способ растворения мокс-топлива

Формула изобретения

1. Способ растворения МОКС-топлива в растворе азотной кислоты с использованием фтор-иона и гадолиния, отличающийся тем, что растворение осуществляют при одновременном присутствии в растворе ионов фтора и гадолиния при следующих концентрациях в растворе: азотной кислоты (6-9) моль/л, фторида натрия (0,05-0,08) моль/л и нитрата гадолиния в пересчете на гадолиний (1,3-1,5) г/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония PuO₂ - 24-26 мас.%, которое было получено плазмохимической денитрацией раствора азотнокислых солей урана и плутония.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворение осуществляют в течение трех суток при температуре 20-25°С, после чего к нерастворившемуся остатку приливают новую порцию раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам растворения топлива, которое представляет собой смесь оксидов урана и плутония.

Известно, что PuO₂ трудно растворяется в растворах азотной кислоты. Добавление плавиковой кислоты ускоряет растворение. Например, известен способ растворения РuО₂ в смеси кислот: 10 М NНО₃ - 0,05 М HF (Плутоний / Справочник под ред. О.Вика, том 1, М.: Атомиздат, 1971. - С.23).

Известен способ растворения уран-плутониевого топлива в азотной кислоте, содержащей фтор-ионы (Плутоний / Справочник под ред. О. Вика, том 1, М.: Атомиздат, 1971. - С.414). Растворение твердого раствора UO₃ - РuО₂ протекает достаточно полно при длительном кипячении в 16 М HNО₃ , содержащей 0,05-0,25 М фтор-ионов. Затем раствор фильтруют и нерастворимый остаток возвращают в растворитель для повторной обработки. Недостатком способа является возможность получения ядерно-опасных растворов плутония.

Известен способ растворения оксидного облученного ядерного топлива в растворе азотной кислоты в аппаратах растворения непрерывного действия барабанного типа (Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС: Учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.346). Способ выбран за прототип. Для обеспечения ядерной безопасности в азотнокислый раствор добавляют гадолиний в качестве нейтронного поглотителя или комбинируют ядерно-безопасную геометрию аппарата с поглотительными вставками. Сначала происходит преимущественное растворение диоксида урана по реакции:

UO₂+4НNО₃ UO₂(NО₃)₂+2NO₂ +2Н₂О.

Для более полного растворения плутония вводятся дополнительные операции растворения «нерастворившихся остатков» с введением в раствор азотной кислоты фтор-иона.

Недостатком способа является то, что растворение уран-плутониевого МОКС топлива осуществляют сначала в растворе азотной кислоты и гадолиния без введения фтор-иона, при этом плохо растворяется диоксид плутония, а затем в растворе азотной кислоты в присутствии фтор-иона, ускоряющего растворение диоксида плутония, но уже без гадолиния, т.к. фтор-ион реагирует с гадолинием с образованием фторида гадолиния, выпадающего в осадок.

Одним из условий применения гадолиния в качестве нейтронного поглотителя в растворах ядерноделящихся материалов (плутония, урана, обогащенного изотопом уран-235) является его равномерное распределение в растворе. При растворении МОКС-топлива фтор-содержащими растворами азотной кислоты гадолиний не должен образовывать осадки, то есть должен оставаться в растворе.

Фториды редкоземельных элементов относятся к числу очень малорастворимых соединений. Произведение растворимости GdF₃ равно 6,7×10^-17 . Растворимость фторидов РЗЭ в растворах сильных кислот незначительна [Аналитическая химия редкоземельных элементов и иттрия. М.: Наука, 1966, с.76-77].

Неизвестна и степень снижения химической активности фторсодержащих растворов азотной кислоты по отношению к МОКС-топливу при введении в них гадолиния, связывающего фтор-ион в комплекс.

Задачей изобретения является растворение смешанного оксидного уран-плутониевого (МОКС) топлива без образования осадков фторида гадолиния, обеспечивающего в растворенном состоянии ядерную безопасность растворов.

