos un grupo carboxílico, tal como ácido cítrico;
- un compuesto que comprende al menos un grupo amina, tal como urea;
- un compuesto que comprende al menos un grupo amina y al menos un grupo carboxílico, tal como EDTA (abreviatura que indica el compuesto ácido etilendiaminotetraacético) o DTPA (abreviatura que indica el compuesto ácido dietilentriaminopentaacético).
Después de la adición del o de los monómeros y opcionalmente del o de los agentes complejantes, el procedimiento de la invención comprende una etapa de gelificación de la solución resultante de la etapa a) por polimerización del o de los monómeros añadidos durante esta etapa, mediante la cual se forma un gel que atrapa la solución acuosa que comprende el uranio, el o los actínidos menores y opcionalmente el plutonio en forma complejada o no (dependiendo de si el o los monómeros comprenden al menos un grupo complejante y/o si la adición de un agente complejante se llevó a cabo de antemano).
Para generar la polimerización del o de los monómeros añadidos en a), se pueden prever varias vías:
- una vía térmica que consiste en calentar la solución para iniciar la polimerización y, en consecuencia, la gelificación (pudiendo así calificarse la etapa como de termogelificación);
- una vía que consiste en someter la solución a radiación UV para iniciar también la polimerización;
- una vía que consiste en someter la solución a una radiación y para iniciar también la polimerización;
- una vía que consiste en añadir a la solución un iniciador de polimerización tal como, por ejemplo, agua oxigenada o una mezcla de agua oxigenada/ácido ascórbico.
No se excluye que se pueda utilizar una combinación de estas diferentes vías, como la vía térmica asociada a la vía que consiste en añadir un iniciador de polimerización a la solución.
Una vez que se obtiene el gel, se somete a una etapa de deshidratación, mediante lo cual se forma un xerogel (a saber, un material poroso seco cuyo esqueleto se forma a partir de los polímeros formados en la etapa anterior) y, de manera concomitante, una precipitación de nitratos de uranio, del o de los actínidos menores y posiblemente de plutonio dentro del xerogel así formado.
Esta etapa de deshidratación se puede realizar colocando el gel en una estufa o bien en un horno microondas. Finalmente, el xerogel se somete a una etapa de tratamiento térmico del xerogel obtenido en c) para obtener el polvo diana del procedimiento de la invención.
Esta etapa de tratamiento térmico puede consistir en una operación de calcinación en atmósfera oxidante, durante la cual la materia orgánica del xerogel se degrada térmicamente (pudiendo así calificarse en parte la operación como desaglomerado) y los nitratos de uranio, el o los actínidos menores y opcionalmente el plutonio se convierten en óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio. Las elecciones de temperatura y duración de la calcinación se establecen en función de la naturaleza del xerogel y las propiedades fisicoquímicas deseadas para el óxido o la mezcla de óxidos final. La temperatura de calcinación se encuentra típicamente entre 400 y 1400 °C y, más particularmente, entre 500 y 1200 °C. Esta operación conduce principalmente a la liberación gaseosa de CO2, CO, H2O o incluso CH4 por degradación térmica del material que constituye el xerogel, pero en función de la naturaleza de la atmósfera de calcinación, se pueden generar diferentes gases en diferentes cantidades. En cuanto a los nitratos, se convierten térmicamente en óxidos y, en función de su naturaleza, pueden interactuar para formar soluciones sólidas parciales o totales. Así, en el caso del uranio y del americio, es posible formar bajo atmósfera oxidante un óxido a base de U3O8 parcialmente sustituido con americio asociado a un óxido de americio de tipo AmO2 y/o A1TI2O3 en función de la composición de la solución acuosa de partida y las condiciones de calcinación. Después de la operación de calcinación bajo atmósfera oxidante mencionada con anterioridad, se puede realizar una operación de tratamiento térmico adicional que puede consistir en reducir al menos parte del polvo obtenido previamente en una solución sólida de óxido que comprende uranio, al menos un actínido menor, tal como americio y opcionalmente plutonio (por ejemplo, una solución sólida de la fórmula U1_xAMxO2±B con 0,05 < x < 0,7 y 0 < 8 < 0,2 y más particularmente, 0,07 < x < 0,2 y 0 < 8 < 0,1, y AM que denota un actínido menor o una mezcla de los mismos). Para ello, al menos parte del polvo obtenido previamente se aísla y se somete a esta operación de calcinación reductora y luego, una vez reducida, se reintroduce en el polvo obtenido al final de la operación de calcinación bajo atmósfera oxidante, mediante lo cual resulta en una mezcla secundaria que se puede utilizar para la fabricación de pastillas de combustible.
