RU2200766C2 - Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets - Google Patents

Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets Download PDF

Info

Publication number
RU2200766C2
RU2200766C2 RU2001110788A RU2001110788A RU2200766C2 RU 2200766 C2 RU2200766 C2 RU 2200766C2 RU 2001110788 A RU2001110788 A RU 2001110788A RU 2001110788 A RU2001110788 A RU 2001110788A RU 2200766 C2 RU2200766 C2 RU 2200766C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
fuel
zirconium
melting
crucible
Prior art date
Application number
RU2001110788A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001110788A (en
Inventor
В.Т. Готовчиков
В.А. Середенко
ков О.А. Крив
О.А. Кривяков
И.В. Осипов
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" filed Critical Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии"
Priority to RU2001110788A priority Critical patent/RU2200766C2/en
Publication of RU2001110788A publication Critical patent/RU2001110788A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2200766C2 publication Critical patent/RU2200766C2/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20Recycling

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: method involves melting, in vacuum or in inert medium, of metallic structural material and separation of melt from solid fuel. Packet of heat-emitting elements is placed into melting crucible to form melt containing zirconium, iron, chromium, and nickel. Additionally, portion of fragments of zirconium elements and portion of used up elements without end details are loaded so that concentrations of said metals are maintained as follows: 72-86, 2-26, 0.2-7, and 0.1-4 wt.%, respectively. Melt is further supplemented by 0.1-15% zinc. Melting is effected at 800-1250 C. EFFECT: facilitated separation of ceramic nuclear fuel from metallic details and reduced amount of radioactive metal waste. 12 cl, 1 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к пирометаллургическим методам переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) преимущественно на основе урана. The invention relates to pyrometallurgical methods for processing spent nuclear fuel (SNF) mainly based on uranium.

Существуют способы механического извлечения оксидного уранового топлива из металлических оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных из циркония, легированного ниобием, заключающиеся:
- в разборке тепловыделяющих сборок (ТВС) на отдельные твэлы и последующей резке [1], рубке [2] или деформации [3];
- в отрезании хвостовиков и рубке всей ТВС на отдельные куски без разборки на отдельные твэлы [4].
There are methods for the mechanical extraction of uranium oxide oxide from the metal shells of fuel elements (fuel elements) made of niobium doped zirconium, which include:
- in the dismantling of fuel assemblies (fuel assemblies) into individual fuel elements and subsequent cutting [1], chopping [2] or deformation [3];
- in cutting the shanks and chopping the entire fuel assembly into separate pieces without disassembling into individual fuel elements [4].

Недостатком этих способов является образование больших количеств пыли и аэрозолей оксидного топлива, что требует мощных и высокоэффективных систем газоочистки. В результате рубки твэлов образуется большое количество фрагментов циркониевых оболочек, так называемой циркониевой шелухи, которые являются пожароопасными и требуют строительства специальных хранилищ больших объемов. The disadvantage of these methods is the formation of large quantities of dust and aerosols of oxide fuel, which requires powerful and highly efficient gas cleaning systems. As a result of cutting fuel rods, a large number of fragments of zirconium shells, the so-called zirconium husk, are formed, which are fire hazardous and require the construction of special storage facilities of large volumes.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термический способ извлечения керамического уранового топлива из пакетов тепловыделяющих элементов [А.С. СССР 357596, опубл. 31.10.1972 г. Бюл. N 33] с отделением топлива от конструкционных материалов путем нагрева до температуры плавления оболочек, согласно которому тепловыделяющие элементы помещают в контейнер, выполненный из железа массой 15-25% от массы конструкционных деталей пакета тепловыделяющих элементов и выполняющий роль твердой присадки, и ведут процесс вскрытия в вакууме или инертной атмосфере при 1000-1300oС.The closest in technical essence and the achieved result is a thermal method for extracting ceramic uranium fuel from packages of fuel elements [A.S. USSR 357596, publ. 10/31/1972 Bull. N 33] with the separation of fuel from structural materials by heating to the melting temperature of the shells, according to which the fuel elements are placed in a container made of iron weighing 15-25% by weight of the structural parts of the package of fuel elements and acting as a solid additive, and the opening process is carried out in vacuum or inert atmosphere at 1000-1300 o C.

