WO2020040668A1 - Method for reprocessing oxide nuclear fuel - Google Patents

Method for reprocessing oxide nuclear fuel Download PDF

Info

Publication number
WO2020040668A1
WO2020040668A1 PCT/RU2019/000717 RU2019000717W WO2020040668A1 WO 2020040668 A1 WO2020040668 A1 WO 2020040668A1 RU 2019000717 W RU2019000717 W RU 2019000717W WO 2020040668 A1 WO2020040668 A1 WO 2020040668A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
oxide
nuclear fuel
electrolysis
lithium
anode
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000717
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Юрий Павлович ЗАЙКОВ
Владимир Юрьевич ШИШКИН
Вадим Анатольевич КОВРОВ
Альберт Рафаэльевич МУЛЛАБАЕВ
Андрей Викторович СУЗДАЛЬЦЕВ
Original Assignee
Акционерное общество "Прорыв"
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 Акционерное общество "Прорыв" filed Critical Акционерное общество "Прорыв"
Publication of WO2020040668A1 publication Critical patent/WO2020040668A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/34Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of metals not provided for in groups C25C3/02 - C25C3/32
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/42Reprocessing of irradiated fuel
    • 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

Definitions

  • the invention relates to nuclear energy, in particular, to methods for processing oxide nuclear fuel, and can be used mainly in a closed nuclear fuel cycle (NFC).
  • NFC closed nuclear fuel cycle
  • This method involves the electrolysis of a melt based on lithium chloride with the addition of May 1.0. % lithium oxide, while electrolysis is carried out at an anode current density of 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C, and Pt, Rh, Pd, Ir, Au are used as an anode.
  • the objective of the present invention is to develop a method for processing spent and rejected oxide nuclear fuel, which can simultaneously reduce the fuel exposure before reprocessing and carry out a stable and lengthy reprocessing to produce pure metals - components of nuclear fuel.
  • a method for processing oxide nuclear fuel which, like the prototype method, includes the recovery of components of oxide nuclear fuel during the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide in an amount of at least May 1. % using an oxygen-releasing anode, while electrolysis is carried out at the anode current density not higher than 0.3 A / cm 2 and temperature not higher than 700 ° C.
  • the claimed method is characterized in that during electrolysis, anodes of NiO or TiO 2 are used , doped with lithium oxide Li 2 0 in an amount of not less than 1 wt.%.
  • NiO anodes are used as an oxygen-releasing anode or TU 2 doped with lithium oxide in an amount of not less than 1 wt.%.
  • lithium is released during electrolysis at the cathode, which reacts with oxide components to form metals and oxygen-containing ions.
  • anodes of NiO or TU 2 doped with lithium oxide in an amount of at least May 1. %, leads to the fact that during the electrolysis of the molten lithium chloride with additives of at least May 1. % Of lithium oxide, an anode current density not higher than 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C at the anodes of the NiO-Li 2 0 or Ti0 2 -Li 2 0 occurs the formation of new compounds with lithium oxide as in the prior art. Moreover, even with an increase in the anode current density above 0.3 A / cm 2, such anodes are not prone to anodic dissolution; the limitation of the anode density to 0.3 A / cm 2 is caused only by difficulties in the melt.
  • lithium oxide is sufficient for oxygen evolution at the anodes without significant diffusion difficulties. This is achieved with a higher content, however, an increase in the content of lithium oxide in the melt more than May 3. % is not recommended because negatively affects the removal of oxygen-containing ions from the cathode space and the completeness of recovery of the components of oxide nuclear fuel. Because oxide doped with lithium anodes NiO-Li 2 0 or Ti0 2 -Li 2 0, with the electrolysis conditions necessary for the reduction of lithium at the cathode and the processing of oxide nuclear fuel are not subjected to anodic or chemical oxidation, the resource of use of the anodes is significantly increased, which leads to the possibility of complete processing of the components of oxide nuclear fuel without stopping the electrolysis. The fact that the electrolysis of lithium chloride melt with the addition of lithium oxide is recommended to be carried out at a temperature not exceeding 700 ° C is due to a sharp increase in the vapor pressure of the components of the melt.
