Механические методы

2.2 Химические методы – наиболее распространены для ТВЭЛов с алюминиевой и магниевой оболочками. Не требуют сложного оборудования.

Недостатки: 1. образование ЖРО с высокой коррозионной активностью; 2. выделение взрывоопасных газов;

3. образование больших количеств сильнозасоленных ЖРО.

Оболочка	Реагент	Условия	Продукты реакции
Al	NaOH		NaAlO2 + H2
Mg	H2SO4разб.	Нагрев	MgSO4 + H2
	HNO3 разб.	t<25oC
Zr	HF
	NH4F
	HCl	350-800 oC	ZrCl2 (сублимация)
Нержавеющая сталь (Fe)	H2SO4

Химические и механические способы снятия оболочек применяют для ТВЭЛов, сердечники которых состоят из металлического урана.

2.3 Пирометаллургические методы – расплавление оболочки или ее растворение в расплавах других металлов.

Основа метода – разные температуры плавления и различная растворимость материалов в расплавах солей.

Материал	Температура плавления, оС
UO2	2800
U3O8	2500
Карбид урана	2350
Нержавеющая сталь	1000
Цирколой	1855
Магний	650
Алюминий	580

« - » Метод энергозатратный

2.4 Пирохимический метод – обеспечивает растворение при безводных методах при повышенной температуре. Используются газообразные реагенты, расплавы солей.

Недостатки: - использование высокотемпературного нагрева и агрессивных реагентов, что усложняет аппаратурное оформление.

- возможны потери компонентов.

2.5 Охрупчивание – обработка оболочки газом (Н₂, СО, СО₂, N₂)

2.6 Рубка – практичный метод, с последующим растворением сердечника. Применяют при переработке оксидного топлива. Используются ножи с гидравлическим приводом. На заводе РТ-1 ТВЭЛы режут на небольшие куски (примерно 40 мм).

Достоинства метода:

+ возможность предварительной деформации ТВЭЛов.

+ возможно осуществление операции волоксидации (процесс предусмотрем в проекте РТ-2) – нагрев нарезанного ОЯТ в окислительной атмосфере до t = 500 – 800^оС с отделением образующихся газов; при этом изменяется структура топлива:

UO₂ → U₃O₈

При этом операция растворения идет легче, но могут образовываться труднорастворимые соединения (например, оксид молибдена).

Химическое и механическое снятие оболочек применяют для ТВЭЛов, сердечник которых состоит из металлического урана; рубку производят при переработке оксидного топлива.

Измельченное ОЯТ подают на операцию растворения.

Операция растворения оят (диоксидного)

После предварительного измельчения диоксидное топливо, имеющее оболочки из Zr и неравеющей стали, поступает на операцию растворения.

Основная задача – перевод элементов топливной композиции в раствор с целью переработки водными методами.

В зависимости от концентрации HNO₃ растворение протекает с выделением различного количества оксида азота.

1. Растворение металлического урана.

U + HNO_{3 (8-11 M)}→ UO₂(NO₃)₂ + NO+NO₂

Под действием HNO₃ плутоний растворяется и переходит в Pu⁴⁺.

2. Уран – алюминиевые сплавы.

Реагент	Условия	Продукты реакции
NaOH		UO2(осадок)
HNO3		Растворяется плохо
HNO3	Hg(NO3)2	Al(NO3)3

Действие катализатора Hg(NO₃)₂:

2Al + 3 Hg(NO₃)₂→ 3Hg + 2 Al(NO₃)₃

Al + Hg → Al-Hg

Al-Hg + 5 HNO₃→ Al(NO₃)₃ + Hg(NO₃)₂

3. Сплавы урана с молибденом

U-Mo + HNO₃ → UO₂(NO₃)₂ + H₂MoO₄↓

12 H₂MoO₄↓ + H₃PO₄ → H₃[PMo₁₂O₄₀]*12H₂O

При массе урана более 50 г/л, уран выпадает в осадок.

4. Уран-циркониевые сплавы.

Если Zr мало, то растворение проводят в HNO₃ с получением нитрата циркония.

Если Zr много, то растворение проводят в смеси кислот (HNO₃ и HF), поддерживая концентрацию HF минимальной.

5. Оксидное топливо.

UO₂ + m HNO₃ → UO₂(NO₃)₂ + (2 - 0.5m)NO + (1.5m-4)NO₂ + 0.5mH₂O

2,7< m <4

При этом за счет окисления идут реакции:

2 NO + O₂ → 2NO₂

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

Условия процесса: концентрация HNO₃ составляет 8 - 12 М; температура = 105 ^оС.

При этом 1 т ОЯТ растворяется за 2 – 5 часов.

6. МОХ-топливо.

6.1 Если МОХ-топливо представляет собой идеальный твердый раствор, то процесс проводят при совместном соосаждении урана и плутония с прокалкой:

UO2(NO3)2	+ NH4OH→	(NH4)2U2O7↓	( 500 оС)→	U3O8	+H2 (to) →	UO2
PuO2(NO3)2		Pu(OH)4↓		PuO2		PuO2

Если Pu < 20%, то растворение идет нормально.

6.2 Если МОХ-топливо представляет собой механическую смесь оксидов, то плутоний не раствориться, следовательно необходимо добавлять комплексоны (F^-).

Требования к процессу:

• высокая степень полноты растворения (чтобы не происходило потерь делящихся материалов с нерастворимым осадком);

• обеспечение полноты растворения не должно приводить к увеличению объемов растворов;

• получение концентрированных растворов не должно приводить к возникновению СЦР;

• раствор должен быть устойчив во времени (не должны протекать реакции гидролиза, не должно происходить выпадение осадка и т.д.);

• применение коррозионно-стойкой аппаратуры;

• применяемые реагенты не должны оказывать негативного влияния на последующие стадии технологии.