Недостатками данного способа являются:
- необходимость разделки ТВС путем отрезания хвостовиков и извлечения пакетов твэлов, что является весьма трудоемкой операцией, выполняемой с помощью манипуляторов, поскольку работа ведется с облученными ТВС;
- необходимость изготовления контейнеров из железа, которое в ходе переработки твэлов войдет в состав радиоактивных металлических отходов и не может быть извлечено из них экономически приемлемым способом.
The disadvantages of this method are:
- the need to cut fuel assemblies by cutting the shanks and extracting the fuel rods, which is a very time-consuming operation performed using manipulators, since the work is carried out with irradiated fuel assemblies;
- the need to manufacture containers of iron, which during the processing of fuel rods will be included in the radioactive metal waste and cannot be removed from them in an economically acceptable way.

Техническим результатом предлагаемого решения является сокращение трудоемкости процесса отделения керамического ядерного топлива от металлических конструкций тепловыделяющих элементов и сокращение количества образующих радиоактивных металлических отходов. Технический результат достигается тем, что в способе извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов, включающем расплавление в вакууме или инертной среде металлических конструкционных материалов и отделение расплава от твердого топлива, согласно изобретению расплавлению подвергают пакеты тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющих сборок в плавильном тигле с расплавом, содержащим цирконий, железо, хром и никель. The technical result of the proposed solution is to reduce the complexity of the process of separating ceramic nuclear fuel from metal structures of fuel elements and reducing the amount of radioactive metal waste generated. The technical result is achieved by the fact that in the method for extracting ceramic nuclear fuel from packages of fuel elements, comprising melting in a vacuum or inert medium metal structural materials and separating the melt from solid fuel, according to the invention, packages of fuel elements in the composition of fuel assemblies in a melting crucible with a melt are subjected to melting. containing zirconium, iron, chromium and nickel.

В тигле с расплавом одновременно выделяющей сборкой дополнительно загружают порцию фрагментов циркониевых оболочек отработавших твэлов. In a crucible with a melt, at the same time, the assembly is additionally charged with a portion of the fragments of zirconium shells of spent fuel elements.

В тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой дополнительно загружают порцию отработавших тепловыделяющих элементов без концевых деталей. In a crucible with a melt simultaneously with the fuel assembly additionally load a portion of the spent fuel elements without end parts.

Содержание в расплаве циркония, железа, хрома и никеля поддерживают на уровне 72-86; 2-26; 0,2-7,0 и 0,1-4,0 мас.% соответственно. The content in the melt of zirconium, iron, chromium and nickel is maintained at the level of 72-86; 2-26; 0.2-7.0 and 0.1-4.0 wt.%, Respectively.

В расплав добавляют цинк в количестве 0,1-15,0 мас.%. Zinc is added to the melt in an amount of 0.1-15.0 wt.%.

Процесс ведут при 800-1250oС.The process is carried out at 800-1250 o C.

Часть расплава после отделения от твердого топлива направляют на операцию извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов. Part of the melt after separation from solid fuel is sent to the operation of extracting ceramic nuclear fuel from packages of fuel elements.

Расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. The melt after separation from solid fuel is filtered.

Твердое топливо промывают цинковым расплавом. Solid fuel is washed with zinc melt.

Промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. Wash zinc melt after separation from solid fuel is filtered.

Процесс ведут в вакуумных индукционных печах с медными разрезными водоохлаждаемыми тиглями при электромагнитном перемешивании расплава. The process is carried out in vacuum induction furnaces with copper split water-cooled crucibles with electromagnetic stirring of the melt.

Процесс ведут при частоте индукционных токов 50-250000 Гц. The process is conducted at a frequency of induction currents of 50-250000 Hz.

Основными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что переработке подвергают тепловыделяющие сборки в той комплектации, в которой они были извлечены из ядерного реактора, без какой-либо предварительной механической разборки. The main distinguishing features of the proposed method is that the fuel assemblies are subjected to processing in the configuration in which they were extracted from the nuclear reactor, without any preliminary mechanical disassembly.

Процесс осуществляют путем погружения ТВС в плавильный тигель с расплавом на основе циркония, содержащий также железо, хром и никель. Этот расплав образуется при плавлении самих металлических деталей ТВС, а именно: оболочек твэлов и дистанционирующих решеток, изготовленных из циркония, легированного ниобием, а также концевых деталей (хвостовиков), изготовленных из стали 12Х18Н10Т. Эта сталь содержит Fe, Cr и Ni, которые образуют с цирконием легкоплавкие эвтектики. В результате растворения металлической составляющей ТВС будет образовываться двухфазная система, состоящая из металлического расплава и твердого диоксида урана, с последующим разделением фаз по удельной плотности непосредственно в плавильном тигле и контрольной фильтрацией металлического расплава с целью отделения взвешенных частиц топлива при сливе его из тигля. The process is carried out by immersing fuel assemblies in a melting crucible with a zirconium-based melt, which also contains iron, chromium and nickel. This melt is formed during the melting of the metal parts of the fuel assemblies themselves, namely: the claddings of the fuel rods and spacer grids made of zirconium alloyed with niobium, as well as the end parts (shanks) made of steel 12Kh18N10T. This steel contains Fe, Cr, and Ni, which form fusible eutectics with zirconium. As a result of the dissolution of the metal component of the fuel assembly, a two-phase system will be formed, consisting of a metal melt and solid uranium dioxide, with the subsequent separation of phases by specific density directly in the melting crucible and control filtration of the metal melt in order to separate suspended fuel particles when it is drained from the crucible.

