5

Лекция 10. Пирохимическая переработка оят.

10.1. Особенности пирохимических методов переработки оят.

Наряду с фторидно-газовой технологией переработки ОЯТ были разработаны другие безводные методы, среди которых большое практическое распространение получили пирохимические методы. Пирохимические технологии переработки ОЯТ начинали разрабатывать в Аргоннской Национальной Лаборатории в США. Известен целый ряд вариантов таких технологий, один из которых  переработка в расплавленных солях  разработан наиболее тщательно. Привлекательные стороны этой технологии связаны со следующими обстоятельствами:

• в солевых расплавах деградация в радиационных полях значительно ниже, чем в растворах; тем самым снимаются ограничения на удельную активность перерабатываемых материалов;

• все химические операции могут быть проведены в одном или нескольких компактных аппаратах;

• переработка в солевых расплавах может быть использована для топлив различных типов (металлическое, оксидное, карбидное, нитридное) с одним и тем же оборудованием;

• в ряде случаев в результате переработки ОЯТ в солевых расплавах можно получить конечный продукт, готовый для непосредственного изготовления ядерного топлива.

Переработка ОЯТ в солевых расплавах включает следующие операции:

• растворение ОЯТ в солевом расплаве;

• выделение из расплава делящихся материалов с ограниченной очисткой их от ПД и загрязнений;

• получение плутония в форме, пригодной для рециклирования;

• концентрирование ПД;

• рецикл реагентов, что позволяет существенно ограничить объем используемых в технологическом процессе солей и других реагентов (5-20 г на 1 кг перерабатываемого топлива).

ОЯТ можно растворять и перерабатывать в различных солевых расплавах:

• хлориды щелочных или щелочноземельных металлов,

• фториды различных металлов,

• нитраты и сульфаты щелочных металлов,

• молибдаты и вольфраматы щелочных металлов и др.

В дальнейшем будут рассмотрены лишь хлориды щелочных металлов  система, наиболее часто используемая или предлагаемая к использованию при разработке пирохимических методов на разных этапах переработки ОЯТ.

Существует два основных способа переработки ОЯТ в солевых расплавах (на примере оксидного топлива):

1. Пироэлектрохимическая переработка с использованием хлорирующего агента с непосредственным растворением оксидного топлива. Процесс протекает при температуре 500-700С и включает следующие реакции:

1. Хлорирование:

UO₂ + Cl₂ → UO₂Cl₂

PuO₂ + 2Cl₂ → PuCl₄ + O₂

PuCl₄ + O₂ → PuO₂Cl₂ +Cl₂

2. Электролиз:

на катоде UO + 2e → UO₂

PuO + 2e → PuO₂

на аноде 2Cl – 2e = Cl₂

3. Осаждение: PuCl₄ + O₂  PuO₂ + 2Cl₂

2. Пирометаллургическая обработка с восстановлением оксидов до металлов или до катионов, не содержащих кислород, с последующей очисткой при электролизе или при обменных реакциях с получением актиноидов в виде металлов. Такая обработка проводится также при температуре 500-700 С и включает следующие процессы:

1. Восстановление кальцием (СаСl₂  CaF₂) в жидком металле (кадмии или др.):

UO₂ + 2Ca(Cd)  U(Cd) + 2CaO

PuO₂ + 2Ca(Cd)  Pu(Cd) + 2CaO

Кальций удаляется из расплава при электролизе с графитовым анодом.

2. Электролиз (в расплаве LiCl  KCl):

на аноде: U(Cd) – 3e  U³⁺

Pu(Cd) – 3e  Pu³⁺

на катоде: Pu³⁺ + 3e  Pu(Cd)_сплав.

Очевидно, что реализация пирохимической переработки возможна не только различными способами, но и на разных этапах переработки ОЯТ, включая обработку жидких ВАО, образовавшихся в результате переработки ОЯТ с использованием иных технологий.