RU2450373C2 - Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава - Google Patents
Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2450373C2 RU2450373C2 RU2008128268/07A RU2008128268A RU2450373C2 RU 2450373 C2 RU2450373 C2 RU 2450373C2 RU 2008128268/07 A RU2008128268/07 A RU 2008128268/07A RU 2008128268 A RU2008128268 A RU 2008128268A RU 2450373 C2 RU2450373 C2 RU 2450373C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nuclear fuel
- uranium
- reactor core
- fast neutron
- neutron reactors
- Prior art date
Links
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 title abstract description 7
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 12
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims abstract description 6
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 claims abstract description 6
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- HPICRATUQFHULE-UHFFFAOYSA-J uranium(4+);tetrachloride Chemical compound Cl[U](Cl)(Cl)Cl HPICRATUQFHULE-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 150000002739 metals Chemical group 0.000 claims description 6
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- HQMIBHMHKRSUCY-UHFFFAOYSA-N [C].[U] Chemical compound [C].[U] HQMIBHMHKRSUCY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 abstract description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003245 coal Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229960004424 carbon dioxide Drugs 0.000 description 3
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- JAMCHBVFQFUXMC-UHFFFAOYSA-N [O-2].[U+6].N#[N+][O-].[O-2].[O-2] Chemical compound [O-2].[U+6].N#[N+][O-].[O-2].[O-2] JAMCHBVFQFUXMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001514 alkali metal chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- ZVGPSOWSRFDANM-UHFFFAOYSA-I [Cl-].[K+].[Cl-].[Cl-].[Cl-].[Cl-].[U+6] Chemical compound [Cl-].[K+].[Cl-].[Cl-].[Cl-].[Cl-].[U+6] ZVGPSOWSRFDANM-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- FJNQSTUXQFLBIS-UHFFFAOYSA-H [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[U+6] Chemical class [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[U+6] FJNQSTUXQFLBIS-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);uranium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[U+4] OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N uranium dioxide Inorganic materials O=[U]=O FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к одной из концепций создания последующих поколений энергетических ядерных реакторов на быстрых нейтронах с ядерным топливом (ЯТ) в активной зоне (AЗ) из расплавленных урансодержащих хлоридов. Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава (мол. 1:1); KCl-UCl4. В исходный расплав хлорида калия при 800°С вводят тетрахлорид урана анодным растворением оксидно-угольных электродов урана (UO2+C), содержащих 20-процентный избыток углерода, требуемого по электродной реакции: UO2+C-4e=U4++CO2. Изобретение позволяет получать нужные составы хлоридного ядерного топлива, не содержащего кислорода, из простого, самого доступного из оксидов - октаоксида триурана. 2 з.п. ф-лы.
Description
Область применения
Создание технологии эффективного синтеза хлоридных систем, предназначенных для использования в качестве ядерного топлива (ЯТ) в энергетических реакторах на быстрых нейтронах (РБН), исключающей попадание кислорода, влаги и позволяющей точно регулировать соотношение компонентов ЯТ. Одним из исходных ЯТ в РБН может служить эквимолярная солевая система KCl-UCl4.
Уровень техники
Обычно для синтеза нужной солевой системы сначала получают индивидуальные хлориды, а затем их сплавляют в необходимых соотношениях по известным способам хлорной металлургии. Однако получение компонентов - хлоридов редких металлов, легко поддающихся окислению и гидролизу (в частности, тетрахлорида урана) связано с риском загрязнения оксихлоридами, особенно на стадии извлечения хлоридов из конденсаторов после очистки хлоридов дистилляцией. Способом очистки путем возгонки хлоридов с последующей конденсацией при строгих требованиях к содержанию кислорода лучше не пользоваться. Исключение можно сделать лишь известным способам непосредственного получения нужных систем путем совмещения операции конденсации паров одного из компонентов со сплавлением до жидкого состояния с другими.
Для достижения поставленной цели - синтеза солевого ЯТ можно использовать достаточно изученное явление анодного растворения металлов (сплавов) в расплавленных хлоридных электролитах. Для этого нужны чистые металлы.