  • Doping of NiO and TIG with lithium oxide L12O in an amount of at least May 1. % allows, firstly, to reduce the electrical resistance of these oxide mixtures, and secondly, eliminates the occurrence of unsteady side processes of uneven incorporation of lithium oxide in the crystal lattices of NiO and T1O2. Both factors are essential for the stable operation of the anodes of NiO-L ⁇ O and Tyb-L ⁇ O during electrolysis. It should be noted that the increase in lithium oxide in the anodes of NiO and T1O2 over May 2. % is inefficient, and can lead to destruction of the anodes.
  • the claimed method allows for the complete processing of oxide nuclear fuel without stopping the electrolysis and the need to replace the anode.
  • the technical result achieved by the claimed method is to increase the resource use of anodes in the complete processing of oxide nuclear fuel.
  • FIG. 1 shows photographs of the anode of lithium oxide doped NiO-L O before and after electrolysis of the melt; in FIG. 2 - reduced uranium; in FIG. 3 - x-ray of reduced uranium.
  • uranium oxide UO2 which is one of the main components of oxide nuclear fuel.
  • a laboratory electrolyzer was constructed, which is a crucible of MgO oxide, in which was loaded with pre-prepared reagents: lithium chloride weighing 120.2 g and lithium oxide weighing 1.22 g (May 1.0.%).
  • the reagent crucible was placed in a quartz tube, the upper part of which was closed with a special fluoroplastic cap with gas ducts and holes for electrodes and thermocouples.
  • the laboratory electrolyzer in a closed quartz tube was placed in a resistance furnace and heated to a temperature of 625 ° C. After melting the mixture of lithium chloride and lithium oxide, the electrodes were immersed in the melt and the molten mixture was electrolyzed at an anode current density of 0.3 A / cm 2 and a cathodic current density of at least 0.5 A / cm 2 .
  • the anode overvoltage was recorded and the end of the process was determined by its sharp increase.
  • the anode overvoltage was 0.35 ⁇ 0.04 V, and the voltage between the anode and cathode was 3.7 ⁇ 0.06 V, which indicates the stability of the electrolysis parameters.
  • the electrodes were removed from the melt and the electrolyzer with a quartz tube was cooled to room temperature. After cooling, the anode and the obtained uranium powder were washed from the melt, weighed, and analyzed. The mass of the anode from NiO-LbO did not change, and the mass of the obtained uranium was 11.2 g, which corresponds to the complete reduction of UO2 oxide. In this case, impurities of Ni and other elements in uranium were not detected.
  • a similar result was obtained during the processing of 1yr oxide by electrolysis of a lithium chloride melt with the addition of May 2.23. % LhO and using an anode Tyb-bO. This is due to the similarity of the main regularities of the anode process at the anodes of lithium oxide doped NiO-LhO and Tyr-LiO in the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide.
  • alkali and / or alkaline-earth metal chlorides and / or oxides can be introduced into the melt based on lithium chloride with the addition of lithium oxide, which do not affect the overall recovery mechanism of the components of oxide nuclear fuel.
  • the claimed method of processing oxide nuclear fuel allows both to reduce the exposure of fuel before processing and to carry out a stable and lengthy processing process to produce pure metals - components of nuclear fuel.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of nuclear power and can be used predominantly in a closed nuclear fuel cycle. The present method comprises reducing components of oxide nuclear fuel in the electrolysis of a lithium chloride melt with the addition of not less than 1 wt% of lithium oxide, by using an oxygen-generating anode made of NiO or TiO2 doped with lithium oxide in an amount of at least 1 wt%, wherein the electrolysis is performed at an anode current density not exceeding 0.3 A/cm2 and a temperature not exceeding 700°C. The method makes it possible to simultaneously shorten the holding time of the fuel before reprocessing and to carry out a stable and lengthy reprocessing process so as to obtain pure metals that are nuclear fuel components.

