RU2190671C2 - Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана - Google Patents
Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2190671C2 RU2190671C2 RU2000124127A RU2000124127A RU2190671C2 RU 2190671 C2 RU2190671 C2 RU 2190671C2 RU 2000124127 A RU2000124127 A RU 2000124127A RU 2000124127 A RU2000124127 A RU 2000124127A RU 2190671 C2 RU2190671 C2 RU 2190671C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- uranium
- silicon
- melt
- nuclear fuel
- Prior art date
Links
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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к переработке ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий. Ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают расплав в присутствии кислорода при остаточном давлении в печи ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия, после чего полученный слиток растворяют в кислоте и извлекают уран методом экстракции. Способ позволяет полностью удалить из отработавшего топлива кремний и частично алюминий, а также сократить объем остеклованных отходов. 5 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к пирометаллургической переработке ядерного топлива на основе металлического урана, преимущественно металлического уран-алюминиевого топлива, в т.ч. с алюминий-кремниевой прослойкой, и уран-силицидного ядерного топлива.
Существует способ переработки отработавшего металлического уран-алюминиевого топлива ядерных реакторов методом растворения в щелочи в присутствии нитрата натрия [З. Петерсон, Р. Уаймер. Химия в атомной технологии. - М.: Атомиздат, 1967, с. 209-212]. Недостатками являются многостадийность технологической схемы, большие объемы аппаратуры, занимающие значительные производственные площади, большие объемы образующихся водных растворов, содержащих радионуклиды, которые необходимо утилизировать.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки отработавшего металлического уран-алюминиевого топлива, включающий растворение в азотной кислоте в присутствии азотнокислой ртути, являющейся катализатором, с последующим выделением урана из раствора методом жидкостной экстракции [З. Петерсон, Р. Уаймер. Химия в атомной технологии. - М.: Атомиздат, 1967, с. 212-213]. Остающийся после экстрагирования урана раствор, содержащий алюминий и радионуклиды, упаривают и направляют на остекловывание. Недостатками данного способа являются:
- присутствие кремния в растворе, поступающем на экстракцию, приводящее к снижению извлечения урана на этой операции;
- образование больших объемов стекла, основное долю в котором занимают не радионуклиды, а алюминий.
- присутствие кремния в растворе, поступающем на экстракцию, приводящее к снижению извлечения урана на этой операции;
- образование больших объемов стекла, основное долю в котором занимают не радионуклиды, а алюминий.
Технологии предварительного отделения алюминия и кремния от урана и радионуклидов в растворах до настоящего времени не существует.
Предложен способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, включающий растворение в кислоте и экстракционное отделение урана от радиоактивных продуктов деления и стабильных примесей, согласно которому ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают в присутствии кислорода при остаточном давлении в плавильной камере ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия.
Процесс ведут до полного удаления кремния из урана.
Процесс ведут до остаточного содержания алюминия в уране 0,5-35 мас.%.
Процесс ведут в вакуумной индукционной печи металлическим разрезным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, при электромагнитном перемешивании расплава.
В качестве ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, используют обработавшее металлическое уран-алюминиевое топливо с алюминий-кремниевой прослойкой и урана-силицидное топливо.
Частота индукционных токов составляет 50-200000 Гц.