Схема тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000 представлена на чертеже. Она состоит из:
- перегрузочно-разгрузочной 1 и посадочной 4 головок, так называемых концевых деталей или хвостовиков, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, с помощью которых твэлы жестко фиксируются в определенном положении;
- пакета тепловыделяющих элементов 2, представляющих собой набор трубок из циркония, легированного ниобием, внутри которых находится оксидное урановое топливо;
- дистанционирующих шестигранных сотовых решеток 3 из циркония, легированного ниобием, сквозь которые проходят твэлы.
A diagram of the fuel assembly of the VVER-1000 reactor is shown in the drawing. It consists of:
- reloading and unloading 1 and landing 4 heads, the so-called end parts or shanks made of stainless steel 12X18H10T, with which the fuel rods are rigidly fixed in a certain position;
- a package of fuel elements 2, which is a set of tubes of zirconium doped with niobium, inside of which there is oxide uranium fuel;
- spacing hexagonal honeycombs 3 of zirconium doped with niobium, through which the fuel rods pass.

Одна ТВС реактора ВВЭР-1000 имеет общую массу около 787 кг и содержит, кг:
Диоксид урана - 497
Цирконий, легированный ниобием - 184
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т - 106
Расчет показывает, что при плавлении металлической составляющей ТВС образующийся многокомпонентный Zr-Fe-Cr-Ni-расплав будет иметь массу 290 кг и содержать, мас.%:
- компоненты нержавеющей стали - 36,3, в т. ч. Fe - 26, Сr - 6,6 и Ni - 3,7 соответственно;
- цирконий, легированный ниобием (по разности) - 63,7.
One fuel assembly of the VVER-1000 reactor has a total mass of about 787 kg and contains, kg:
Uranium Dioxide - 497
Niobium doped zirconium - 184
Stainless steel 12X18H10T - 106
The calculation shows that when melting the metal component of the fuel assembly, the resulting multicomponent Zr-Fe-Cr-Ni-melt will have a mass of 290 kg and contain, wt.%:
- stainless steel components - 36.3, including Fe - 26, Cr - 6.6 and Ni - 3.7, respectively;
- zirconium doped with niobium (by difference) - 63.7.

Экспериментально установлено, что для данной многокомпонентной системы минимальной температурой ликвидуса 800-1200oС обладают сплавы, содержащие в сумме 14-28 мас. % компонентов нержавеющей стали 12Х18Н10Т: Fe, Cr и Ni. Проведение процесса при таких температурах сводит к минимуму вероятность восстановления диоксида урана цирконием до металлического урана, что, в свою очередь, резко уменьшает потери урана с циркониевым расплавом.It has been experimentally established that for this multicomponent system, the minimum liquidus temperature of 800-1200 o With alloys containing a total of 14-28 wt. % of components of stainless steel 12X18H10T: Fe, Cr and Ni. Carrying out the process at such temperatures minimizes the probability of reduction of uranium dioxide by zirconium to metallic uranium, which, in turn, sharply reduces the loss of uranium with zirconium melt.

Для получения сплава указанного выше состава должно быть увеличено содержание циркония с 63,7 до 72-86 мас.%. Это достигается загрузкой в плавильный тигель вместе с очередной ТВС до 200 кг фрагментов облученных циркониевых оболочек, так называемой циркониевой шелухи, накопленной в больших количествах в результате переработки облученных твэлов методом рубки за несколько десятков лет. Содержание циркония в расплаве также может быть повышено загрузкой в тигель одновременно с ТВС расчетной порции твэлов без концевых деталей. To obtain an alloy of the above composition, the zirconium content should be increased from 63.7 to 72-86 wt.%. This is achieved by loading into the melting crucible, together with another FA, up to 200 kg of fragments of irradiated zirconium shells, the so-called zirconium husk, accumulated in large quantities as a result of processing of irradiated fuel elements by the cutting method over several decades. The zirconium content in the melt can also be increased by loading into the crucible simultaneously with the fuel assembly a calculated portion of fuel rods without end parts.