Description

Способ переработки оксидного ядерного топлива  A method of processing oxide nuclear fuel
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к способам переработки оксидного ядерного топлива, и может быть использовано преимущественно в замкнутом я дерном топливном цикле (ЗЯТЦ). The invention relates to nuclear energy, in particular, to methods for processing oxide nuclear fuel, and can be used mainly in a closed nuclear fuel cycle (NFC).
В настоящее время для работы большинства ядерных реакторов используется металлическое либо оксидное топливо. Для обеспечения безопасности работы топливо выгружают из реактора при достижении степени его выработки не более 15 %. В основном такая необходимость вызвана изменением исходных эксплуатационных характеристик оболочек тепловыделяющих элементов, накоплением продуктов деления топлива и сложностью управления цепными реакциями при постоянном изменении условий. Отработавшее, а также отбракованное ядерное топливо направляют на хранение, после чего оно должно быть захоронено или переработано.  Currently, most nuclear reactors use metal or oxide fuels. To ensure operational safety, fuel is discharged from the reactor when its degree of production is not more than 15%. Basically, this need is caused by a change in the initial operational characteristics of the shells of the fuel elements, the accumulation of fission products and the difficulty of managing chain reactions with constant changes in conditions. Spent as well as rejected nuclear fuel is sent for storage, after which it must be buried or reprocessed.
Действующие способы переработки выдержанного оксидного ядерного топлива включают растворение оксидов в растворах азотной кислоты с образованием среды, пригодной для последующего извлечения компонентов ядерного топлива, в том числе, путем электролиза [1]. Способы достаточно хорошо отработаны и осуществляются при относительно низких температурах. Однако такие существенные недостатки как длительная (3-7 лет) выдержка топлива перед переработкой и образование большого количества радиоактивной воды при переработке делают способ небезопасным, неэффективным и непригодным для разработки современных ядерных технологий, направленных на создание энергоэффективного и ресурсосберегающего замкнутого ядерного топливного цикла. Одним из основных положений ЗЯТЦ является своевременная переработка и регенерация отработавшего ядерного топлива.  Current methods for processing aged oxide nuclear fuel include dissolving oxides in nitric acid solutions to form a medium suitable for subsequent extraction of nuclear fuel components, including by electrolysis [1]. The methods are quite well established and are carried out at relatively low temperatures. However, such significant shortcomings as the long-term (3-7 years) fuel exposure before reprocessing and the formation of a large amount of radioactive water during reprocessing make the method unsafe, inefficient and unsuitable for the development of modern nuclear technologies aimed at creating an energy-efficient and resource-saving closed nuclear fuel cycle. One of the main provisions of the NFC is the timely reprocessing and regeneration of spent nuclear fuel.
Недостатки известных способов гидрохимической переработки оксидного ядерного топлива, включая необходимость длительной выдержки топлива перед переработкой, могут быть устранены при использовании расплавленных солей, которые являются более стабильными при их взаимодействии с радиоактивными материалами. The disadvantages of the known methods of hydrochemical processing of oxide nuclear fuel, including the need for a long exposure of fuel before reprocessing, can be eliminated by using molten salts, which are more stable when they interact with radioactive materials.
Так, известен способ переработки металлического и оксидного ядерного топлива, включающий электролиз расплава на основе хлорида лития с использованием анодов, содержащих U, Zr и Ри, ЯВЛЯЮЩИМИСЯ компонентами перерабатываемого топлива, при температуре 500 °С и анодной плотности тока до 0.5 А/см2 [2-4]. Существенным недостатком данного способа является достаточно быстрое накопление твердой смеси, содержащей хлорид лития и оксиды, в порах и на поверхности анодов. Это приводит к пассивации анодов, нестабильности параметров, высокой вероятности выделения хлора и отравляющих газов на аноде и быстрой остановке электролиза. При этом достигается лишь частичная переработка топлива с получением среды, пригодной для последующего извлечения компонентов ядерного топлива. Полная переработка оксидного ядерного топлива подобным способом возможна лишь при многократном повторении электролиза, а также операций по отделению компонентов анода от твердой смеси. So, there is a known method of processing metal and oxide nuclear fuel, including the electrolysis of a melt based on lithium chloride using anodes containing U, Zr and Pu, which are components of the processed fuel at a temperature of 500 ° C and anode current density of up to 0.5 A / cm 2 [ 2-4]. A significant disadvantage of this method is the rather rapid accumulation of a solid mixture containing lithium chloride and oxides in the pores and on the surface of the anodes. This leads to passivation of the anodes, instability of the parameters, a high probability of release of chlorine and poisonous gases at the anode, and a quick stop of electrolysis. In this case, only partial processing of the fuel is achieved to obtain a medium suitable for the subsequent extraction of the components of nuclear fuel. Complete processing of oxide nuclear fuel in this way is possible only with repeated repetition of electrolysis, as well as operations to separate the components of the anode from the solid mixture.
