RU2400846C1 - Dissolution method of off-grade and/or spent fuel - Google Patents

Dissolution method of off-grade and/or spent fuel Download PDF

Info

Publication number
RU2400846C1
RU2400846C1 RU2009125329/06A RU2009125329A RU2400846C1 RU 2400846 C1 RU2400846 C1 RU 2400846C1 RU 2009125329/06 A RU2009125329/06 A RU 2009125329/06A RU 2009125329 A RU2009125329 A RU 2009125329A RU 2400846 C1 RU2400846 C1 RU 2400846C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
dissolution
uranium
solutions
nuclear fuel
Prior art date
Application number
RU2009125329/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Евгеньевич Винокуров (RU)
Сергей Евгеньевич Винокуров
Юрий Михайлович Куляко (RU)
Юрий Михайлович Куляко
Дмитрий Андреевич Маликов (RU)
Дмитрий Андреевич Маликов
Борис Федорович Мясоедов (RU)
Борис Федорович Мясоедов
Сергей Анатольевич Перевалов (RU)
Сергей Анатольевич Перевалов
Максим Дмитриевич Самсонов (RU)
Максим Дмитриевич Самсонов
Трофим Иванович Трофимов (RU)
Трофим Иванович Трофимов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН)
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 Учреждение Российской академии наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН)
Priority to RU2009125329/06A priority Critical patent/RU2400846C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2400846C1 publication Critical patent/RU2400846C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: invention can be used for re-processing of off-grade fuel assemblies of fuel elements and assemblies, which have gone through nuclear fuel cycle in the reactor. Dissolution of off-grade and spent nuclear fuel is characterised by use of water solution of ferrum salt as dissolution; at that, dissolution is carried out at pH 1.0-1.4, during 3-5 hours and molar ratio of fuel to ferrum salt equal to 1:2.1-2.5. As ferrum salt there used is ferric chloride or ferric nitrate. ^ EFFECT: achieving the best ecological, economical and social effects owing to eliminating the use of concentrated solutions of nitric acid, organic solvents and simplifying the further re-processing of spent fuel.

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам растворения оксидов актинидов, являющихся основой оксидного ядерного топлива, и может быть использовано для переработки некондиционных топливных сборок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и сборок, прошедших ядерный топливный цикл (ЯТЦ) в реакторе.The present invention relates to methods for dissolving actinide oxides, which are the basis of oxide nuclear fuel, and can be used for processing substandard fuel assemblies of fuel elements (TVEL) and assemblies that have passed the nuclear fuel cycle (NFC) in the reactor.

Развитие атомной энергетики страны ориентировано на замкнутый ядерный топливный цикл, что в ряду других актуальных задач подразумевает извлечение из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) его основных компонентов (U и Pu) для их повторного использования. Это существенно повышает экономическую целесообразность ядерного топливного цикла. Актуальным является разработка и оптимизация альтернативных концепций используемому в настоящее время процессу переработки отработавшего ядерного топлива (Пурекс-процесс), что в конечном итоге позволяет достичь лучших экологических, экономических и социальных эффектов.The development of the country's nuclear energy industry is focused on a closed nuclear fuel cycle, which, among other urgent tasks, involves the extraction of its main components (U and Pu) from spent nuclear fuel (SNF) for reuse. This significantly increases the economic feasibility of the nuclear fuel cycle. It is urgent to develop and optimize alternative concepts for the currently used process for the processing of spent nuclear fuel (Purex process), which ultimately allows you to achieve the best environmental, economic and social effects.

Известны неводные способы переработки ОЯТ, в частности способ регенерации отработавшего ядерного топлива, основанный на воздействии на него фтора или фторсодержащих химических соединений. Образующиеся при этом летучие фтористые соединения компонентов ядерного топлива переходят в газовую фазу и отгоняются. Способ такой переработки отработавшего ядерного топлива путем испарения образующихся фтористых соединений составляющих компонентов топлива описан, например, в "JAERY-M6592 (1976)". При фторировании диоксид урана, содержащийся в ОЯТ, превращается в UF6, который сравнительно легко испаряется в отличие от плутония, обладающего более низкой летучестью. Обычно при переработке ОЯТ предлагаемым способом отработавшее топливо не фторируют с целью извлечения из него всего содержащегося в нем рана, а фторируют с целью извлечения из него только необходимого количества урана, отделяя его от остальной части перерабатываемого ОЯТ. После извлечения из него определенного количества урана, меняют режим испарения и извлекают из него также в виде паров и некоторое количество содержащегося в нем плутония [патент РФ № 2230130, С22В 60/02, 19.01.1976]. Таким образом, в этом способе переработки ОЯТ используют газообразные, агрессивные и токсичные в экологическом отношении химические соединения.Non-aqueous methods for reprocessing spent nuclear fuel are known, in particular, a method for regenerating spent nuclear fuel based on exposure to fluorine or fluorine-containing chemical compounds. The resulting volatile fluoride compounds of the components of the nuclear fuel go into the gas phase and are distilled off. A method for such processing of spent nuclear fuel by evaporating the resulting fluoride compounds of the constituent fuel components is described, for example, in "JAERY-M6592 (1976)." During fluorination, uranium dioxide contained in SNF is converted to UF 6 , which vaporizes relatively easily, unlike plutonium, which has lower volatility. Typically, in the reprocessing of spent nuclear fuel by the proposed method, the spent fuel is not fluorinated in order to extract all the wounds contained in it, but fluorinated in order to extract only the necessary amount of uranium from it, separating it from the rest of the reprocessed spent fuel. After extracting a certain amount of uranium from it, the evaporation mode is changed and some quantity of plutonium contained in it is also removed in the form of vapors [RF patent No. 2230130, С22В 60/02, 01/19/1976]. Thus, in this method of SNF processing, gaseous, aggressive and environmentally toxic chemical compounds are used.