При необходимости еще большего снижения температуры ликвидуса (до 750oС и ниже) в расплав целесообразно добавлять 0,1-15,0% цинка, образующего с цирконием и железом легкоплавкие сплавы. Это еще больше уменьшит степень протекания реакции восстановления урана до металлического состояния.If you need to further reduce the liquidus temperature (up to 750 o C and below), it is advisable to add 0.1-15.0% of zinc to the melt, forming low-melting alloys with zirconium and iron. This will further reduce the degree of progress of the uranium reduction reaction to a metallic state.

Содержание железа, хрома и никеля в расплаве, равное: 2-26, 0,2-7 и 0,1-4,0 мас. % соответственно, определяется, в основном, содержанием указанных металлов в нержавеющей стали 12Х18Н10Т, из которой изготовлены концевые детали ТВС, и количеством добавляемых в расплав цирконийсодержащих материалов - циркониевой шелухи или твэлов без концевых деталей. При необходимости корректировки состава в расплав вводят дополнительно небольшие количества железа, хрома и никеля. The content of iron, chromium and nickel in the melt, equal to: 2-26, 0.2-7 and 0.1-4.0 wt. %, respectively, is determined mainly by the content of these metals in stainless steel 12X18H10T, from which the end parts of the fuel assemblies are made, and the number of zirconium-containing materials added to the melt - zirconium husk or fuel elements without end parts. If necessary, adjust the composition of the melt introduce additional small amounts of iron, chromium and nickel.

Для удаления остатков металлического цирконий-железо-хромо-никелевого расплава из пор твердого оксидного уранового топлива его (топливо) промывают легкоплавким цинковым расплавом. Цинковый расплав целесообразно использовать многократно, периодически очищая (регенерируя) его от накапливающихся в процессе промывок циркония, железа, хрома, никеля и др. примесей. To remove residual metal zirconium-iron-chromium-nickel melt from the pores of solid oxide uranium fuel it (fuel) is washed with low-melting zinc melt. It is advisable to use zinc melt repeatedly, periodically cleaning (regenerating) it from the zirconium, iron, chromium, nickel, and other impurities that accumulate during washing.

Для технически и экономически эффективного проведения операций извлечения керамического ядерного топлива на основе урана из тепловыделяющих элементов в агрессивной среде металлического расплава необходима специальная плавильная печь, позволяющая реализовать следующие условия:
- исключить загрязнение извлекаемого ядерного топлива материалом плавильного тигля;
- исключить поглощение плавильным тиглем радиоактивных элементов во избежание образования нового типа радиоактивных отходов в виде отработанных тигельных материалов;
- обеспечить электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее растворение конструкционных материалов твэлов в расплаве на основе циркония;
- обеспечить проведение технологических операций в требуемой атмосфере: вакуум, инертный газ, воздух и др., причем должна быть обеспечена возможность изменения атмосферы в ходе технологического процесса;
- обеспечить возможность перемещения расплава внутри тигля в требуемом направлении (вверх или вниз), а также сливать или кристаллизовать расплав и вытягивать в виде компактного слитка;
- обеспечить кардинальное решение проблемы долговечности тигля, а именно: он должен работать несколько лет и не требовать промежуточных зачисток и ремонтов с участием обслуживающего персонала.
For technically and cost-effective operations for the extraction of ceramic nuclear fuel based on uranium from fuel elements in an aggressive environment of a metal melt, a special melting furnace is needed that allows the following conditions to be realized:
- eliminate contamination of recoverable nuclear fuel with the material of the melting crucible;
- to eliminate the absorption by the melting crucible of radioactive elements in order to avoid the formation of a new type of radioactive waste in the form of spent crucible materials;
- provide electromagnetic mixing of the melt, intensifying the dissolution of structural materials of fuel elements in the melt based on zirconium;
- to ensure the implementation of technological operations in the required atmosphere: vacuum, inert gas, air, etc., and it should be possible to change the atmosphere during the process;
- provide the ability to move the melt inside the crucible in the desired direction (up or down), as well as drain or crystallize the melt and stretch in the form of a compact ingot;
- to provide a radical solution to the problem of longevity of the crucible, namely: it should work for several years and not require intermediate cleanings and repairs with the participation of maintenance personnel.