Проблемы пассивации анодов, а также выделения хлора и отравляющих газов могут быть частично устранены при электролизе расплавов на основе хлорида лития с использованием кислород-выделяющих анодов.  The problems of passivation of the anodes, as well as the release of chlorine and poisonous gases can be partially eliminated by the electrolysis of melts based on lithium chloride using oxygen-producing anodes.
Для этого разработаны способы переработки оксидного ядерного топлива, включающие электролиз расплава на основе хлорида лития, при котором протекают процессы электровыделения лития на катоде, вторичного восстановления литием оксидных компонентов ядерного топлива с образованием металлов и оксида лития, а также выделение кислорода из оксида лития на кислород-выделяющем аноде [5-6]. Способы осуществляют в диапазоне температур 450-650 °С при анодной плотности тока до 0.2 А/см2, а в качестве анодов используют металлы из числа Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ru, Ni, Ni покрытый Ag, или смесь оксидов Ьао.зз$го7МпОз, преимущественно Pt. В качестве прототипа к заявленному способу может быть принят способ переработки оксидного ядерного топлива [7]. Данный способ включает электролиз расплава на основе хлорида лития с добавкой 1.0 мае. % оксида лития, при этом электролиз ведут при анодной плотности тока 0.3 А/см2 и температуре не выше 700 °С, а в качестве анода используют Pt, Rh, Pd, Ir, Au. To this end, methods have been developed for processing oxide nuclear fuel, including the electrolysis of a melt based on lithium chloride, in which the processes of lithium electrowinning at the cathode occur, secondary reduction of the oxide components of nuclear fuel by lithium with the formation of metals and lithium oxide, and the evolution of oxygen from lithium oxide to oxygen excretory anode [5-6]. The methods are carried out in the temperature range 450-650 ° C at an anode current density of up to 0.2 A / cm 2 , and metals from the number Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ru, Ni, Ni coated with Ag, or a mixture of oxides are used as anodes Bao . Зз $ go .b 7МпОз, mainly Pt. As a prototype of the claimed method can be adopted a method of processing oxide nuclear fuel [7]. This method involves the electrolysis of a melt based on lithium chloride with the addition of May 1.0. % lithium oxide, while electrolysis is carried out at an anode current density of 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C, and Pt, Rh, Pd, Ir, Au are used as an anode.
Недостатками такого способа являются использование относительно дорогих анодов, которые склонны к анодному растворению и к взаимодействию с оксидными компонентами расплава и перерабатываемого оксидного ядерного топлива. Это приводит к нестабильности параметров электролиза, необходимости остановки процесса электролиза для замены анода. Помимо этого, растворение анода приводит к загрязнению восстанавливаемых металлов компонентами анодов.  The disadvantages of this method are the use of relatively expensive anodes, which are prone to anodic dissolution and to interact with the oxide components of the melt and the processed oxide nuclear fuel. This leads to instability of the electrolysis parameters, the need to stop the electrolysis process to replace the anode. In addition, dissolution of the anode leads to contamination of the reduced metals with the components of the anodes.
Таким образом, из уровня техники следует, что реализованные в промышленном масштабе способы позволяют стабильно перерабатывать оксидное ядерное топливо, выдержанное в течение 3-7 лет в специальных хранилищах, в то время как разработанные известные способы [2-7] позволяют сократить время выдержки оксидного ядерного топлива, но не позволяют осуществлять стабильную и полную его переработку.  Thus, from the prior art it follows that implemented on an industrial scale methods can stably process oxide nuclear fuel, aged for 3-7 years in special storage facilities, while the developed known methods [2-7] can reduce the exposure time of oxide nuclear fuel, but do not allow for stable and complete processing of it.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа переработки отработавшего и отбракованного оксидного ядерного топлива, позволяющего одновременно сократить выдержку топлива перед переработкой и осуществлять стабильный и длительный процесс переработки с получением чистых металлов - компонентов ядерного топлива.  The objective of the present invention is to develop a method for processing spent and rejected oxide nuclear fuel, which can simultaneously reduce the fuel exposure before reprocessing and carry out a stable and lengthy reprocessing to produce pure metals - components of nuclear fuel.