По другому способу отработанное ядерное топливо перерабатывают пирохимически с применением солевого расплава урана или плутония, после чего выделенные компоненты ядерного топлива используют повторно. При пирохимической переработке отработавшего ядерного топлива применяют его индукционный нагрев в тигле и его охлаждение, подводом хладоагента к тиглю. Пирометаллургические технологии не приводят к образованию больших количеств жидких радиоактивных отходов, а также обеспечивают более компактное размещение оборудования, которое занимает в много раз меньше производственных площадей по сравнению с существующими водными технологиями. В то же время они являются очень энергоемкими и технологически сложны [патент РФ № 2226725, G21C 19/46, 19.01.2009].In another method, spent nuclear fuel is reprocessed pyrochemically using a molten salt of uranium or plutonium, after which the separated components of the nuclear fuel are reused. In the pyrochemical reprocessing of spent nuclear fuel, its induction heating in the crucible and its cooling are applied by supplying a refrigerant to the crucible. Pyrometallurgical technologies do not lead to the formation of large quantities of liquid radioactive waste, and also provide a more compact placement of equipment, which occupies many times less production space compared to existing water technologies. At the same time, they are very energy-intensive and technologically sophisticated [RF patent No. 2226725, G21C 19/46, 01/19/2009].

Также к неводным способам растворения ОЯТ относятся:Non-aqueous methods for dissolving SNF also include:

(1) способ, включающий окисление урана в растворителе с использованием в качестве окислителя растворенных газов, например хлора, оксидов азота, диоксида серы, а в качестве растворителя - диполярного апротонного растворителя или смесь его с хлорсодержащим соединением [патент РФ РФ№ 2238600].(1) a method comprising oxidizing uranium in a solvent using dissolved gases as an oxidizing agent, for example, chlorine, nitrogen oxides, sulfur dioxide, and as a solvent, a dipolar aprotic solvent or a mixture thereof with a chlorine-containing compound [RF patent RF No. 2238600].

(2) способ растворения материалов, содержащих металлический уран, включающий окисление металлического урана смесью трибутилфосфат-керосин, содержащей азотную кислоту [Патент США № 3288568, 1966 г.].(2) a method for dissolving materials containing metallic uranium, comprising oxidizing metallic uranium with a tributyl phosphate-kerosene mixture containing nitric acid [US Patent No. 3288568, 1966].

(3) способ растворения урана, включающий окисление металлического урана раствором брома в этилацетате при нагревании [Larsen R.P. Dissolution of uranium metal and its alloys. Analit. chem. V.31, №4, p.545-549].(3) a method for dissolving uranium, comprising oxidizing metallic uranium with a solution of bromine in ethyl acetate when heated [Larsen R.P. Dissolution of uranium metal and its alloys. Analit. chem. V.31, No. 4, p.545-549].

К недостаткам указанных способов относятся повышенная пожароопасность систем и ограниченность сферы их использования.The disadvantages of these methods include increased fire hazard systems and the limited scope of their use.

Наиболее широко распространенной технологией переработки отработавшего ядерного топлива, взятый нами за прототип, является "Пурекс"-процесс, при котором топливо, содержащее уран и плутоний, растворяют в концентрированной азотной кислоте при температуре 60-80°С. После этого их извлекают из азотнокислого раствора органической фазой, содержащей трибутилфосфат или другой экстрагент, в керосине или каком-либо другом органическом растворителе. Далее следуют технологические стадии, связанные с разделением урана и плутония и их очистки от продуктов деления ядерного топлива, возникающих в процессе работы ядерного реактора. Технология переработки отработанного ядерного топлива по методу "Пурекс" описана, например, в «The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements» Third Edition, Edited by Lester R. Morss, Norman M. Edelstein and Jean Fuger 2006, Springer p.841-844.The most widely used spent nuclear fuel reprocessing technology we have taken as a prototype is the Purex process, in which fuel containing uranium and plutonium is dissolved in concentrated nitric acid at a temperature of 60-80 ° С. After that, they are extracted from the nitric acid solution with an organic phase containing tributyl phosphate or another extractant in kerosene or some other organic solvent. The following are the technological stages associated with the separation of uranium and plutonium and their purification from fission products of nuclear fuel that arise during the operation of a nuclear reactor. The Purex method of spent nuclear fuel reprocessing is described, for example, in The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Third Edition, Edited by Lester R. Morss, Norman M. Edelstein and Jean Fuger 2006, Springer p.841-844 .