Такими свойствами обладают вакуумные индукционные печи с металлическими разрезными водоохлаждаемыми (холодными) тиглями (ИПХТ), снабженные перемещающимися поддонами со сливными устройствами, а также сливными желобами, расположенными в верхней части тигля. Как показал промышленный опыт, срок службы ИПХТ достигает 18 лет и более, что практически исключает образования такого класса радиоактивных отходов, как отработавшие тигельные материалы. Применение индукционных токов относительно низкого диапазона частот (50-250000 Гц) позволяет применять простые и надежные источники силового электропитания, а также значительно упрощает конструкцию ИПХТ. Such properties are possessed by vacuum induction furnaces with metal split water-cooled (cold) crucibles (IPCT), equipped with moving pallets with drain devices, as well as drain chutes located in the upper part of the crucible. As industrial experience has shown, the life cycle of IPCP reaches 18 years or more, which virtually eliminates the formation of a class of radioactive waste such as spent crucible materials. The use of induction currents in a relatively low frequency range (50-250000 Hz) allows the use of simple and reliable sources of power supply, and also greatly simplifies the design of IPHT.

Перед началом процесса переработки в холодном тигле, оборудованном сливным желобом в верхней зоне и перемещающимся внутри медным водоохлаждаемым поддоном со сливным устройством, готовится ванна легкоплавкого расплава на основе циркония, содержащего Fe, Cr и Ni, предполагаемый состав которого указан выше. Отработавшую ТВС и порцию циркониевой шелухи или отработавших твэлов равномерно погружают в расплав, где происходит их растворение под действием таких факторов, как высокая температура, агрессивная химическая среда металлического расплава и его интенсивное электромагнитное перемешивание. Очевидно, что в силу своих физико-химических характеристик металлические детали ТВС после растворения будут концентрироваться в металлическом расплаве. В холодном тигле по мере переработки тепловыделяющих сборок будет накапливаться двухфазная система, состоящая из расплава Zr-Cr- Ni-Fe и частиц отработавшего оксидного топлива различной крупности. Последние, как имеющие большую плотность (10-11 г/см3), будут оседать в нижнюю часть тигля. Металлический расплав, содержащий небольшие количества мелкодисперсных частиц оксидного топлива во взвешенном состоянии, будет располагаться в верхней части тигля. Металлический расплав также будет заполнять открытые поры оксидного топлива.Before starting the processing process in a cold crucible equipped with a drain trough in the upper zone and a water-cooled copper tray with a drain device moving inside, a low-melting bath based on zirconium containing Fe, Cr and Ni is prepared, the proposed composition of which is indicated above. Spent fuel assemblies and a portion of zirconium husk or spent fuel rods are uniformly immersed in the melt, where they dissolve under the influence of factors such as high temperature, aggressive chemical environment of the metal melt and its intense electromagnetic mixing. It is obvious that, due to their physicochemical characteristics, the metal parts of the fuel assembly after dissolution will be concentrated in the metal melt. In a cold crucible, as the fuel assemblies are processed, a two-phase system will be accumulated, consisting of a Zr-Cr-Ni-Fe melt and spent oxide fuel particles of various sizes. The latter, as having a high density (10-11 g / cm 3 ), will settle in the lower part of the crucible. A metallic melt containing small amounts of fine particles of oxide fuel in suspension will be located in the upper part of the crucible. The molten metal will also fill the open pores of the oxide fuel.

После переработки партии ТВС, когда количество твердого топлива в тигле достигает предельно допустимого заполнения, расплав на основе циркония сливают по желобу в изложницу путем перемещения вверх поддона. Расплав в изложнице кристаллизуют, охлаждают, слиток извлекают и направляют в хранилище. Следует отметить, что компактные слитки потребуют значительно меньшего объема хранилищ, а также будут совершенно пожаробезопасны в отличие от циркониевой шелухи, хранящейся в настоящее время навалом. After processing a batch of fuel assemblies, when the amount of solid fuel in the crucible reaches the maximum permissible filling, the zirconium-based melt is drained into the mold by the gutter by moving up the pan. The melt in the mold is crystallized, cooled, the ingot is removed and sent to the storage. It should be noted that compact ingots will require significantly less storage space, and will also be completely fireproof, unlike zirconium husks, currently stored in bulk.

Металлический расплав, расположенный в порах твердого топлива, удаляют в обогреваемую изложницу через устройство для донного слива. После промывки цинковым расплавом твердое топливо выгружают из тигля и направляют на дальнейшую переработку. Присутствующие в сливаемых расплавах твердые частицы ОЯТ при необходимости отфильтровывают. The metal melt located in the pores of the solid fuel is removed into the heated mold through a bottom discharge device. After washing with zinc melt, solid fuel is discharged from the crucible and sent for further processing. Solid spent fuel particles present in the melted melts are filtered off if necessary.