La etapa de tratamiento térmico d) puede ir precedida de una etapa de trituración del xerogel obtenido para transformarlo en polvo, teniendo lugar así la etapa de tratamiento térmico sobre el polvo resultante de la etapa de trituración.
El polvo obtenido al final del procedimiento de la invención es un polvo a base de óxido(s) de uranio, al menos un actínido menor y posiblemente plutonio, lo que significa que puede incluir:
- una mezcla de óxido de uranio (por ejemplo, U3O8), al menos un óxido de actínido menor (tal como AmO2, Am2O3) y opcionalmente al menos un óxido de plutonio; y/o
- una solución sólida de óxido de uranio, de al menos un actínido menor y opcionalmente de plutonio, por ejemplo, una solución de fórmula U-i_xAMxO2±8 con 0,05 < x < 0,7 y 0 < 8 < 0,2 y más particularmente, 0,07 < x < 0,2 y 0 < 8 < 0,1, en donde AM indica al menos un actínido menor, tal como americio; y
- combinaciones de los mismos.
No se excluye que, en la mezcla antes mencionada, parte del uranio en el óxido de uranio esté sustituido por un actínido menor, como el americio, y viceversa.
En particular, el polvo obtenido según el procedimiento de la invención es un polvo a base de óxido(s) de uranio y de americio, lo que significa que puede contener:
- una mezcla de óxido de uranio U3O8 y óxido de americio Am2O3; y/o
- una solución sólida de uranio y óxido de americio de fórmula U-i-xAMxO2±5 con 0,05 < x < 0,7 y 0 < 8 < 0,2 y más
particularmente, 0,07 < x < 0,2 y 0 < 5 < 0,1; y
- combinaciones de los mismos.
El polvo obtenido según el procedimiento de la invención es una composición muy activa, particularmente adecuada para la obtención de combustible nuclear.
Así, la invención también se refiere a un procedimiento de preparación de un combustible compactado, por ejemplo en forma de pastillas, que comprende:
e) una etapa de implementación del procedimiento de preparación como se define arriba;
- f) una etapa de compactación de dicho polvo obtenido en e).
Así, el polvo obtenido según el procedimiento de la invención se puede utilizar tal cual, pero no se excluye que, antes de la etapa de compactación, se requiera someterse a operaciones de tratamiento previo, tales como una operación de trituración, granulación, atomización o incluso de dilución (por ejemplo, mezclándolo con polvo de óxido de uranio)
La etapa de compactación se puede realizar mediante una prensa, que aplicará presión sobre la composición colocada en un molde, cuya forma corresponde a la forma que se desee asignar al combustible, siendo esta forma convencionalmente la que de una pastilla cilíndrica o anular.
Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción adicional que sigue, que se refiere a un ejemplo de preparación de un polvo según la invención.
Por supuesto, esta descripción adicional se proporciona únicamente a modo de ilustración de la invención y de ninguna manera constituye una limitación.
Presentación detallada de realizaciones particulares
Ejemplo 1
En este ejemplo, se prepara, en primer lugar, una mezcla de U3O8 y A1TI2O3. Para ello se disuelven, bajo agitación, 204 mg de polvo de U0,gAm0,iO2 en 17 ml de ácido nítrico (HNO3) 0,5 M. Una vez que el polvo se ha disuelto por completo, se añaden 188,8 mg de urea bajo agitación. Posteriormente, se mezclan e introducen 5 ml de ácido acrílico y 500 mg de N,N-metilen-bis(acrilamida). La solución obtenida se calienta hasta que hierve. Una vez que se alcanza la ebullición, se agrega una gota de agua oxigenada dando como resultado la formación instantánea de un gel. Se retira el agitador y se calienta el gel en una placa caliente. Después de 45 minutos, se obtiene un xerogel. El xerogel se muele y luego se calcina al aire a 800 °C durante 2 horas. Un análisis de difracción de rayos X sobre el compuesto sintetizado después del tratamiento térmico muestra la presencia de dos fases: una fase muy predominante de tipo U3O8 sustituida por americio y una fase muy minoritaria de tipo Am2O3.
