RU2499306C1 - Method of cleaning irradiated nuclear fuel - Google Patents

Method of cleaning irradiated nuclear fuel Download PDF

Info

Publication number
RU2499306C1
RU2499306C1 RU2012120148/07A RU2012120148A RU2499306C1 RU 2499306 C1 RU2499306 C1 RU 2499306C1 RU 2012120148/07 A RU2012120148/07 A RU 2012120148/07A RU 2012120148 A RU2012120148 A RU 2012120148A RU 2499306 C1 RU2499306 C1 RU 2499306C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
electropositive
molybdenum
fission products
uranium
Prior art date
Application number
RU2012120148/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012120148A (en
Inventor
Владимир Анатольевич Волкович
Борис Дмитриевич Васин
Дмитрий Сергеевич Мальцев
Денис Евгеньевич Александров
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2012120148/07A priority Critical patent/RU2499306C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2012120148A publication Critical patent/RU2012120148A/en
Publication of RU2499306C1 publication Critical patent/RU2499306C1/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

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: separation of electropositive fission products from fission of alkali metal chlorides is carried out by chemically reducing the electropositive fission products on molybdenum metal. Separation of a portion of the electropositive fission products (zirconium and niobium) is carried out based on an exchange mechanism to form zirconium and niobium dioxides. Molten molybdenum is removed in form of molybdenum pentachloride by bubbling chlorine gas through the salt melt.
EFFECT: invention provides high percentage of extraction of electropositive fission products, a simple apparatus scheme, cheap process of treating nuclear fuel.
2 cl

Description

Настоящее изобретение относится к области создания неводных методов переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ), наиболее перспективными из которых являются пироэлектрохимические процессы, осуществляемые в расплавленных смесях хлористых солей. Технология селекции компонентов ОЯТ во многом зависит от типа топлива (оксидное, металлическое, нитридное) и способа его растворения в солевых расплавах на основе различных смесей хлоридов лития, натрия и калия. Так используемое практически во всех энергетических ядерных реакторах оксидное топливо растворяют, как правило, посредством хлорирования газообразным хлором, получая в результате исходный технологический расплав состава: растворитель + UO2Cl2(UCl4) + PuCl3(PuCl4) + хлориды продуктов деления (ПД) и трансплутониевых элементов (ТПЭ). Одной из важнейших технологических задач является извлечение из таких расплавов электроположительных продуктов деления (рутения, родия, палладия, ниобия, циркония) с целью очистки от них урана и плутония и получения на последующих технологических операциях качественного уран-плутониевого продукта.The present invention relates to the field of creating non-aqueous methods for processing irradiated nuclear fuel (SNF), the most promising of which are pyroelectrochemical processes carried out in molten mixtures of chloride salts. The technology for selecting components of SNF largely depends on the type of fuel (oxide, metal, nitride) and the method of its dissolution in salt melts based on various mixtures of lithium, sodium and potassium chlorides. So the oxide fuel used in almost all nuclear power reactors is dissolved, as a rule, by chlorination with gaseous chlorine, resulting in the initial technological melt composition: solvent + UO 2 Cl 2 (UCl 4 ) + PuCl 3 (PuCl 4 ) + chlorides of fission products ( PD) and transplutonium elements (TPE). One of the most important technological problems is the extraction of electropositive fission products (ruthenium, rhodium, palladium, niobium, zirconium) from such melts in order to purify uranium and plutonium from them and to obtain a high-quality uranium-plutonium product in subsequent technological operations.

Анализ уровня техники в данной области свидетельствует о наличии разных способов извлечения электроположительных ПД (Ru, Rh, Pd, Nb. Zr) из хлоридных урансодержащих расплавов, например:An analysis of the prior art in this field indicates the existence of different methods for the extraction of electropositive PD (Ru, Rh, Pd, Nb. Zr) from uranium chloride melts, for example:

1. Васин Б.Д., Иванов В.А., Распопин С.П. О взаимодействии сплавов на основе цинка с уран- и цирконийсодержащими хлоридными расплавами. - Расплавы, 1997, №2, с.47-50.1. Vasin B.D., Ivanov V.A., Raspopin S.P. On the interaction of zinc-based alloys with uranium and zirconium-containing chloride melts. - Melts, 1997, No. 2, p. 47-50.