В пустой плавильный тигель заливают расплав из обогреваемой изложницы, в него погружают очередную ТВС и расчетную порцию циркониевой шелухи или отработавших твэлов, т.е. цикл переработки очередной партии ТВС повторяется. The melt from the heated mold is poured into an empty melting crucible, the next fuel assembly and the calculated portion of zirconium husk or spent fuel rods are immersed in it, i.e. the processing cycle of the next batch of fuel assemblies is repeated.

Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в индукционной печи с прозрачным для электромагнитного поля медным разрезным водоохлаждаемым (холодным) тиглем диаметром 100 мм с устройством для донного слива расплава. Под сливным устройством устанавливали керамический фильтр. Частота тока источника питания 2400 Гц обеспечивала интенсивное перемешивание металлического расплава. An experimental verification of the proposed method was carried out in an induction furnace with a transparent cut-off water-cooled (cold) crucible with a diameter of 100 mm transparent to the electromagnetic field, with a device for bottom discharge of the melt. A ceramic filter was installed under the drain device. The current frequency of the power source 2400 Hz provided intensive mixing of the metal melt.

Пример 1. Исходная шихта массой 4268 кг, имитирующая ТВС реактора ВВЭР-1000, состояла из восьми циркониевых трубок, заполненных спеченными таблетками диоксида урана, а также кусков нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Масса диоксида урана составляла 2485 г, циркония - 920 г, нержавеющей стали 12Х18Н10Т - 503 г. Example 1. The initial charge weighing 4268 kg, simulating the fuel assemblies of the VVER-1000 reactor, consisted of eight zirconium tubes filled with sintered uranium dioxide tablets, as well as pieces of 12X18H10T stainless steel. The mass of uranium dioxide was 2485 g, zirconium - 920 g, stainless steel 12X18H10T - 503 g.

Шихту указанного состава загружали в холодный тигель с расплавом массой 3423 г, содержащим цирконий, железо, хром и никель и выдерживали в течение 27 мин при 1050oС в атмосфере аргона до полного растворения металлической фракции шихты в расплаве и разделения по плотности расплава и твердого диоксида урана. Общая масса металлического расплава в тигле составила 4846 г, который имел следующий химический состав, мас.%: Zr - 79,73, Fe - 14,48, Cr - 3,72, Ni - 2,07. После этого открывали пробку сливного устройства и расплав, проходя через фильтр, попадал в изложницу, где кристаллизовался в слиток.The mixture of this composition was loaded into a cold crucible with a melt weighing 3423 g containing zirconium, iron, chromium and nickel and kept for 27 min at 1050 ° C in an argon atmosphere until the metal fraction of the mixture was completely dissolved in the melt and the density was separated by melt and solid dioxide uranium. The total mass of the metal melt in the crucible was 4846 g, which had the following chemical composition, wt.%: Zr - 79.73, Fe - 14.48, Cr - 3.72, Ni - 2.07. After that, the drain plug was opened and the melt, passing through the filter, fell into the mold, where it crystallized into an ingot.

Анализ показал, что содержание урана в полученном слитке массой 4770 г составило 0,36 мас.%. Остаточное суммарное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 1,9 мас.%. The analysis showed that the uranium content in the obtained ingot weighing 4770 g was 0.36 wt.%. The residual total content of the metal phase in the uranium dioxide was 1.9 wt.%.

Пример 2. Эксперимент проводили, как описано в примере 1. Отличие заключалось в том, что в расплав массой 3423 г, содержащий цирконий, железо, хром и никель, добавляли еще и 250 г цинка. В полученный расплав массой 3673 г загружали шихту массой 4268 кг, состав которой приведен в примере 1. Процесс вели в течение 19 мин при 950oС в атмосфере аргона до полного растворения металлической фракции шихты в расплаве и разделения по плотности расплава и твердого диоксида урана. Общая масса металлического расплава в тигле составила 5096 г, который имел следующий химический состав, мас.%: Zr - 76,12; Fe - 13,79; Cr - 3,25; Ni - 1,93; Zn - 4,91. После этого открывали пробку сливного устройства и расплав, проходя через фильтр, попадал в изложницу, где кристаллизовался в слиток.Example 2. The experiment was carried out as described in example 1. The difference was that in a melt weighing 3423 g containing zirconium, iron, chromium and nickel, 250 g of zinc was also added. A mixture with a mass of 4268 kg, the composition of which is given in Example 1, was loaded into the obtained melt weighing 3673 g. The process was carried out for 19 min at 950 ° C in argon atmosphere until the metal fraction of the charge was completely dissolved in the melt and the density separation of the melt and solid uranium dioxide was completed. The total mass of the metal melt in the crucible was 5096 g, which had the following chemical composition, wt.%: Zr - 76.12; Fe - 13.79; Cr 3.25; Ni - 1.93; Zn - 4.91. After that, the drain plug was opened and the melt, passing through the filter, fell into the mold, where it crystallized into an ingot.