Экспериментально установлено, что на поверхности расплава, состоящего из металлических урана, кремния и/или алюминия, в присутствии определенного количества кислорода образуется пленка, состоящая из оксидов кремния - SiO2 и/или алюминия - Аl2O3. При достижении определенного значения разрежения в плавильной камере на поверхности расплава протекают реакции взаимодействия компонентов оксидной пленки с Si и/или Аl, содержащихся в расплаве:
SiO2+2Si=2SiO (газ) (1)
Al2O3+4Al2=3Al2O (газ) (2)
с образованием газообразных оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия, преимущественно SiO и Al2О, которые обладают весьма высокой упругостью пара по сравнению с SiO2, Аl2О3, SiO, Al2O, Si и Аl. Кроме того, термодинамическими расчетами установлено и экспериментально подтверждено, что в интервале температур 900-1800oС, необходимых для расплавления уран-алюминиевых, уран-кремниевых и уран-алюминий-кремниевых ядерных топливных композиций, давление пара SiO практически всегда превышает давление пара Аl2О. Это позволяет, подавая кислород в зону расплава в течение определенного периода времени и поддерживая при этом разрежение в плавильной камере ниже, чем равновесные давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и алюминия, удалить кремний в виде SiO из расплава полностью, а алюминий в виде Аl2О лишь частично. Уран и расчетное количество алюминия останутся в холодном тигле в виде расплава.
SiO2+2Si=2SiO (газ) (1)
Al2O3+4Al2=3Al2O (газ) (2)
с образованием газообразных оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия, преимущественно SiO и Al2О, которые обладают весьма высокой упругостью пара по сравнению с SiO2, Аl2О3, SiO, Al2O, Si и Аl. Кроме того, термодинамическими расчетами установлено и экспериментально подтверждено, что в интервале температур 900-1800oС, необходимых для расплавления уран-алюминиевых, уран-кремниевых и уран-алюминий-кремниевых ядерных топливных композиций, давление пара SiO практически всегда превышает давление пара Аl2О. Это позволяет, подавая кислород в зону расплава в течение определенного периода времени и поддерживая при этом разрежение в плавильной камере ниже, чем равновесные давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и алюминия, удалить кремний в виде SiO из расплава полностью, а алюминий в виде Аl2О лишь частично. Уран и расчетное количество алюминия останутся в холодном тигле в виде расплава.
SiO и Аl2O улавливаются на специальном водоохлаждаемом конденсаторе, установленном над тиглем. При конденсации SiO и Аl2О и будут протекать реакции, обратные реакциям (1) и (2), т.е.
SiO(газ.)=SiO2(тв.)+Si(тв.) (3)
Al2O(газ.)=Al2O3(тв.)+Al(тв.) (4)
Осуществление процесса в вакуумной индукционной печи с тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, преимущественно металлическим разрезным водоохлаждаемым тиглем (ИПХТ), обеспечивает электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее массоперенос кремния и/или алюминия из глубины металлического расплава на поверхность, где он(и) вступают в реакции согласно уравнениям (1-2).
Al2O(газ.)=Al2O3(тв.)+Al(тв.) (4)
Осуществление процесса в вакуумной индукционной печи с тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, преимущественно металлическим разрезным водоохлаждаемым тиглем (ИПХТ), обеспечивает электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее массоперенос кремния и/или алюминия из глубины металлического расплава на поверхность, где он(и) вступают в реакции согласно уравнениям (1-2).
Применение индукционных токов относительно низкого диапазона частот (50-200000 Гц) позволяет использовать простые и надежные источники силового электропитания, что значительно упрощает конструкцию ИПХТ, а также обеспечивает отжатие расплава от стенок тигля. При этом происходит увеличение в несколько раз поверхности расплава по сравнению с плоской, а следовательно, пропорционально возрастает количество летучих оксидов кремния и алюминия, удаляемых из тигля в единицу времени.
Остаточное содержание алюминия в расплаве 0,5-35 мас.% определяется составом стекол, применяемых для иммобилизации радионуклидов, направляемых на длительное хранение.
Предлагаемый способ может применяться как для переработки отработавшего топлива ядерных реакторов на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, так и для переработки необлученных сплавов металлического урана с кремнием и/или алюминием. С этой целью исходный материал загружают в вакуумную плавильную печь и расплавляют. Расплав выдерживают в течение определенного времени, подавая в него кислород и поддерживая при этом остаточное давление в плавильной камере ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия. Время выдержки определяется составом исходного материала и тем, какое количество алюминия требуется удалить из расплава. После полного удаления из расплава кремния и частично алюминия его кристаллизуют, извлекают из тигля, растворяют в кислоте и из полученного раствора извлекают уран методом экстракции органическими экстрагентами. Оставшийся раствор, содержащий радиоактивные продукты деления и др. примеси, упаривают, остекловывают и направляют на хранение.