Показана возможность достаточно глубокого избирательного извлечения циркония (до остаточных концентраций, составляющих тысячные доли масс %) из расплава (Na-K)Clэкв+UCl3+ZrCl4 в жидкий сплав на основе цинка (Zn-U). Достигнутые коэффициенты разделения урана и наиболее близкого к нему по электрохимическим свойствам циркония составляют порядка 103. Существенным недостатком при переработке оксидного топлива является необходимость предварительного перевода U(VI) в U(III), что зачастую усложняет технологическую схему.The possibility of a sufficiently deep selective extraction of zirconium (up to residual concentrations of thousandths of a mass%) from a melt of (Na-K) Cl equiv + UCl 3 + ZrCl 4 into a liquid alloy based on zinc (Zn-U) is shown. The achieved separation coefficients of uranium and zirconium closest to it in terms of electrochemical properties are about 10 3 . A significant drawback in the processing of oxide fuel is the need for preliminary conversion of U (VI) to U (III), which often complicates the technological scheme.

2. Бычков А.В., Вавилов С.К., Скиба О.В. Пироэлектрохимическая переработка облученного уран-плутониевого оксидноо топлива для реакторов на быстрых нейтронах. - Сб. трудов ГНЦ НИИАР «Замкнутый топливный цикл: пироэлектрохимия, технология виброуплотнения, ТВЭЛы». Димитровград, 1994, вып.1, с.13-20.2. Bychkov A.V., Vavilov S.K., Skiba O.V. Pyroelectrochemical processing of irradiated uranium-plutonium oxide fuel for fast neutron reactors. - Sat Proceedings of SSC RIAR “Closed fuel cycle: pyroelectrochemistry, technology of vibration compaction, fuel elements”. Dimitrovgrad, 1994, issue 1, pp. 13-20.

Показана возможность очистки урана и плутония от Ru, Rh, Pd, Nb, Zr за счет их извлечения из оксигалогенидных систем, получаемых после растворения отработавшего оксидного топлива его хлорированием. При этом на катоде совместно с диоксидом урана электрохимически выделяются металлические Ru, Rh, Pd. Одновременно в катодный осадок диоксида урана переходят химическим путем (по обменным реакциям) оксиды ниобия и циркония. Существенным недостатком данного метода является сложная система управления процессом электролиза с выделением на катоде большого (25%) количества урана в виде диоксида.The possibility of purifying uranium and plutonium from Ru, Rh, Pd, Nb, Zr due to their extraction from oxyhalide systems obtained after dissolving spent oxide fuel by chlorination is shown. At the same time, metallic Ru, Rh, Pd are electrochemically released at the cathode together with uranium dioxide. At the same time, niobium and zirconium oxides are transferred chemically (via exchange reactions) to the cathode deposit of uranium dioxide. A significant drawback of this method is the complex control system for the electrolysis process with the release of a large (25%) amount of uranium in the form of dioxide at the cathode.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, является способ очистки ядерного топлива на основе диоксида урана (GP patent №1084340 «Process for the Purification of Nuclear Fuels»), растворенного в расплаве хлоридов щелочных. В качестве восстанавливающего агента используется газообразный водород при низкой скорости его подачи в расплав. Осаждение диоксида урана проводят в две или более стадии. На первой стадии в виде диоксида осаждается около 1% урана, при этом продукт осаждения также содержит электроположительные продукты деления. Таким образом проходит очистка оставшегося в расплаве урана от Ru, Rh, Pd, Nb, Zr.Closest to the claimed technical solution is a method for purifying nuclear fuel based on uranium dioxide (GP patent No. 1084340 "Process for the Purification of Nuclear Fuels") dissolved in a melt of alkali chlorides. Hydrogen gas is used as a reducing agent at a low feed rate to the melt. The precipitation of uranium dioxide is carried out in two or more stages. At the first stage, about 1% of uranium precipitates in the form of dioxide, while the precipitation product also contains electropositive fission products. Thus, the remaining uranium in the melt is purified from Ru, Rh, Pd, Nb, Zr.