Анализ показал, что содержание урана в полученном слитке массой 5035 г составило 0,23 мас.%. Остаточное суммарное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 1,2 мас.%. The analysis showed that the uranium content in the resulting ingot weighing 5035 g was 0.23 wt.%. The residual total content of the metal phase in the uranium dioxide was 1.2 wt.%.

Пример 3. Эксперимент проводили, как описано в примере 1. Отличие заключалось в том, что для промывки оставшегося в тигле твердого диоксида урана догружали 3 кг цинка, расплавляли и выдерживали расплав при 800oС в течение 10 мин. Далее цинковый расплав сливали через устройство для донного слива, пропускали через фильтр и кристаллизовали. Анализ показал, что содержание урана в слитке цинка массой 3040 г составило менее 0,02 мас.%. Остаточное содержание металлической фазы в диоксиде урана составило 0,6 мас.%.Example 3. The experiment was carried out as described in example 1. The difference was that to wash the solid uranium dioxide remaining in the crucible, 3 kg of zinc was loaded, melted and the melt was held at 800 ° C for 10 minutes. Next, the zinc melt was poured through a bottom discharge device, passed through a filter and crystallized. The analysis showed that the uranium content in the zinc ingot weighing 3040 g was less than 0.02 wt.%. The residual content of the metal phase in the uranium dioxide was 0.6 wt.%.

Приведенные примеры подтверждают эффективность предложенного способа. The above examples confirm the effectiveness of the proposed method.

Литература
1. Патент Великобритании 1096745, 1967.
Literature
1. British patent 1096745, 1967.

2. Патент Великобритании 1171257, 1969. 2. British patent 1171257, 1969.

3. Abdel-Rassoni A. et al. J. Nuclear Energy, 1969, 23, р.551. 3. Abdel-Rassoni A. et al. J. Nuclear Energy, 1969, 23, p. 511.

4. Кондратьев А. Н. и др. в сб. Труды Симпозиума СЭВ "Исследования в области переработки облученного топлива", т.1, Прага, изд. КАЭ, СССР, 1972, с.174. 4. Kondratiev A. N. and others in the collection. Proceedings of the CMEA Symposium "Research in the field of processing of irradiated fuel", vol. 1, Prague, ed. KAE, USSR, 1972, p. 174.

Claims (12)

1. Способ извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов, включающий расплавление в вакууме или инертной среде металлических конструкционных материалов и отделение расплава от твердого топлива, отличающийся тем, что расплавлению подвергают пакеты тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющих сборок в плавильном тигле с расплавом, содержащим цирконий, железо, хром и никель. 1. A method of extracting ceramic nuclear fuel from packages of fuel elements, comprising melting in a vacuum or inert medium metal structural materials and separating the melt from solid fuel, characterized in that the packages of fuel elements in the fuel assemblies in a melting crucible with a zirconium melt are subjected to melting. , iron, chrome and nickel. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой загружают дополнительно порцию фрагментов циркониевых оболочек отработавших тепловыделяющих элементов. 2. The method according to p. 1, characterized in that in the crucible with the melt simultaneously with the fuel assembly load an additional portion of fragments of zirconium shells of spent fuel elements. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в тигель с расплавом одновременно с тепловыделяющей сборкой загружают дополнительно порцию отработавших тепловыделяющих элементов без концевых деталей. 3. The method according to p. 1, characterized in that in the crucible with the melt simultaneously with the fuel Assembly load an additional portion of the spent fuel elements without end parts. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержание в расплаве циркония, железа, хрома и никеля поддерживают на уровне 72-86; 2-26; 0,2-7,0 и 0,1-4,0 мас. % соответственно. 4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the content in the melt of zirconium, iron, chromium and nickel is maintained at the level of 72-86; 2-26; 0.2-7.0 and 0.1-4.0 wt. % respectively. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в расплав добавляют цинк в количестве 0,1-15,0 мас. %. 5. The method according to p. 1, characterized in that zinc is added to the melt in an amount of 0.1-15.0 wt. % 6. Способ по п. 1 или 5, отличающийся тем, что расплавление ведут при 800-1250oС.6. The method according to p. 1 or 5, characterized in that the melting is carried out at 800-1250 o C. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть расплава после отделения от твердого топлива направляют на операцию извлечения керамического ядерного топлива из пакетов тепловыделяющих элементов. 7. The method according to p. 1, characterized in that part of the melt after separation from solid fuel is directed to the operation of extracting ceramic nuclear fuel from packages of fuel elements. 8. Способ по п. 1 или 7, отличающийся тем, что расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. 8. The method according to p. 1 or 7, characterized in that the melt after separation from solid fuel is filtered. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое топливо промывают цинковым расплавом. 9. The method according to p. 1, characterized in that the solid fuel is washed with zinc melt. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива, фильтруют. 10. The method according to p. 9, characterized in that the washing zinc melt after separation from solid fuel, is filtered. 11. Способ по п. 1 или 9, отличающийся тем, что расплавление ведут в вакуумных индукционных печах с медными разрезными водоохлаждаемыми тиглями при электромагнитном перемешивании расплава. 11. The method according to p. 1 or 9, characterized in that the melting is carried out in vacuum induction furnaces with copper split water-cooled crucibles with electromagnetic stirring of the melt. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что процесс ведут при частоте индукционных токов 50-250000 Гц. 12. The method according to p. 11, characterized in that the process is conducted at a frequency of induction currents of 50-250000 Hz.
RU2001110788A 2001-04-19 2001-04-19 Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets RU2200766C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001110788A RU2200766C2 (en) 2001-04-19 2001-04-19 Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001110788A RU2200766C2 (en) 2001-04-19 2001-04-19 Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001110788A RU2001110788A (en) 2003-02-10
RU2200766C2 true RU2200766C2 (en) 2003-03-20