Пример 1. Сплав массой 4 кг, содержащий, мас.%: Аl - 70, U - 26 и Si - 4, загружали в вакуумную индукционную печь с медным разрезным водоохлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, и расплавляли за счет наведения непосредственно в сплаве индукционных токов частотой 2400 Гц. Расплав выдерживали в течение 20 мин, изменяя при этом значение температуры расплава на различных стадиях плавки в пределах 1250-1650oС. Остаточное давлении в плавильной камере поддерживали на уровне 5•10-2 мм рт. ст. Значения равновесных давлений Аl2О и SiO в этом интервале температур находятся в пределах 0,062-0,48 и 35,7-330 мм рт. ст. соответственно. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 1,5 г/с. Улетучивающиеся с поверхности расплава SiO и Al2O улавливали на медный водоохлаждаемый конденсатор, установленный над плавильным тиглем. Извлеченный из тигля слиток урана содержал, мас.%: Si - 0,23, Аl - 5,7.
Пример 2. Сплав массой 4 кг, содержащий, мас.%: Аl - 75 и U - 25 плавили в той же печи. Расплав выдерживали в течение 18 мин, изменяя при этом значение температуры расплава в пределах 1250-1650oС. Остаточное давление в плавильной камере поддерживали на уровне 5•10-2 мм рт. ст. Значение равновесного давления Аl2О в этом интервале температур находится в пределах 0,062-0,48 мм рт. ст. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 0,9 г/с. Извлеченный из тигля слиток урана содержал 33,4 мас.% Аl.
Пример 3. Сплав массой 7,5 кг, содержащий, мас.%: Si - 30 и U - 70 плавили в той же печи. Расплав выдерживали в течение 30 мин, изменяя при этом значение температуры расплава в пределах 1250-1750oС. Остаточное давление в плавильной камере поддерживали на уровне 20 мм рт. ст. Значение равновесного давления SiO в этом интервале температур находится в пределах 35,7-420 мм рт. ст. В расплав непрерывно подавали кислород со скоростью 0,75 г/сек. Извлеченный из тигля слиток урана содержал 0,08 мас.% Si.
Как следует из полученных результатов, приведенные примеры подтверждают эффективность предлагаемого способа. Внедрение этого способа позволит:
1) практически полностью удалить из отработавшего топлива кремний как резко снижающий извлечение урана в процессе экстракции;
2) поскольку алюминий входит в состав стекол для иммобилизации ВАО и не влияет на извлечение урана на последующих операциях, то удалить его (алюминий) из отработавшего топлива лишь частично, оставив в расплаве такое количество, которое обеспечит содержание в стекле на требуемом уровне. В результате, пропорционально количеству удаленного алюминия сокращается объем остеклованных отходов, образующихся при переработки отработавшего ядерного топлива.
1) практически полностью удалить из отработавшего топлива кремний как резко снижающий извлечение урана в процессе экстракции;
2) поскольку алюминий входит в состав стекол для иммобилизации ВАО и не влияет на извлечение урана на последующих операциях, то удалить его (алюминий) из отработавшего топлива лишь частично, оставив в расплаве такое количество, которое обеспечит содержание в стекле на требуемом уровне. В результате, пропорционально количеству удаленного алюминия сокращается объем остеклованных отходов, образующихся при переработки отработавшего ядерного топлива.