Чтобы избежать сложных и трудоемких процессов получения и рафинирования необходимых металлов, следует воспользоваться исследованным нами процессом анодного растворения оксидно-угольных электродов. Они, подобно металлическим, посылают в расплав ионы соответствующих металлов. В статьях: «Электролиз расплавленных хлоридов щелочных металлов с анодами из тесной смеси двуокиси урана и углерода» и «Поляризация окисно-угольных анодов урана в расплавах хлоридов щелочных металлов»(И.Ф.Ничков, С.П.Распопин, М.В.Смирнов, Сборник трудов института электрохимии Уральского филиала АН ССР «Электрохимия расплавленных солевых и твердых электролитов», 1961, вып.2, стр.85 и 91) определена электродная реакция: UO2+С-4е=U4++СО2 и последствия поляризации окисно - угольного анода при электролизе. Опытным путем был определен электрохимический эквивалент перехода в солевую фазу урана - 2,22 г/Ачас, практически совпадающий с рассчитанным теоретически.
Приведенные работы служат прототипом предлагаемого изобретения.
Технический результат изобретения
Способ открывает возможность получать нужные составы хлоридного ЯТ, не содержащего кислорода, из простого, самого доступного из оксидов - октаоксида триурана U3O8.
Раскрытие изобретения
Исходный оксид U3O8 смешивают с расчетным количеством углеродсодержащего материала: нефтяного пека(кокса) или крахмала (сахара). Выход углерода при пиролизе выбранного компонента должен обеспечить восстановление исходного оксида до диоксида - UO2 плюс необходимое по электродной реакции анодного растворения с избытком 20%.
Для тонкого смешения этих компонентов их заливают четыреххлористым углеродом и размалывают не менее двух часов в шаровой или стержневой мельнице. Полученную массу сушат, измельчают до размера частиц минус 100 мкм, прессуют под давлением 2 тонны/см2 в пластины толщиной не более двух см и обжигают без доступа кислорода при температуре 900°С.
Готовые нужных размеров оксидно-угольные электроды укрепляют на графитовых токоподводах с помощью графитовых же болтов. Полученные аноды устанавливают в электролизную ванну, защищенную от попадания воздуха. Исходный электролит - расплавленный KCl с температурой 800°С.
Анодную плотность тока регулируют, чтобы она не превышала 0,2 А/см2. Катоды - трубки из пористого графита, омываемые сухим хлором, который необходим для катодного восстановления элементарного хлора:
Cl2+2е=2Cl- (предельный ток ее довольно низкий) и хлорирования выделяющихся на них металлов:
K+1/2Cl2=K++Cl-
U+2Cl2=U4++4Cl-
т.е. возврата хлоридов в электролит - в получаемое ЯТ.
Содержание вводимого тетрахлорида урана в хлорид калия строго связано с количеством пропускаемого электричества, Этим достигается точность заданного соотношения хлоридов калия и урана в ЯТ: KCl/UCl4=1/1 (мол.). Этот состав близок к эвтектическому (51 мол. % UCl4) с tплавл=3340°С.
Допустимо растворение урана до 80% от содержащегося в анодах. После этого выработанные аноды извлекают из ванны, дают остыть; отмывают водой пропитывающий их электролит; из промывных вод осаждают гидроксиды урана и прокаливают, получая оборотную закись - окись урана для повторного приготовления анодов. Отмытые аноды сушат и прокаливают до закиси - окиси урана, также возвращаемой на операцию получения оксидно-угольных анодов.
Получаемый эквимолярный расплав хлорид калия - тетрахлорид урана предлагается использовать в качестве исходного ядерного топлива активной зоны реакторов на быстрых нейтронах. Предварительные расчеты показали, что при 550°С его плотность ρ=3,65 г/см3. С двадцатипроцентным обогащением по U235 и с экраном из диоксида U238 толщиной 50 см критические условия достигаются при цилиндрической конфигурации жидкого ЯТ с высотой столба и диаметром, равными 2,26 м. Общий коффициент воспроизводства Pu239 может достичь около 1,10. Это значит, что возможно получать делящегося «оружейного» Pu примерно на десять процентов больше, чем «выгорело» U235.