Поставленную задачу решают тем, что в способе растворения МОКС-топлива в растворе азотной кислоты с использованием фтор-иона и гадолиния растворение осуществляют при одновременном присутствии в растворе ионов фтора и гадолиния при следующих концентрациях в растворе: азотной кислоты (6-9) моль/л, фторида натрия (0,05-0,08) моль/л и нитрата гадолиния в пересчете на гадолиний (1,3-1,5) г/л.

Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония PuО ₂ - 24-26 мас.%.

Растворение осуществляют в течение трех суток при температуре 20°С, после чего к нерастворившемуся остатку приливают новую порцию раствора.

Способ осуществляют следующим образом.

Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO₂ - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония РuО₂ - 24-26 мас.%, которое было получено плазмохимической денитрацией раствора азотнокислых солей урана и плутония.

Для растворения 15 навесок МОКС-топлива массой 286 мг каждая с содержанием U - 191,8 мг и Рu - 62,8 мг приготовили исходные растворы, содержащие азотную кислоту, нитрат гадолиния и фторид натрия. К каждой навеске МОКС-топлива приливали 10 мл исходного раствора заданного состава и выдерживали при температуре 20-25°С 3 суток. Полученный первый раствор декантировали и на остаток МОКС-топлива приливали новую порцию в 10 мл того же исходного раствора. Выдержку продолжали до полного растворения навески - получали второй раствор.

Состав растворов, их устойчивость к образованию осадков трифторида гадолиния, продолжительность растворения МОКС-топлива приведены в таблице.

№ оп.	Состав исходного раствора	Потери Gd c осадком, мас.%	Содержание в первом растворе, г/л	Содержание во втором растворе, г/л	Общая продолжительность растворения, сутки
[HNO3], моль/л	[NaF], моль/л	[Gd],г/л
U	Pu	U	Pu
1	0	0,08	1,5	100	*	*	*	*	>30
2	0,5	0,08	1,5	43	*	*	*	*	>30
3	1,0	0,08	1,5	0	*	*	*	*	>30
4	3,0	0,08	1,5	0	*	*	*	*	>30
5	6,0	0,08	1,5	0	18,3	5,2	0,8	1,1	6,0
6	8,0	0,08	1,5	0	18,6	5,4	0,6	0,9	5,8
7	9,0	0,08	1,5	0	18,8	5,6	0,4	0,7	5,5
8	10,0	0,08	1,5	2,3	19,0	5,8	0,2	0,5	5,0
9	12,0	0,08	1,5	9,6	*	*	*	*	4,5
10	6,0	0,05	1,3	0	18,0	5,1	0,8	1,2	7,0
11	6,0	0,05	1,5	0	*	*	*	*	7,0
12	6,0	0,08	1,3	0	*	*	*	*	6,0
13	9,0	0,05	1,3	0	18,7	5,5	0,5	0,8	5,8
14	9,0	0,05	1,5	0	*	*	*	*	5,8
15	9,0	0,08	1,3	0	*	*	*	*	5,5
* - концентрацию не определяли

Осадки фторида гадолиния отсутствовали в растворах, содержащих: [НNO₃]=1,0-9,0 моль/л; [NaF]=0,05-0,08 моль/л и [Gd]=1,3-1,5 г/л, при этом полное растворение навесок МОКС-топлива в течение приемлемого времени (нескольких суток) произошло при [NНO₃]=6-9 моль/л. Полученные объединенные растворы 1 и 2 не содержали осадков фторидов гадолиния. При [NНО ₃] 3,0 моль/л растворение не закончилось и за 30 суток.

Таким образом, в растворах состава: [НNО₃ ]=(6-9) моль/л; [NaF]=(0,05-0,08) моль/л; [Gd]=(1,3-1,5) г/л фторид гадолиния находится в растворенном состоянии; растворение смешанного уран-плутониевого топлива в этих растворах проходит полностью в течение приемлемого времени (нескольких суток); обеспечивается ядерная безопасность процесса растворения.