Claims (6)
1. Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, включающий растворение в кислоте и экстракционное отделение урана от радиоактивных продуктов деления и стабильных примесей, отличающийся тем, что ядерное топливо предварительно расплавляют в вакуумной плавильной печи и выдерживают расплав в присутствии кислорода при остаточном давлении в печи ниже равновесного давления летучих оксидов низших степеней валентности кремния и/или алюминия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут до полного удаления кремния из расплава.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс ведут до остаточного содержания алюминия в расплаве 0,5-35 мас.%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вакуумной плавильной печи используют вакуумную индукционную печь с металлическим разрезным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля при электромагнитном перемешивании расплава.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что частота индукционных токов составляет 50-200000 Гц.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ядерного топлива на основе металлического урана, содержащего в своем составе кремний и/или алюминий, используют отработавшее металлическое уран-алюминиевое топливо с алюминий-кремниевой прослойкой и уран-силицидное топливо.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000124127A RU2190671C2 (ru) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000124127A RU2190671C2 (ru) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000124127A RU2000124127A (ru) | 2002-08-27 |
| RU2190671C2 true RU2190671C2 (ru) | 2002-10-10 |
Family
ID=20240274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000124127A RU2190671C2 (ru) | 2000-09-20 | 2000-09-20 | Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2190671C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472711C1 (ru) * | 2011-09-06 | 2013-01-20 | Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат" | Способ растворения кремнийсодержащей пульпы |
| CN115404349A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-11-29 | 中核四0四有限公司 | 一种回收铀矿石难溶残渣中金属铀的***及方法 |
-
2000
- 2000-09-20 RU RU2000124127A patent/RU2190671C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ПЕТЕРСОН З., УАЙМЕР Р. Химия в атомной технологии. - М.: Атомиздат, 1967, с.212 и 213. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472711C1 (ru) * | 2011-09-06 | 2013-01-20 | Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат" | Способ растворения кремнийсодержащей пульпы |
| CN115404349A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-11-29 | 中核四0四有限公司 | 一种回收铀矿石难溶残渣中金属铀的***及方法 |
| CN115404349B (zh) * | 2022-09-30 | 2023-10-27 | 中核四0四有限公司 | 一种回收铀矿石难溶残渣中金属铀的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0215121B1 (en) | Process for purification of solid material | |
| KR910001356B1 (ko) | 희토류 염화물의 비전해 환원방법 | |
| US9567227B2 (en) | Process for producing silicon, silicon, and panel for solar cells | |
| US3721549A (en) | Preparation of metal ingots from the corresponding metal oxides | |
| US2707679A (en) | Methods of producing zirconium and titanium | |
| Spedding et al. | The preparation of rare earth metals | |
| RU2190671C2 (ru) | Способ переработки ядерного топлива на основе металлического урана | |
| Spedding et al. | Production of pure rare earth metals | |
| Wilhelm et al. | Columbium metal by the aluminothermic reduction of Cb 2 O 5 | |
| US3084037A (en) | Gaseous ion purification process | |
| US4781756A (en) | Removal of lithium nitride from lithium metal | |
| US3140170A (en) | Magnesium reduction of titanium oxides in a hydrogen atmosphere | |
| JPH05262512A (ja) | シリコンの精製方法 | |
| Carlson et al. | Preparation and Refining of Yttrium Metal by Y‐Mg Alloy Process | |
| US4308245A (en) | Method of purifying metallurgical-grade silicon | |
| Leary et al. | Pyrometallurgical purification of Plutonium reactor fuels | |
| Mullins et al. | Removal of fission product elements by slagging | |
| JP2926280B2 (ja) | 稀土類−鉄合金の製造方法 | |
| RU2048558C1 (ru) | Способ получения циркония или гафния высокой чистоты | |
| Kamihira et al. | Solid state deoxidation of some rare earth metals and reduction of their interstitial impurity concentrations by electron beam melting | |
| US3726666A (en) | Dephosphorization of aluminum alloys by cadmium | |
| McNeese et al. | Recovery of plutonium by pyroredox processing | |
| RU2082793C1 (ru) | Способ получения гафния | |
| Blumenthal | Refining of Uranium | |
| Daane et al. | Distillation of rare-earth metals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060921 |