Основными недостатками данного метода является применение газообразного водорода, который в смеси с кислородом воздуха может давать взрывоопасную смесь, всвязи с чем возникает необходимость соблюдения определенных мер безопасности.The main disadvantages of this method is the use of gaseous hydrogen, which, when mixed with atmospheric oxygen, can produce an explosive mixture, which makes it necessary to comply with certain safety measures.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа очистки облученного ядерного топлива в хлоридных расплавах, содержащих продукты растворения оксидного топлива посредством хлорирования, путем поэтапного извлечения электроположительных продуктов деления, отличающийся тем, что извлечение электроположительных продуктов деления осуществляют путем погружения в расплав пластины металлического молибдена и ее выдержки в контакте с расплавом в течение 2-5 часов, с последующей очисткой расплава от растворившегося молибдена.The problem to which the claimed invention is directed, is to create a method for cleaning irradiated nuclear fuel in chloride melts containing products of dissolution of oxide fuel by chlorination, by phased extraction of electropositive fission products, characterized in that the extraction of electropositive fission products is carried out by immersion in a plate melt metal molybdenum and its exposure in contact with the melt for 2-5 hours, followed by purification of the melt from dissolved molybdenum.

Сущность предлагаемого способа состоит в контактировании технологического расплава на основе хлоридов щелочных металлов, содержащего продукты растворения облученного оксидного топлива посредством хлорирования, с металлическим молибденом, погруженным в расплав в виде пластины. Металлический молибден восстанавливает часть урана(VI) до UO2, совместно с этим происходит восстановление ионов рутения(III), родия(III) и палладия (II) до металлического состояния. Ниобий и цирконий, имеющие очень высокое сродство к кислороду, переходят в твердую фазу чисто химическим путем по обменной реакции с UO2 в виде оксидных соединений.The essence of the proposed method consists in contacting a technological melt based on alkali metal chlorides containing the products of dissolution of irradiated oxide fuel by chlorination with metallic molybdenum immersed in a melt in the form of a plate. Metallic molybdenum reduces part of uranium (VI) to UO 2 , and together with this, ions of ruthenium (III), rhodium (III) and palladium (II) are reduced to a metallic state. Niobium and zirconium, which have a very high affinity for oxygen, pass into the solid phase by a purely chemical process through the exchange reaction with UO 2 in the form of oxide compounds.

Образующийся в расплаве в ходе окислительно-восстановительных реакций молибден(III) удаляется за счет перевода его в летучее соединение молибдена ( M o C l 6

Figure 00000001
) при обработке расплава хлором.Molybdenum (III) formed in the melt during oxidation-reduction reactions is removed by converting it into a volatile molybdenum compound ( M o C l 6 -
Figure 00000001
) when processing the melt with chlorine.

Итогом этих операций является очистка делящихся материалов (урана и плутония), находящихся в расплаве, от электроположительных ПД.The result of these operations is the purification of fissile materials (uranium and plutonium) in the melt from electropositive PD.

ПримерExample

Взят расплав на основе эвтектической смеси хлоридов натрия и цезия (NaCl-2CsCl), содержащий ионы циркония, ниобия и палладия в различном соотношении при температуре 550°C. Палладий был выбран как самый электроотрицательный элемент из группы платиновых металлов.A melt based on a eutectic mixture of sodium and cesium chlorides (NaCl-2CsCl) containing zirconium, niobium, and palladium ions in various proportions at a temperature of 550 ° C was taken. Palladium was chosen as the most electronegative element from the group of platinum metals.

В ходе проведения экспериментов масса молибденовой пластинки, введенной в расплав, уменьшалась, и на ней образовывался осадок. Качественный анализ осадка, выполненный на рентгенофлуоресцентном спектрометре, показал наличие в нем, помимо молибдена подложки, урана, циркония, ниобия и палладия. Выделившаяся на молибдене твердая фаза, по всей видимости, представляет собой металлический палладий и оксиды урана, ниобия и циркония.During the experiments, the mass of the molybdenum plate introduced into the melt decreased, and a precipitate formed on it. Qualitative analysis of the precipitate, performed on an X-ray fluorescence spectrometer, showed the presence of a substrate, in addition to molybdenum, uranium, zirconium, niobium and palladium in it. The solid phase precipitated on molybdenum, most likely, consists of metallic palladium and oxides of uranium, niobium and zirconium.