Указанный процесс передела ОЯТ является многостадийным, основан на применении экологически небезопасных сред:The specified process of repartition of spent nuclear fuel is multi-stage, based on the use of environmentally unsafe environments:

(1) азотной кислоты (6-8М), как растворителя ОЯТ, работающей при температурах 60-80°С и образующей при протекании реакций с ее участием агрессивные газообразные продукты;(1) nitric acid (6-8M), as a SNF solvent, operating at temperatures of 60-80 ° C and forming aggressive gaseous products during reactions with its participation;

(2) токсичных, горючих, легко воспламеняющихся и взрывоопасных органических растворителей в экстракционных процессах, к тому же, зачастую, неустойчивых к радиационному излучению, разрушающему экстрагент, что ухудшает протекание процесса или приводит к его остановке.(2) toxic, combustible, flammable, and explosive organic solvents in extraction processes, moreover, often unstable to radiation that destroys the extractant, which worsens the process or leads to its shutdown.

В результате, получение целевых продуктов (соединения урана и плутония) с неизбежностью сопровождается образованием больших объемов сильно кислых водных и токсичных органических, к тому же высокорадиоактивных растворов-отходов (РАО) (150-700 л/тонну топлива, содержащих до 15-20% делящихся элементов (U и Pu) и продуктов их деления (ПД); 3-5 м3 растворов средней активности).As a result, the production of the target products (compounds of uranium and plutonium) is inevitably accompanied by the formation of large volumes of strongly acidic aqueous and toxic organic, in addition highly radioactive waste solutions (RAW) (150-700 l / ton of fuel containing up to 15-20% fissile elements (U and Pu) and their fission products (PD); 3-5 m 3 of medium activity solutions).

Поэтому актуальным является создание и оптимизация новых, малоотходных, экологически безопасных и экономически целесообразных технологий, которые бы обеспечили переработку ОЯТ, как действующих, так и реакторов 3 и 4 поколения на быстрых нейтронах, работающих на смешанном оксидном уран-плутониевом топливе (МОКС), что в конечном итоге позволит достичь лучших экологических, экономических и социальных эффектов.Therefore, it is relevant to create and optimize new, low-waste, environmentally friendly and economically feasible technologies that would ensure reprocessing of spent nuclear fuel, both operating and generation 3 and 4 reactors using fast neutrons operating on mixed oxide uranium-plutonium fuel (MOX), which ultimately will achieve the best environmental, economic and social effects.

Задачей настоящего изобретения является разработка нового альтернативного подхода к переработке некондиционного и отработавшего ядерного топлива, позволяющего достичь лучших экологических, экономических и социальных эффектов за счет исключения использования концентрированных растворов азотной кислоты, органических растворителей и упрощения последующей переработки ОЯТ.The objective of the present invention is to develop a new alternative approach to the processing of substandard and spent nuclear fuel, which allows to achieve better environmental, economic and social effects by eliminating the use of concentrated solutions of nitric acid, organic solvents and simplifying the subsequent processing of spent nuclear fuel.

Поставленная задача решается способом растворения некондиционного и отработавшего ядерного топлива, характеризующимся использованием в качестве растворителя водного раствора соли железа(III), при этом растворение ведут при рН 1,0-1,4 и мольном отношении топлива к соли железа, равном 1:2,1-2,5.The problem is solved by the method of dissolving substandard and spent nuclear fuel, characterized by using an aqueous solution of an iron (III) salt as a solvent, while dissolving is carried out at a pH of 1.0-1.4 and a molar ratio of fuel to iron salt of 1: 2, 1-2.5.

Преимущественно в качестве соли железа используют хлорид или нитрат железа (III). Для получения в растворе содержания урана 50-60 г/л обычно используют 25-30% водный раствор соли железа(III).Preferably, iron (III) chloride or nitrate is used as the iron salt. To obtain a uranium content of 50-60 g / l, a 25-30% aqueous solution of an iron (III) salt is usually used.