Для этого предложен способ переработки оксидного ядерного топлива, который, как и способ прототип, включает восстановление компонентов оксидного ядерного топлива при электролизе расплава хлорида лития с добавкой оксида лития в количестве не менее 1 мае. % с использованием кислород-выделяющего анода, при этом электролиз ведут при анодной плотности тока не выше 0.3 А/см2 и температуре не выше 700 °С. Заявленный способ отличается тем, что при электролизе используют аноды из NiO или ТЮ2, допированные оксидом лития Li20 в количестве не менее 1 мас.%. For this, a method for processing oxide nuclear fuel is proposed, which, like the prototype method, includes the recovery of components of oxide nuclear fuel during the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide in an amount of at least May 1. % using an oxygen-releasing anode, while electrolysis is carried out at the anode current density not higher than 0.3 A / cm 2 and temperature not higher than 700 ° C. The claimed method is characterized in that during electrolysis, anodes of NiO or TiO 2 are used , doped with lithium oxide Li 2 0 in an amount of not less than 1 wt.%.
В отличие от способа прототипа, в котором при электролизе расплава хлорида лития с добавкой оксида лития в количестве не менее 1 мае. % при анодной плотности тока не выше 0.3 А/см2 и температуре не выше 700 °С с использованием кислород-выделяющего анода из Pt, Rh, Pd, Ir, Au, в заявленном способе в качестве кислород-выделяющего анода используют аноды из NiO или ТЮ2, допированные оксидом лития в количестве не менее 1 мас.%. In contrast to the prototype method, in which the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide in an amount of at least May 1. % at an anode current density of not higher than 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C using an oxygen-releasing anode from Pt, Rh, Pd, Ir, Au, in the claimed method, NiO anodes are used as an oxygen-releasing anode or TU 2 doped with lithium oxide in an amount of not less than 1 wt.%.
В этом случае при электролизе на катоде выделяется литий, который вступает в реакции с оксидными компонентами с образованием металлов и кислород-содержащих ионов. Последние разряжаются на аноде из NiO-Li20 или Ti02-Li20 до молекулярного кислорода. In this case, lithium is released during electrolysis at the cathode, which reacts with oxide components to form metals and oxygen-containing ions. Recent discharged at the anode of the NiO-Li 2 0 or Ti0 2 -Li 2 0 to molecular oxygen.
Использование анодов из NiO или ТЮ2, допированных оксидом лития в количестве не менее 1 мае. %, приводит к тому, что в ходе электролиза расплава хлорида лития с добавками не менее 1 мае. % оксида лития, анодной плотности тока не выше 0.3 А/см2 и температуре не выше 700 °С на анодах из NiO-Li20 или Ti02-Li20 не происходит формирование новых соединений с оксидом лития, как в прототипе. При этом даже при повышении анодной плотности тока выше 0.3 А/см2 такие аноды не склонны к анодному растворению; ограничение анодной плотности до 0.3 А/см2 вызвано лишь затруднениями в расплаве. Добавка в расплав 1 мае. % оксида лития является достаточной для выделения кислорода на анодах без значительных диффузионных затруднений. Это достигается и при большем ее содержании, однако повышение содержания оксида лития в расплаве более 3 мае. % не рекомендуется, т.к. отрицательно сказывается на отводе кислород-содержащих ионов из прикатодного пространства и полноте восстановления компонентов оксидного ядерного топлива. Благодаря тому, что допированные оксидом лития аноды из NiO-Li20 или Ti02-Li20, при режимах электролиза, необходимых для восстановления лития на катоде и переработки оксидного ядерного топлива не подвергаются анодному либо химическому окислению, ресурс использования анодов значительно увеличивается, что приводит к возможности осуществления полной переработки компонентов оксидного ядерного топлива без остановки электролиза. То, что электролиз расплава хлорида лития с добавкой оксида лития рекомендуется проводить при температуре не выше 700 °С, обусловлено резким возрастанием давления паров компонентов расплава. The use of anodes of NiO or TU 2 doped with lithium oxide in an amount of at least May 1. %, leads to the fact that during the electrolysis of the molten lithium chloride with additives of at least May 1. % Of lithium oxide, an anode current density not higher than 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C at the anodes of the NiO-Li 2 0 or Ti0 2 -Li 2 0 occurs the formation of new compounds with lithium oxide as in the prior art. Moreover, even with an increase in the anode current density above 0.3 A / cm 2, such anodes are not prone to anodic dissolution; the limitation of the anode density to 0.3 A / cm 2 is caused only by difficulties in the melt. Additive to the melt on May 1. % lithium oxide is sufficient for oxygen evolution at the anodes without significant diffusion difficulties. This is achieved with a higher content, however, an increase in the content of lithium oxide in the melt more than May 3. % is not recommended because negatively affects the removal of oxygen-containing ions from the cathode space and the completeness of recovery of the components of oxide nuclear fuel. Because oxide doped with lithium anodes NiO-Li 2 0 or Ti0 2 -Li 2 0, with the electrolysis conditions necessary for the reduction of lithium at the cathode and the processing of oxide nuclear fuel are not subjected to anodic or chemical oxidation, the resource of use of the anodes is significantly increased, which leads to the possibility of complete processing of the components of oxide nuclear fuel without stopping the electrolysis. The fact that the electrolysis of lithium chloride melt with the addition of lithium oxide is recommended to be carried out at a temperature not exceeding 700 ° C is due to a sharp increase in the vapor pressure of the components of the melt.