В таблице приведены результаты проведенных экспериментов, в частности, данные о начальных и конечных концентрациях в солевой фазе урана и имитаторов ПД (Pd, Nb, Zr), а также время контакта расплава с металлическим молибденом.The table shows the results of the experiments, in particular, data on the initial and final concentrations in the salt phase of uranium and PD simulators (Pd, Nb, Zr), as well as the contact time of the melt with metal molybdenum.

Figure 00000002
Figure 00000002

В ходе протекающих реакций в расплаве образуется Мо(III) в виде хлоридного комплекса M o C l 6 3

Figure 00000003
, который можно удалить, барботируя через расплав газообразный хлор. После 90 мин барботирования хлором молибден полностью удаляется из расплава в виде летучего соединения MoCl5 (частично сконденсировавшегося в верхней холодной части ячейки). Далее расплав в течение 5 минут вакуумируется для удаления растворенного хлора из расплава. Результаты химического анализа замороженного образца расплава свидетельствуют об отсутствии в нем молибдена.During the ongoing reactions, Mo (III) is formed in the melt in the form of a chloride complex M o C l 6 3 -
Figure 00000003
which can be removed by bubbling gaseous chlorine through the melt. After 90 minutes of bubbling with chlorine, molybdenum is completely removed from the melt in the form of the volatile compound MoCl 5 (partially condensed in the upper cold part of the cell). Next, the melt is evacuated for 5 minutes to remove dissolved chlorine from the melt. The results of chemical analysis of the frozen melt sample indicate the absence of molybdenum in it.

Таким образом, как видно из таблицы, существует принципиальная возможность достаточно глубокой очистки технологических хлоридных расплавов, поступающих со стадии растворения ОЯТ от электроположительных ПД при различном начальном соотношении компонентов в одну стадию.Thus, as can be seen from the table, there is a fundamental possibility of a fairly deep purification of technological chloride melts coming from the stage of SNF dissolution from electropositive PDs at different initial component ratios in one stage.

Claims (2)

1. Способ очистки облученного ядерного топлива в хлоридных расплавах, содержащих продукты растворения оксидного топлива посредством хлорирования, путем поэтапного извлечения электроположительных продуктов деления, отличающийся тем, что извлечение электроположительных продуктов деления осуществляют путем погружения в расплав пластины металлического молибдена и ее выдержки в контакте с расплавом в течение 2-5 ч, с последующей очисткой расплава от растворившегося молибдена.1. The method of purification of irradiated nuclear fuel in chloride melts containing products of dissolution of oxide fuel by chlorination, by phased extraction of electropositive fission products, characterized in that the extraction of electropositive fission products is carried out by immersing a plate of metallic molybdenum in the melt and holding it in contact with the melt in for 2-5 hours, followed by purification of the melt from dissolved molybdenum. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворившийся в расплаве молибден удаляют путем продувки расплава газообразным хлором. 2. The method according to claim 1, characterized in that the molybdenum dissolved in the melt is removed by purging the melt with gaseous chlorine.
RU2012120148/07A 2012-05-15 2012-05-15 Method of cleaning irradiated nuclear fuel RU2499306C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120148/07A RU2499306C1 (en) 2012-05-15 2012-05-15 Method of cleaning irradiated nuclear fuel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012120148/07A RU2499306C1 (en) 2012-05-15 2012-05-15 Method of cleaning irradiated nuclear fuel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012120148A RU2012120148A (en) 2013-11-20
RU2499306C1 true RU2499306C1 (en) 2013-11-20

Family

ID=49555241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012120148/07A RU2499306C1 (en) 2012-05-15 2012-05-15 Method of cleaning irradiated nuclear fuel