Растворы нитрата или хлорного железа(III) сочетают в себе окислительные (редокс пара Fe(III)/Fe(II)) и комплексообразующие (NO3- или Cl--ион) свойства. Растворение оксидов проходит при [Н+]~0,1 М, (рН~1), при комнатной температуре. Главное достоинство этого подхода к растворению оксидов актинидов состоит в том, что после растворения оксидов кислотность раствора позволяет применить для выделения из него урана и плутония и их отделения от продуктов деления (ПД), в случае ОЯТ, наиболее подходящий из уже известных и хорошо отработанных осадительных способов выделения, таких как пероксидный, фторидный, карбонатный или оксалатный метод. Это, в свою очередь, позволяет отказаться от экстракционной стадии выделения урана и плутония из раствора, которую необходимо использовать для сильно кислых растворов азотной кислоты, что и приводит к последующим проблемам, связанным с утилизацией образующихся органических растворов-отходов.Solutions of nitrate or ferric chloride (III) combine oxidizing (redox vapor Fe (III) / Fe (II)) and complexing (NO 3 - or Cl - ion) properties. The dissolution of the oxides takes place at [H +] ~ 0.1 M, (pH ~ 1), at room temperature. The main advantage of this approach to the dissolution of actinide oxides is that after the dissolution of the oxides, the acidity of the solution makes it possible to use the most suitable known and well-developed recovery methods, such as peroxide, fluoride, carbonate or oxalate methods. This, in turn, allows us to abandon the extraction stage of the separation of uranium and plutonium from the solution, which must be used for strongly acidic solutions of nitric acid, which leads to subsequent problems associated with the disposal of the resulting organic waste solutions.

Ниже приведенные примеры иллюстрируют растворяющую способность водных растворов нитрата или хлорного железа(III) по отношению к UO2, твердому раствору PuO2 в UO2 (МОКС-топливо), к диоксиду урана, содержащего цезий, стронций и технеций.The following examples illustrate the solubility of aqueous solutions of nitrate or ferric chloride (III) with respect to UO 2 , a solid solution of PuO 2 in UO 2 (MOX fuel), and uranium dioxide containing cesium, strontium and technetium.

Пример. 1Example. one

Порошкообразный образец диоксида урана (238+235UO2) предварительно прокаливали при 850°С в атмосфере аргона с 20% содержанием водорода в течение 8 часов. Эта процедура гарантировала получение кристаллической структуры UO2. Навески UO2 вносили в водные растворы хлорного железа (FeCl3×6H2O) или нитрата железа (Fe(NO3)3×9H2O) в центрифужных пробирках. Суспензии перемешивали и периодически контролировали содержание урана в растворе методом альфа-спектрометрии после разделения гетерогенных фаз центрифугированием. Результаты определения зависимости степени растворения UO2 от мольного отношения UO2 к FeCl3×6H20 или Fe(NO3)3×9H2O в их растворах с рН 1 представлены в таблице 1. Объем растворов 5 мл, навески UO2 практически одинаковы для всех случаев - 61,0±1,0 мг или 0,26 ммоля UO2 температура ~22°С, * - в процентах к взятой навеске.A powdered sample of uranium dioxide ( 238 + 235 UO 2 ) was preliminarily calcined at 850 ° C in an argon atmosphere with 20% hydrogen for 8 hours. This procedure guaranteed the preparation of the crystalline structure of UO 2 . Samples of UO 2 were added to aqueous solutions of ferric chloride (FeCl 3 × 6H 2 O) or iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O) in centrifuge tubes. The suspensions were mixed and the uranium content in the solution was periodically monitored by alpha spectrometry after separation of the heterogeneous phases by centrifugation. The results of determining the dependence of the degree of dissolution of UO 2 on the molar ratio of UO 2 to FeCl 3 × 6H 2 0 or Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O in their solutions with pH 1 are presented in Table 1. The volume of solutions is 5 ml, weighed portions of UO 2 are practically the same for all cases - 61.0 ± 1.0 mg or 0.26 mmole UO 2 temperature ~ 22 ° C, * - in percent of the sample taken.

Данные таблицы 1 показывают, что растворение UO2 проходит строго со стехиометрией реакцииThe data in table 1 show that the dissolution of UO 2 passes strictly with stoichiometry of the reaction

Figure 00000001
Figure 00000001

Поэтому достаточно иметь в растворе не более 10% избыточного количества FeCl3×6H2O или Fe(NO3)3×9H2O по отношению к их количествам, определяемых стехиометрией окислительно-восстановительной реакции (1) с UO2.Therefore, it is sufficient to have in the solution no more than 10% of an excess amount of FeCl 3 × 6H 2 O or Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O with respect to their amounts determined by stoichiometry of the redox reaction (1) with UO 2 .