Claims (3)
1. Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава (мол. 1:1) KСl-UCl4, отличающийся тем, что в исходный расплав хлорида калия при 800°С вводят тетрахлорид урана анодным растворением оксидно-угольных электродов урана (UO2+С), содержащих 20%-ный избыток углерода, требуемого по электродной реакции UO2+C-4e=U4++CO2.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что строго дозируют переход урана в получаемое ядерное топливо количеством пропускаемого электричества из расчета 2,22 г урана/(А·ч).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение металлов на катоде предотвращается подачей на него газообразного хлора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008128268/07A RU2450373C2 (ru) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008128268/07A RU2450373C2 (ru) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008128268A RU2008128268A (ru) | 2010-01-20 |
| RU2450373C2 true RU2450373C2 (ru) | 2012-05-10 |
Family
ID=42120284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008128268/07A RU2450373C2 (ru) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2450373C2 (ru) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1746827A1 (ru) * | 1991-01-09 | 1997-02-10 | Научно-исследовательский институт атомных реакторов им.В.И.Ленина | Способ переработки облученного уран-плутониевого топлива |
| RU2183867C2 (ru) * | 2000-08-09 | 2002-06-20 | Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов | Способ переработки металлического сплава плутония в смешанное оксидное уран-плутониевое топливо |
-
2008
- 2008-07-10 RU RU2008128268/07A patent/RU2450373C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1746827A1 (ru) * | 1991-01-09 | 1997-02-10 | Научно-исследовательский институт атомных реакторов им.В.И.Ленина | Способ переработки облученного уран-плутониевого топлива |
| RU2183867C2 (ru) * | 2000-08-09 | 2002-06-20 | Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов | Способ переработки металлического сплава плутония в смешанное оксидное уран-плутониевое топливо |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СМИРНОВ М.В. Сборник трудов института электрохимии Уральского филиала АН СССР «Электрохимия расплавленных солевых и твердых электролитов». - 1961, вып.2, с.85, 91. СТОЛЕР С. и др. Переработка ядерного горючего. - М.: Атомиздат, 1964, с.67-70. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008128268A (ru) | 2010-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Serp et al. | Separation of plutonium from lanthanum by electrolysis in LiCl–KCl onto molten bismuth electrode | |
| Sakamura et al. | Electrolytic reduction and electrorefining of uranium to develop pyrochemical reprocessing of oxide fuels | |
| Seo et al. | Electrochemical study on the reduction mechanism of uranium oxide in a LiCl-Li2O molten salt | |
| Sakamura et al. | Application of electrochemical reduction to produce metal fuel material from actinide oxides | |
| RU2603844C1 (ru) | Способ переработки нитридного отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах | |
| Park et al. | Electrolytic reduction of a simulated oxide spent fuel and the fates of representative elements in a Li2O-LiCl molten salt | |
| Vishnu et al. | Mechanism of direct electrochemical reduction of solid UO2 to uranium metal in CaCl2-48mol% NaCl melt | |
| Joseph et al. | A study of graphite as anode in the electro-deoxidation of solid UO2 in LiCl-Li2O melt | |
| Shishkin et al. | Electrochemical reduction of uranium dioxide in LiCl–Li2O melt | |
| US9562297B2 (en) | Galvanic cell for processing of used nuclear fuel | |
| Park et al. | Electrolytic reduction of spent oxide fuel in a molten LiCl-Li2O system | |
| Gibilaro et al. | Direct electrochemical reduction of solid uranium oxide in molten fluoride salts | |
| KR101185836B1 (ko) | 금속산화물로부터 금속을 제조하기 위한 전해환원공정 | |
| Abdulaziz et al. | Electrochemical reduction of UO2 to U in LiCl-KCl molten salt eutectic using the fluidized cathode process | |
| RU2450373C2 (ru) | Способ синтеза ядерного топлива для энергетических реакторов на быстрых нейтронах с активной зоной из солевого расплава | |
| KR102431073B1 (ko) | 염 용해물에서 폐질화물 핵연료를 재처리하는 방법 | |
| Mukherjee et al. | Studies on direct electrochemical de-oxidation of solid ThO2 in calcium chloride based melts | |
| RU2079909C1 (ru) | Способ пирохимической регенерации ядерного топлива | |
| Wu et al. | Preparation of Pb-Ca Master Alloy by Molten Salt Electrolysis | |
| JP6621909B2 (ja) | ジルコニウム合金燃料を直接得るための使用済み核燃料の乾式再処理方法 | |
| KR20020077352A (ko) | 악티나이드 생성방법 | |
| CN104131312A (zh) | 一种低共熔溶剂原位还原氧化铅制取铅的方法 | |
| RU2497979C1 (ru) | Способ получения металлического урана | |
| Mohandas et al. | Feasibility study of electrochemical conversion of solid ZrO2 to Zr metal in LiCl-(0-1 wt%) Li2O melts with graphite and platinum anodes | |
| KR101723553B1 (ko) | 금속산화물의 전해환원 장치 및 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130711 |