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2499306C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2732740C1 (en) * 2017-12-29 2020-09-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of processing spent nuclear fuel nitride in salt melts

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2603844C1 (en) * 2015-10-01 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of nitride spent nuclear fuel recycling in salt melts

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA768062A (en) * 1967-09-26 European Atomic Energy Community (Euratom) Process for the purification of nuclear fuels
US4891192A (en) * 1987-09-01 1990-01-02 Uranium Pechiney Process for the purification of traces of radioactive elements generated during the storage of uranium resulting from the reprocessing of irradiated nuclear fuels
SU1746827A1 (en) * 1991-01-09 1997-02-10 Научно-исследовательский институт атомных реакторов им.В.И.Ленина Uranium-plutonium nuclear fuel regenerating method
RU2227396C1 (en) * 2002-09-12 2004-04-27 Всероссийский научно-исследовательский институт биологической защиты растений Method for postharvest treatment of grain before laying for storage

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA768062A (en) * 1967-09-26 European Atomic Energy Community (Euratom) Process for the purification of nuclear fuels
US4891192A (en) * 1987-09-01 1990-01-02 Uranium Pechiney Process for the purification of traces of radioactive elements generated during the storage of uranium resulting from the reprocessing of irradiated nuclear fuels
SU1746827A1 (en) * 1991-01-09 1997-02-10 Научно-исследовательский институт атомных реакторов им.В.И.Ленина Uranium-plutonium nuclear fuel regenerating method
RU2227396C1 (en) * 2002-09-12 2004-04-27 Всероссийский научно-исследовательский институт биологической защиты растений Method for postharvest treatment of grain before laying for storage

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2732740C1 (en) * 2017-12-29 2020-09-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of processing spent nuclear fuel nitride in salt melts

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012120148A (en) 2013-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2603844C1 (en) Method of nitride spent nuclear fuel recycling in salt melts
JP2016507008A (en) Room temperature electrodeposition of actinides from ionic liquids
JP2008134096A (en) Reductor and lithium reclamation electrolysis device of spent oxide nuclear fuel
RU2499306C1 (en) Method of cleaning irradiated nuclear fuel
US9631290B2 (en) Room temperature electrodeposition of actinides from ionic solutions
Jang et al. Synthetic diversity in the preparation of metallic uranium
EP1240647B1 (en) Actinide production
EP1393324B1 (en) Actinide production
Sakamura Determination of E–pO2− diagram for lanthanum in LiCl melt at 923 K
Jeong et al. An experimental study on an electrochemical reduction of an oxide mixture in the advanced spent-fuel conditioning process
Zuo et al. Evaluation of noble metals as reactive electrodes for separation of lanthanides from molten LiF-BeF 2
US20130087464A1 (en) Room temperature electrodeposition of actinides from ionic solutions
EP1570114B1 (en) Separation of metals
Aihara et al. Characterization of the insoluble sludge from the dissolution of irradiated fast breeder reactor fuel
JPWO2004036595A1 (en) Light water reactor spent fuel reprocessing method and apparatus
JP2005315790A (en) Reprocessing method for spent oxide fuel
Park et al. Behavior of diffusing elements from an integrated cathode of an electrochemical reduction process
WO2011144937A1 (en) Novel reprocessing method
Zavarzin et al. Electrochemical properties and dissolution of UPd 3 in nitric acid solutions
González Voltammetric Analysis of Moisture-Induced Impurities in LiCl-Li2O Used for Direct Electrolytic Reduction of UO2 and Demonstration of Purification Process
Mikheeva et al. Solid Solutions in NaOH-NaH and KOH-KH Systems
Gabbe et al. A simple method for the dissolution of platinum metals
Milyutin et al. Liquid Radwaste Denitration by Electrochemical Reduction of Nitric Acid
RU2522905C1 (en) Method of rare-earth elements extraction from liquid alloys with zinc
Groenewold et al. Production of Gas-Phase Uranium Fluoroanions Via Solubilization of Uranium Oxides in the [1-Ethyl-3-Methylimidazolium]{sup+}[F (HF){sub 2.3}]{sup−} Ionic Liquid

Legal Events

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

Effective date: 20140516