Пример. 2Example. 2

Кинетика растворения 238+235UO2 в растворах FeCl3×6H2O и Fe(NO3)3×9H2O с рН ~1 при мольного отношения UO2 к FeCl3×6H2O и Fe(NO3)3×9H2O, равном 1:2,1 при ~22°С представлена на фиг.1. Объем растворов 1 мл, навески UO2 по 100,0+1,7 мг.Количество FeCl3×6H2O и Fe(NO3)3×9H2O в растворах равны соответственно 220 мг и 329 мг.The kinetics of dissolution of 238 + 235 UO 2 in solutions of FeCl 3 × 6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O with pH ~ 1 at a molar ratio of UO 2 to FeCl 3 × 6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O equal to 1: 2.1 at ~ 22 ° C is shown in Fig.1. The volume of solutions is 1 ml, weighed portions of UO 2 are 100.0 + 1.7 mg each. The amounts of FeCl 3 × 6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O in solutions are 220 mg and 329 mg, respectively.

Здесь же, для сравнения, представлена кинетика растворения диоксида урана в 6MHNO3+0,1MHF. Эту смесь кислот наиболее часто используют в препаративных целях для растворения оксидов актинидов.Here, for comparison, the kinetics of dissolution of uranium dioxide in 6MHNO 3 + 0.1MHF is presented. This mixture of acids is most often used for preparative purposes to dissolve actinide oxides.

Полученные данные, представленные на фиг.1, показывают, что растворение UO2 во всех типах растворов происходит почти с одинаковой скоростью. При этом, если в растворе смеси кислот 6MH NO3+0,1M HF достигается количественное растворение 100 мг UO2 за 3 часа, то за этот же промежуток времени тоже количество диоксида урана в 1 мл растворов нитрата или хлорида Fe(III) растворяется на 90%. По истечение 5 часов при встряхивании в перемешивающем устройстве «ЛАБ ПУ-02» диоксид урана в них растворяется полностью. Концентрация урана, полученная в растворах (100 мг/мл), вполне сравнима с концентрацией урана (300 мг/мл), достигаемой при растворении ОЯТ в технологических крепких азотнокислых растворах (6-8M HNO3, t=60-80°C).The data obtained, presented in figure 1, show that the dissolution of UO 2 in all types of solutions occurs at almost the same rate. Moreover, if in a solution of a mixture of acids 6MH NO 3 + 0.1M HF quantitative dissolution of 100 mg UO 2 is achieved in 3 hours, then over the same period of time, the same amount of uranium dioxide in 1 ml of solutions of nitrate or chloride of Fe (III) is dissolved in 90% After 5 hours, when shaking in a LAB PU-02 mixing device, uranium dioxide is completely dissolved in them. The uranium concentration obtained in solutions (100 mg / ml) is quite comparable with the uranium concentration (300 mg / ml) achieved by dissolving SNF in technological strong nitric acid solutions (6-8M HNO 3 , t = 60-80 ° C).

Пример. 3Example. 3

Навеску производственной таблетки топлива - твердого раствора PuO2 (4,6 вес.%) в UO2 (МОКС-топливо), размолотую до порошкообразного состояния, вносили в растворы хлорного железа или нитрата железа в центрифужных пробирках. Суспензии встряхивали в перемешивающем устройстве «ЛАБ ПУ-02». Растворы периодически контролировали на содержание 239Pu методом альфа-спектрометрии на спектрометре «Альфа-аналист» (фирма «Канбера») после разделения гетерогенных фаз центрифугированием. Состояние окисления плутония в растворах определяли спектрофотометрическим методом. Содержание урана после растворения образца МОКС-топлива находили также методом спектрофотометрии (спектрофотометре Unicam UV-340), так как при ~5% весовом содержании 239Pu в растворе достоверно определять 238-233U методом радиометрии затруднительно. Для этого аликвоту раствора обрабатывали амальгамой цинка и восстанавливали растворенный U(VI) до U(IV). Используя коэффициент молярной экстинкции для полосы поглощения U(IV) при 650 нм, равный 82 М-1×см-1, определяли концентрацию урана в растворе.A portion of the industrial fuel tablet — a solid solution of PuO 2 (4.6 wt.%) In UO 2 (MOX fuel), ground to a powder state, was introduced into solutions of ferric chloride or iron nitrate in centrifuge tubes. Suspensions were shaken in a LAB PU-02 mixing device. The solutions were periodically monitored for the content of 239 Pu by alpha spectrometry on an Alpha-Analist spectrometer (Kanbera firm) after separation of heterogeneous phases by centrifugation. The oxidation state of plutonium in solutions was determined by spectrophotometric method. The uranium content after dissolution of the MOX fuel sample was also found by spectrophotometry (Unicam UV-340 spectrophotometer), since it is difficult to reliably determine 238-233 U by radiometry at ~ 5% by weight of 239 Pu in the solution. For this, an aliquot of the solution was treated with zinc amalgam and the dissolved U (VI) was reduced to U (IV). Using the molar extinction coefficient for the absorption band of U (IV) at 650 nm, equal to 82 M -1 × cm -1 , the concentration of uranium in the solution was determined.