Допирование NiO и ТЮг оксидом L12O лития в количестве не менее 1 мае. % позволяет, во-первых, снизить электросопротивление данных оксидных смесей, а во-вторых, исключает протекание нестационарных побочных процессов неравномерного внедрения оксида лития в кристаллические решетки NiO и Т1О2. Оба фактора являются существенными для стабильной работы анодов из NiO-L^O и ТЮг-Ь^О при электролизе. При этом нужно отметить, что повышение оксида лития в анодах из NiO и Т1О2 свыше 2 мае. % неэффективно, и может приводить к разрушению анодов.  Doping of NiO and TIG with lithium oxide L12O in an amount of at least May 1. % allows, firstly, to reduce the electrical resistance of these oxide mixtures, and secondly, eliminates the occurrence of unsteady side processes of uneven incorporation of lithium oxide in the crystal lattices of NiO and T1O2. Both factors are essential for the stable operation of the anodes of NiO-L ^ O and Tyb-L ^ O during electrolysis. It should be noted that the increase in lithium oxide in the anodes of NiO and T1O2 over May 2. % is inefficient, and can lead to destruction of the anodes.
Таким образом, заявленный способ позволяет выполнять полную переработку оксидного ядерного топлива без остановки электролиза и необходимости замены анода.  Thus, the claimed method allows for the complete processing of oxide nuclear fuel without stopping the electrolysis and the need to replace the anode.
Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении ресурса использования анодов при полной переработке оксидного ядерного топлива.  The technical result achieved by the claimed method is to increase the resource use of anodes in the complete processing of oxide nuclear fuel.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где фиг. 1 приведены фотографии анода из допированного оксидом лития NiO-L O до и после электролиза расплава; на фиг. 2 - восстановленный уран; на фиг. 3 - рентгенограмма восстановленного урана.  The invention is illustrated in the drawings, where FIG. 1 shows photographs of the anode of lithium oxide doped NiO-L O before and after electrolysis of the melt; in FIG. 2 - reduced uranium; in FIG. 3 - x-ray of reduced uranium.
Экспериментальную апробацию способа осуществляли на примере переработки оксида урана UO2, являющимся одним из основных компонентов оксидного ядерного топлива. Для этого конструировали лабораторный электролизер, представляющий собой тигель из оксида MgO, в который загружали предварительно приготовленные реактивы: хлорид лития массой 120.2 г и оксид лития массой 1.22 г (1.0 мае. %). Тигель с реактивами размещали в кварцевой пробирке, верхнюю часть которой закрывали специальной фторопластовой крышкой с газоходами и отверстиями для электродов и термопары. Операции по подготовке материалов, изготовлению электродов и монтированию их во фторопластовой крышке производили на воздухе, после чего в «сухом боксе» монтировали электролизер, размещая тигель с реактивами на дне кварцевой пробирки и закрывая пробирку крышкой с электродами. В качестве анода использовали цилиндр массой 25.6 г. из NiO-L O, допированного 1 мае. % оксида лития, в качестве катода - проволоку из молибдена, на конце которой подвешивали контейнер из молибдена с оксидом UO2 массой 12.7 г. Параметры процесса контролировали при помощи (литиевого) электрода сравнения. The experimental testing of the method was carried out using the example of processing of uranium oxide UO2, which is one of the main components of oxide nuclear fuel. For this, a laboratory electrolyzer was constructed, which is a crucible of MgO oxide, in which was loaded with pre-prepared reagents: lithium chloride weighing 120.2 g and lithium oxide weighing 1.22 g (May 1.0.%). The reagent crucible was placed in a quartz tube, the upper part of which was closed with a special fluoroplastic cap with gas ducts and holes for electrodes and thermocouples. The operations of preparing materials, manufacturing electrodes, and mounting them in a fluoroplastic lid were performed in air, after which an electrolyzer was mounted in a “dry box”, placing a reagent crucible at the bottom of a quartz tube and closing the tube with a lid with electrodes. A cylinder weighing 25.6 g from NiO-L O doped on May 1 was used as the anode. % lithium oxide, as a cathode - a molybdenum wire, at the end of which a molybdenum container with UO2 oxide weighing 12.7 g was suspended. The process parameters were controlled using a (lithium) reference electrode.