Family

ID=20248748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001110788A RU2200766C2 (en) 2001-04-19 2001-04-19 Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2200766C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105039707A (en) * 2015-07-09 2015-11-11 中国科学院金属研究所 Enrichment and separation method for chromium elements in discarded circuit board multi-metal mixed resource
RU2613352C1 (en) * 2016-04-11 2017-03-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method of processing uranium-zirconium wastes

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105039707A (en) * 2015-07-09 2015-11-11 中国科学院金属研究所 Enrichment and separation method for chromium elements in discarded circuit board multi-metal mixed resource
CN105039707B (en) * 2015-07-09 2016-12-07 中国科学院金属研究所 The enrichment of chromium element and separation method in waste printed circuit board many metal mixed resource
RU2613352C1 (en) * 2016-04-11 2017-03-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method of processing uranium-zirconium wastes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Choudhury State of the art of superalloy production for aerospace and other application using VIM/VAR or VIM/ESR
CN107385244B (en) A kind of electron beam covers the method that induced coagulation technology High Purity prepares nickel base superalloy
RU2200766C2 (en) Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets
RU2194783C1 (en) Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies
JPH11310833A (en) Method for melting metal and alloy and melting and casting method thereof
JPH0356439B2 (en)
US4248836A (en) Recovery of nuclear fuel material
RU2172787C1 (en) Method of pyrometallurgical processing of wastes, depleted materials and used up articles
WO2021157628A1 (en) PRODUCTION METHOD FOR Ti-AL BASED ALLOY
RU2145126C1 (en) Ingot of radioactive metal wastes and its production process
CN208346240U (en) A kind of electron beam melting apparatus of hypoxemia high purity titanium ingot
JPH11242098A (en) Device and method for melting and ingot-making
RU2329313C2 (en) Installation and filter for filtering alpha-solid inclusions from titanium alloys
JP5776178B2 (en) Deposit removal method for glass melting furnace
RU2148665C1 (en) Method of producing castings from noncompact steel wastes and device for pressing blocks of steel consumable electrodes for method embodiment
US3508914A (en) Methods of forming and purifying nickel-titanium containing alloys
RU2804570C1 (en) Method for extracting zirconium from irradiated zirconium materials to reduce volume of high-level radioactive waste
EP0277890B1 (en) Method for forming metals with reduced impurity concentrations
JPH0154417B2 (en)
JPH0749182A (en) Method for melting solidification and cooling crucible therefor
RU160757U1 (en) UNIT FOR REMOVING THE SHELL OF THE HEAT-FUEL ELEMENT WITH LIQUID ZINC
RU2001110788A (en) METHOD FOR REMOVING CERAMIC NUCLEAR FUEL FROM PACKAGES OF HEAT FUEL ELEMENTS
JP2000292594A (en) Radioactive waste melting processor and processing method
Hampson Preparation of alloy for first core loading of EBR-II
CN117587234A (en) Continuous recovery method for aluminum-lithium alloy waste

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060420