Результат растворения МОКС-топлива в растворах хлорида и нитрата железа с рН~ 1 представлен в таблице 2. Навески МОКС-топлива практически одинаковы для обоих случаев - 116,5±3,5 мг. Мольное отношения МОКС к FeCl3×6H20 (245 мг) и Fe(NO3)3×9H2O (366 мг) в растворах 1:2,1. Объем растворов 1 мл, температура ~22°С.The result of the dissolution of MOX fuel in solutions of chloride and iron nitrate with a pH of ~ 1 is presented in Table 2. Samples of MOX fuel are almost identical for both cases - 116.5 ± 3.5 mg The molar ratio of MOX to FeCl 3 × 6H 2 0 (245 mg) and Fe (NO 3) 3 × 9H 2 O (366 mg) in 1: 2.1 solutions. The volume of solutions is 1 ml, temperature ~ 22 ° С.

Таким образом, результаты, представленные в табл.2, показывают, что твердый раствор PuO2 (4,6 вес.%) в UO2 растворяется также как и чистый диоксид урана в растворах, содержащих нитрат или хлорид Fe(III).Thus, the results presented in Table 2 show that a solid solution of PuO 2 (4.6 wt.%) In UO 2 dissolves as well as pure uranium dioxide in solutions containing Fe (III) nitrate or chloride.

На фиг.2. представлен спектр раствора после растворения МОКС в нитрате железа. Как показывают спектрофотометрические измерения, уран переходит в раствор в виде UO22+, а плутоний восстанавливается до Pu(III) ионами Fe(II), образующимися при окислении U(IV) железом (III). В растворах хлорида Fe(III) получаются полностью аналогичные спектры U(IV) и Pu(III).In figure 2. The spectrum of the solution after dissolution of MOX in iron nitrate is presented. As spectrophotometric measurements show, uranium enters the solution in the form of UO 2 2+ , and plutonium is reduced to Pu (III) by Fe (II) ions formed during the oxidation of U (IV) by iron (III). In Fe (III) chloride solutions, completely similar spectra of U (IV) and Pu (III) are obtained.

Пример 4.Example 4

Растворение UO2, содержащего 99Тс в количестве 0,1 вес % от веса образца и диоксид урана, с цезием и стронцием, меченных 137Cs и 85Sr (имитаторы ПД), в количествах 0,1 и 1 вес.% соответственно проводили в условиях близких примерам 2 и 3. Навески UO2(Тс) 44,1 и 44,6 мг растворяли в 2,5 мл растворов, содержащих 100 мг FeCl3×6H2O и 140 мг Fe(NO3)3×9H2O соответственно. Навески UO2(Cs, Sr) 47,1 и 48,2 мг растворяли в 2,5 мл растворов, содержащих 99 мг FeCl3×6H2O и 151 мг Fe(NO3)3×9H2O соответственно. Мольное отношение UO2 к FeCl3×6H2O или к Fe(NO3)3×9H2O во всех случаях было близко 1 к 2,1. При растворении образцов диоксида урана с 99Тс в растворы нитрата и хлорида Fe перешло 20±2% Тс, а ~80±2% его количества осталось в виде нерастворенного черного осадка. Таким образом, при полном растворении UO2, содержащего технеций, уже на стадии растворения достигается отделение урана от основной массы 99Тс, в отличие от Пурекс-процесса, при котором на стадии экстрагирования урана и плутония из азотнокислого раствора, технеций вместе с ними переходит в органическую фазу (табл.3). Растворение в хлориде или нитрате Fe(III) диоксида урана, содержащего 137Cs и 85Sr, сопровождается их полным переходом в раствор вместе с ураном (табл.4).The dissolution of UO 2 containing 99 Tc in the amount of 0.1 wt% by weight of the sample and uranium dioxide, with cesium and strontium labeled 137 Cs and 85 Sr (PD simulators), in amounts of 0.1 and 1 wt.%, Respectively, was carried out in conditions similar to examples 2 and 3. Samples of UO 2 (Tc) 44.1 and 44.6 mg were dissolved in 2.5 ml of solutions containing 100 mg of FeCl 3 × 6H 2 O and 140 mg of Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O respectively. Samples of UO 2 (Cs, Sr) 47.1 and 48.2 mg were dissolved in 2.5 ml of solutions containing 99 mg of FeCl 3 × 6H 2 O and 151 mg of Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O, respectively. The molar ratio of UO 2 to FeCl 3 × 6H 2 O or to Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O in all cases was close to 1 to 2.1. Upon dissolution of samples of uranium dioxide with 99 Tc, 20 ± 2% Tc passed into solutions of nitrate and chloride of Fe, and ~ 80 ± 2% of its amount remained in the form of an undissolved black precipitate. Thus, with the complete dissolution of UO 2 containing technetium, the separation of uranium from the bulk of 99 Tc is achieved already at the dissolution stage, in contrast to the Purex process, in which at the stage of extraction of uranium and plutonium from a nitric acid solution, technetium passes organic phase (table 3). Dissolution of uranium dioxide containing 137 Cs and 85 Sr in chloride or nitrate of Fe (III) is accompanied by their complete transition to the solution together with uranium (Table 4).