Лабораторный электролизер в закрытой крышкой кварцевой пробирке помещали в печь сопротивления и нагревали до температуры 625 °С. После расплавления смеси хлорида лития и оксида лития электроды погружали в расплав и осуществляли электролиз расплавленной смеси при анодной плотности тока 0.3 А/см2 и катодной плотности тока не ниже 0.5 А/см2. В ходе электролиза фиксировали величину анодного перенапряжения и по его резкому повышению определяли окончание процесса. В ходе длительного (12 часов) электролиза анодное перенапряжение составляло 0.35 ± 0.04 В, а напряжение между анодом и катодом 3.7 ± 0.06 В, что свидетельствует о стабильности параметров электролиза. The laboratory electrolyzer in a closed quartz tube was placed in a resistance furnace and heated to a temperature of 625 ° C. After melting the mixture of lithium chloride and lithium oxide, the electrodes were immersed in the melt and the molten mixture was electrolyzed at an anode current density of 0.3 A / cm 2 and a cathodic current density of at least 0.5 A / cm 2 . During electrolysis, the anode overvoltage was recorded and the end of the process was determined by its sharp increase. During a long (12 hours) electrolysis, the anode overvoltage was 0.35 ± 0.04 V, and the voltage between the anode and cathode was 3.7 ± 0.06 V, which indicates the stability of the electrolysis parameters.
По окончании электролиза электроды извлекали из расплава и охлаждали электролизер с кварцевой пробиркой до комнатной температуры. После охлаждения анод и полученный порошок урана отмывали от расплава, взвешивали и анализировали. Масса анода из NiO-LbO не изменилось, а масса полученного урана составила 11.2 г, что соответствует полному восстановлению оксида UO2. При этом примеси Ni и других элементов в уране обнаружены не были. Аналогичный результат был получен при переработке оксида 1Юг электролизом расплава хлорида лития с добавкой 2.23 мае. % LhO и использованием анода ТЮг-ЬЬО. Это связано со схожестью основных закономерностей анодного процесса на анодах из допированных оксидом лития NiO-LhO и ТЮг-Ь^О при электролизе расплава хлорида лития с добавкой оксида лития. At the end of electrolysis, the electrodes were removed from the melt and the electrolyzer with a quartz tube was cooled to room temperature. After cooling, the anode and the obtained uranium powder were washed from the melt, weighed, and analyzed. The mass of the anode from NiO-LbO did not change, and the mass of the obtained uranium was 11.2 g, which corresponds to the complete reduction of UO2 oxide. In this case, impurities of Ni and other elements in uranium were not detected. A similar result was obtained during the processing of 1yr oxide by electrolysis of a lithium chloride melt with the addition of May 2.23. % LhO and using an anode Tyb-bO. This is due to the similarity of the main regularities of the anode process at the anodes of lithium oxide doped NiO-LhO and Tyr-LiO in the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide.
Для оптимизации свойств расплава и параметров его электролиза в расплав на основе хлорида лития с добавкой оксида лития можно вводить хлориды и/или оксиды щелочных и/или щелочноземельных металлов, которые не влияют на суммарный механизм восстановления компонентов оксидного ядерного топлива.  In order to optimize the properties of the melt and its electrolysis parameters, alkali and / or alkaline-earth metal chlorides and / or oxides can be introduced into the melt based on lithium chloride with the addition of lithium oxide, which do not affect the overall recovery mechanism of the components of oxide nuclear fuel.
В большинстве экспериментов по переработке оксида урана с использованием анодов из допированных оксидом лития NiO-LbO или Т1О2- L12O при анодной плотности тока до 0.3 А/см2 и температуре от 400 до 700 °С в расплаве хлорида лития с добавкой оксида лития 1 мае. %, а также в расплавах хлорида лития с добавками хлоридов и/или оксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов было достигнуто полное восстановление оксида урана при стабильном электролизе и отсутствии расхода анодов. In most experiments on the processing of uranium oxide using anodes of doped with lithium oxide NiO-LbO or T1O2-L12O at an anode current density of up to 0.3 A / cm 2 and a temperature of 400 to 700 ° C in a lithium chloride melt with the addition of lithium oxide on May 1. %, as well as in lithium chloride melts with the addition of chlorides and / or oxides of alkali and / or alkaline earth metals, a complete reduction of uranium oxide was achieved with stable electrolysis and the absence of anode consumption.
Таким образом, заявленный способ переработки оксидного ядерного топлива позволяет одновременно сокращать выдержку топлива перед переработкой и осуществлять стабильный и длительный процесс переработки с получением чистых металлов - компонентов ядерного топлива.  Thus, the claimed method of processing oxide nuclear fuel allows both to reduce the exposure of fuel before processing and to carry out a stable and lengthy processing process to produce pure metals - components of nuclear fuel.
Источники информации: Sources of information:
ТОландер Д. Теоретические основы тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, М., 1982); TOlander D. Theoretical foundations of fuel elements of nuclear reactors, M., 1982);
2. Journal of Nuclear Materials, 2011, Vol. 414, pp. 194-199;  2. Journal of Nuclear Materials, 2011, Vol. 414, pp. 194-199;
3. Journal of Nuclear Materials, 2014, Vol. 452, pp. 517-525; 3. Journal of Nuclear Materials, 2014, Vol. 452, pp. 517-525;