Una parte del polvo obtenido se conserva y posteriormente servirá como agente porógeno. El resto del polvo se calcina a 850 °C durante 1 hora en atmósfera reductora (Ar/H24%). El análisis de difracción de rayos X en polvo del compuesto después del tratamiento térmico muestra la presencia de una sola fase de tipo ^g A m ^ ,^ .
A continuación, se mezclan los dos polvos obtenidos para utilizarlos como precursor para la fabricación de pastillas porosas de UQ,gAmQ,1O2.
Claims (15)
1. Procedimiento de preparación de un polvo a base de óxido(s) que comprende(n) uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio que comprende las siguientes etapas:
a) una etapa de adición de al menos un monómero a una solución acuosa que comprende iones nitrato y que comprende uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio, comprendiendo el o los monómeros al menos un grupo etilénico y al menos un grupo polar capaz de formar enlaces hidrógeno;
b) una etapa de obtención de un gel que atrapa dicha solución acuosa mediante la polimerización del o de los monómeros añadidos en a);
c) una etapa de obtención de un xerogel que comprende nitratos de uranio, al menos un actínido menor y opcionalmente plutonio por deshidratación del gel obtenido en b);
d) una etapa de obtención de dicho polvo mediante tratamiento térmico del xerogel obtenido en c).
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la solución acuosa es una solución acuosa que comprende uranio en su grado de oxidación VI, al menos un actínido menor en su grado de oxidación III y opcionalmente plutonio en su grado de oxidación IV.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la solución acuosa es una solución acuosa que comprende U+Vl en forma de nitrato de uranilo UO2(NO3)2, americio Am+m en forma de nitrato de americio Am(NO3)3 y posiblemente Pu+lV en forma de nitrato de plutonio (IV) PU(NO3)4.
4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el o los monómeros añadidos durante la etapa a) comprenden al menos un grupo etilénico y al menos un grupo que comprende uno o más átomos de hidrógeno unidos a átomos más electronegativos que el hidrógeno, tales como átomos de nitrógeno, átomos de oxígeno.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el o los monómeros añadidos durante la etapa a) comprenden al menos un grupo etilénico y al menos un grupo seleccionado de grupos amida, grupos -OH, grupos carboxílicos y/o grupos carboxilato y/o grupos éster.
6. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el o los monómeros añadidos durante la etapa a) se seleccionan de monómeros acrílicos, monómeros metacrílicos, monómeros de acrilato, monómeros de metacrilato, monómeros de acrilamida, monómeros de bis(acrilamida), monómeros epoxi y mezclas de los mismos.
7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la adición de la etapa a) consiste en la adición de una mezcla de monómeros.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la mezcla de monómeros consiste en un monómero que comprende un solo grupo polimerizable, por ejemplo, un monómero acrílico, tal como ácido acrílico y un monómero que comprende dos grupos polimerizables, por ejemplo, un monómero de bis(acrilamida).
9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se añade a la solución acuosa al menos un agente complejante de uranio y/o del o de los actínidos menores y opcionalmente de plutonio presentes en dicha solución, siendo el o los agentes complejantes mencionados distintos del o de los monómeros de la etapa a).
10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el o los agentes complejantes se seleccionan de compuestos que comprenden al menos un grupo carboxílico, compuestos que comprenden al menos un grupo amina, compuestos que comprenden al menos un grupo amina y al menos un grupo carboxílico.
11. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la polimerización de la etapa b) se genera por las siguientes vías:
- una vía térmica que consiste en calentar la solución para iniciar la polimerización y, en consecuencia, la gelificación;
- una vía que consiste en someter la solución a radiación UV para iniciar también la polimerización;
- una vía que consiste en someter la solución a radiación y para iniciar también la polimerización;
- una vía que consiste en añadir a la solución un iniciador de polimerización como, por ejemplo, agua oxigenada o una mezcla de agua oxigenada/ácido ascórbico; y
- combinaciones de estas vías.
12. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa de tratamiento térmico consiste en una operación de calcinación bajo atmósfera oxidante.
13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la operación de calcinación bajo atmósfera oxidante va seguida de una operación de tratamiento térmico adicional que consiste en reducir al menos parte del polvo obtenido previamente en una solución sólida que comprende uranio, al menos un actínido menor y posiblemente plutonio.
14. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa de tratamiento térmico d) está precedida por una etapa de trituración del xerogel obtenido para transformarlo en polvo.
15. Procedimiento de preparación de un combustible compactado que comprende:
e) una etapa de implementación del procedimiento de preparación como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14;
f) una etapa de compactación de dicho polvo obtenido en e).
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