Хлорно-кислые растворы (рН~1), полученные растворением в них диоксидов урана, содержащих 99Тс и 137Cs, 85Sr, могут быть использованы для выделения из них урана и отделения его от железа и продуктов деления методом пероксидного осаждения урана их этих растворов с получением перураната уранила.Chloric acid solutions (pH ~ 1) obtained by dissolving uranium dioxide containing 99 Tc and 137 Cs, 85 Sr in them can be used to separate uranium from it and separate it from iron and fission products by peroxide deposition of uranium from these solutions to obtain uranyl peruranate.

В дальнейшем к объединенному маточному раствору с железом и ПД можно применить сначала гидроксидное осаждение железа вместе с осколочными редкоземельными элементами, технецием и частично стронцием и отделение их от раствора. Затем из оставшегося раствора можно провести ферроцианидное осаждение цезия и остаточных количеств стронция. Положительные результаты исследований в этом направлении уже получены.In the future, to the combined mother liquor with iron and PD, you can first apply the hydroxide precipitation of iron together with fragmentation rare-earth elements, technetium and partially strontium and their separation from the solution. Then, ferrocyanide precipitation of cesium and strontium residues can be carried out from the remaining solution. Positive research results in this direction have already been obtained.

Таким образом, согласно предлагаемому изобретению разработан новый альтернативный подход к переработки ОЯТ, найдена новая мягкая радиационно устойчивая среда для растворения оксидного уранового и МОКС-топлива, растворение UO2 можно осуществить при комнатной температуре в водных слабокислых растворах FeCl3×6H2O или Fe(NO3)3×9H2O практически с той же эффективностью, как и в сильно кислой среде - 6M HNO3+0,1M HF, при этом твердый раствор PuO2 (4,6 вес.%) в UO2 (МОКС-топливо) растворяется так же, как и чистый диоксид урана в растворах, содержащих нитрат или хлорид Fe(III). При растворения МОКС-топлива уран и плутоний переходят в раствор соответственно в форме U(VI) и Pu(III).Thus, according to the invention, a new alternative approach to SNF reprocessing is developed, a new soft radiation-stable medium is found for dissolving oxide uranium and MOX fuel, UO 2 can be dissolved at room temperature in aqueous weakly acidic solutions of FeCl 3 × 6H 2 O or Fe ( NO 3 ) 3 × 9H 2 O with almost the same efficiency as in a strongly acidic medium - 6M HNO 3 + 0.1M HF, while a solid solution of PuO 2 (4.6 wt.%) In UO 2 (MOX- fuel) dissolves in the same way as pure uranium dioxide in solutions containing nitrate or chlorine Horde Fe (III). Upon dissolution of the MOX fuel, uranium and plutonium go into solution in the form of U (VI) and Pu (III), respectively.

Способ позволяет также проводить отделение основного количества технеция, остающегося в форме осадка.The method also allows the separation of the bulk of technetium remaining in the form of sediment.

Заявленный подход к растворению оксидов урана, некондиционного и отработавшего оксидного ядерного топлива и МОКС-топлива в растворе нитрата или хлорида Fe(III) дает предпосылки для разработки дальнейшей технологии переработки полученных растворов, включающей стадии:The claimed approach to the dissolution of uranium oxides, substandard and spent oxide nuclear fuel and MOX fuel in a solution of Fe (III) nitrate or chloride provides the prerequisites for the development of further processing technology for the resulting solutions, which includes the stages:

(1) отделения от технеция; (2) выделения из раствора перураната уранила (в присутствии Pu он будет выделяться вместе с ураном); (3) выделения из оставшегося раствора железа и продуктов деления для их иммобилизации в виде матриц, пригодных для долговременного экологически безопасного хранения. Описанные стадии практически не увеличивают объема раствора, полученного после растворения UO2, поэтому при таком подходе к переработке ОЯТ можно добиться существенного сокращения объемов радиоактивных отходов, характерных для Пурекс-процесса и снизить риски, возникающие в технологии Пурекс-процесса, что в конечном итоге позволяет достичь необходимых для дальнейшего развития атомной отрасли Российской Федерации.(1) separation from technetium; (2) the separation of uranyl peruranate from the solution (in the presence of Pu, it will be released together with uranium); (3) the allocation from the remaining solution of iron and fission products for their immobilization in the form of matrices suitable for long-term environmentally safe storage. The described stages practically do not increase the volume of the solution obtained after dissolving UO 2 , therefore, with this approach to SNF reprocessing, it is possible to achieve a significant reduction in the volumes of radioactive waste characteristic of the Purex process and reduce the risks that arise in the Purex process technology, which ultimately allows to achieve the necessary for the further development of the nuclear industry of the Russian Federation.