Claims

Формула изобретения  Claim
Способ переработки оксидного ядерного топлива, включающий восстановление компонентов оксидного ядерного топлива при электролизе расплава хлорида лития с добавкой оксида лития в количестве не менее 1 мае. % с использованием кислород-выделяющего анода, при этом электролиз ведут при анодной плотности тока не выше 0.3 А/см2 и температуре не выше 700 °С, отличающийся тем, что при электролизе используют аноды из NiO или ТЮг, допированных оксидом лития в количестве не менее 1 мас.%. A method of processing oxide nuclear fuel, including the recovery of components of oxide nuclear fuel during the electrolysis of molten lithium chloride with the addition of lithium oxide in an amount of at least May 1. % using an oxygen-emitting anode, while the electrolysis is carried out at an anode current density of not higher than 0.3 A / cm 2 and a temperature of not higher than 700 ° C, characterized in that the electrodes use anodes of NiO or Tyr doped with lithium oxide in an amount not less than 1 wt.%.
PCT/RU2019/000717 2018-08-22 2019-10-08 Method for reprocessing oxide nuclear fuel WO2020040668A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018130442A RU2700934C1 (en) 2018-08-22 2018-08-22 Method of processing oxide nuclear fuel
RU2018130442 2018-08-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020040668A1 true WO2020040668A1 (en) 2020-02-27

Family

ID=68063442

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000717 WO2020040668A1 (en) 2018-08-22 2019-10-08 Method for reprocessing oxide nuclear fuel

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2700934C1 (en)
WO (1) WO2020040668A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2766563C2 (en) * 2020-08-16 2022-03-15 Акционерное общество «Прорыв» Method of processing nitride snf in molten salt with extraction of the target component using a precipitator

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497979C1 (en) * 2012-06-15 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат" Metallic uranium obtaining method

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100593790B1 (en) * 2003-03-28 2006-07-03 한국원자력연구소 Method for electrolytic reduction of oxide spent fuel in LiCl-Li2O, cathode electrode assembly for applying the method, and device having the cathode electrode
RU2537622C1 (en) * 2013-06-21 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Composition of charge for manufacture of oxide-metal inert anode

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497979C1 (en) * 2012-06-15 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат" Metallic uranium obtaining method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. YASINSKIY ET AL.: "Progress of inert anodes in aluminum industry", JOURNAL OF SIBERIAN FEDERAL UNIVERSITY, CHEMISTRY, vol. 1, 3 March 2018 (2018-03-03), pages 18 - 29, XP055687666, DOI: 10.17516/1998-2836-0055 *
SUNG-WOOK K ET AL.: "Electrochemical properties of noble metal anodes for electrolytic reduction of uranium oxide", J RADIOANAL NUCL CHEM., vol. 311, 2017, pages 809 - 814, XP036127862, DOI: 10.1007/s10967-016-5107-8 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2700934C1 (en) 2019-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sakamura et al. Electrolytic reduction and electrorefining of uranium to develop pyrochemical reprocessing of oxide fuels
US7090760B2 (en) Method of reducing spent oxide nuclear fuel into nuclear-fuel metal using LiCl-Li2O salt, cathode electrode assembly used in the method, and reduction device including the assembly
US4880506A (en) Electrorefining process and apparatus for recovery of uranium and a mixture of uranium and plutonium from spent fuels
Merwin et al. Metallic lithium and the reduction of actinide oxides
RU2603844C1 (en) Method of nitride spent nuclear fuel recycling in salt melts
US20210118585A1 (en) Electrochemical cells for direct oxide reduction, and related methods
JP2009288178A (en) Method for reprocessing spent nuclear fuel
Joseph et al. A study of graphite as anode in the electro-deoxidation of solid UO2 in LiCl-Li2O melt
JP5483867B2 (en) Method for recovering metallic fuel material from spent fuel and method for reprocessing spent fuel
US20150129432A1 (en) Electrolytic method, apparatus and product
Sakamura et al. Pyrochemical reprocessing tests to collect uranium metal from simulated spent oxide fuel
RU2700934C1 (en) Method of processing oxide nuclear fuel
WO2001041152A2 (en) Actinide production
Shishkin et al. Electrochemical reduction of uranium dioxide in LiCl–Li2O melt
KR20200008307A (en) Electroreduction device of metal oxide and electroreduction method of metal oxide using the same
KR101723553B1 (en) Electrolytic reduction apparatus and method of metal oxide
US20220145484A1 (en) An electrochemical method of reducing metal oxide
JP4025125B2 (en) How to reprocess spent fuel
Choi et al. Quantitative analysis of oxygen gas exhausted from anode through in situ measurement during electrolytic reduction
RU2775235C1 (en) Method for processing oxide nuclear fuel in molten salts
Piper et al. Electrolytic production of uranium metal from uranium oxides
JP2005315790A (en) Reprocessing method for spent oxide fuel
JP2000155193A (en) Reprocessing method and device of spent oxide fuel
KR101588123B1 (en) Electrolytic reduction method for metal oxide using liquid anode and apparatus thereof
RU2724971C1 (en) Method of producing solution of tetravalent plutonium nitrate

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19851257

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19851257

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1