Таблица 1Table 1 Найдено в растворе урана в пересчете на UO2 Found in uranium solution in terms of UO 2 Мольное отношение UO2 к FeCl3×6H2O или Fe(NO3)3×9H2OThe molar ratio of UO 2 to FeCl 3 × 6H 2 O or Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O 1:0,51: 0.5 1:11: 1 1:21: 2 1:51: 5 мгmg % вес*% the weight* мгmg % вес*% the weight* мгmg % вес*% the weight* мгmg % вес*% the weight* 15fifteen 2525 2929th 4848 6161 100one hundred 6161 100one hundred

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (2)

1. Способ растворения некондиционного и/или отработавшего ядерного топлива, характеризующийся использованием в качестве растворителя водного раствора соли железа (III), при этом растворение ведут при рН 1,0-1,4 и мольном отношения топлива к соли железа, равном 1:2,1-2,5.1. A method of dissolving substandard and / or spent nuclear fuel, characterized by using an aqueous solution of an iron (III) salt as a solvent, the dissolution being carried out at a pH of 1.0-1.4 and a molar ratio of fuel to iron salt of 1: 2 1-2.5. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли железа используют хлорид или нитрат железа (III). 2. The method according to claim 1, characterized in that the iron salt is chloride or iron (III) nitrate.
RU2009125329/06A 2009-07-02 2009-07-02 Dissolution method of off-grade and/or spent fuel RU2400846C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125329/06A RU2400846C1 (en) 2009-07-02 2009-07-02 Dissolution method of off-grade and/or spent fuel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125329/06A RU2400846C1 (en) 2009-07-02 2009-07-02 Dissolution method of off-grade and/or spent fuel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2400846C1 true RU2400846C1 (en) 2010-09-27

Family

ID=42940511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009125329/06A RU2400846C1 (en) 2009-07-02 2009-07-02 Dissolution method of off-grade and/or spent fuel

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2400846C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
«The Chemistry of the Actinide and Transactinide Element» Third Edition, Edited by Lester R. Morss, Norman M. Edelstein and Jean Fuger 2006, Springer p.841-844. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Swain et al. Separation and recovery of ruthenium: a review
Vandegrift et al. Designing and demonstration of the UREX+ process using spent nuclear fuel
US8747790B2 (en) Advanced dry head-end reprocessing of light water reactor spent nuclear fuel
EP0216473A1 (en) Extraction of cesium and strontium from nuclear waste
US8636966B2 (en) Compositions and methods for treating nuclear fuel
Kanekar et al. Comparative extraction efficiencies of tri-n-butyl phosphate and N, N-dihexyloctanamide for uranium recovery using supercritical CO 2
Takahashi et al. Extraction behavior of Sr (II) from high-level liquid waste using ionic liquid extraction system with DtBuCH18C6
Trofimov et al. Dissolution and extraction of actinide oxides in supercritical carbon dioxide containing the complex of tri-n-butylphosphate with nitric acid
RU2400846C1 (en) Dissolution method of off-grade and/or spent fuel
Tomiyasu et al. Environmentally acceptable nuclear fuel cycle development of a new reprocessing system
Frankiv et al. Purification of uranium (VI) from impurities of fission product surrogates by solvent extraction in the CARBEX process
CN114927253A (en) Method for dissolving uranium oxide or spent fuel oxide by carbonate solution
Chervyakov et al. Oxidative dissolution of triuranium octoxide in carbonate solutions
Kulyako et al. New approaches to reprocessing of oxide nuclear fuel
WO2003038836A2 (en) Process for controlling valence states
Kobayashi et al. Fluorex reprocessing system for the thermal reactors cycle and future thermal/fast reactors (coexistence) cycle
Law et al. Development of cesium and strontium separation and immobilization technologies in support of an advanced nuclear fuel cycle
JP5065163B2 (en) Method for recycling uranium from spent nuclear fuel
Belyaev Technological problems of platinum metals in nuclear fuel waste disposal
Jayabun et al. Analytical application of ionic liquid in determination of trace metallic constituents in U matrix by ICP-OES: A'green'approach for drastic reduction in organic waste burden and time of analysis
JP6515369B1 (en) Insoluble residue treatment process
DelCul et al. Advanced head-end for the treatment of used LWR fuel
Sivakumar et al. Modified TTA method for the determination of plutonium
RU2560119C1 (en) Waste nuclear fuel processing method
Kulyako et al. Dissolution of U, Np, Pu, and Am oxides and their mixtures in tributyl phosphate saturated with HNO 3