Основные технологические операции обращения с отработанным ядерным топливом.

Возможно два варианта действий с ОЯТ: захоронение топлива в геологических формациях без переработки или же переработка топлива с выделением из него полезных материалов и последующее захоронение оставшихся радиоактивных отходов.

В настоящее время переработка ОЯТ преследует следующие цели:

· Выделение плутония и оставшегося урана для хранения и повторного использования;

· Отделение продуктов деления и трансурановых элементов для дальнейшей обработки как радиоактивных отходов.

Ежегодно на АЭС мира сейчас выгружается 7000 тонн ОЯТ.

Классификация методов переработки ОЯТ.

1) Водные («мокрые») методы переработки:

экстракционные технологии, основанные на селективном извлечении урана и плутония из растворов органическими соединениями;

осадительные технологии, основанные на образовании труднорастворимых соединений урана и плутония и выпадения их из растворов.

2) Неводные («сухие») методы переработки:

пирохимические процессы, например газофторидная технология, основанная на разной летучести и сорбционной способности фторидов урана, плутония и продуктов деления;

пирометаллургические процессы, например электрорафинирование, основанное на различие переноса урана, плутония и продуктов деления в расплавах металлов и солей.

Наиболее распространенными и промышленно освоенными являются водные экстркционные технологии.

Остановимся и подробнее рассмотрим некоторые методы переработки ОЯТ.

Водные («мокрые») технологии переработки ОЯТ.

· Водная экстракционная переработка ОЯТ (технология PUREX)

Основные стадии:

§ Разборка ТВС и резка твэлов;

§ Предварительное окисление ОЯТ (волоксидация);

§ Растворение твэлов и подготовка раствора к экстракции;

§ Экстракционная переработка и разделение элементов (2-3 цикла «экстракция-реэкстракция»)

§ Получение чистых диоксидов урана и плутония (UO₂ и PuO₂), выделение ценных продуктов деления.

· Водная технология переработки ОЯТ с защитой от распространения ядерных материалов (SAFAR-технология).

Основная идея защиты от распространения в этой технологии заключается в неполном разделении урана, плутония и продуктов деления, т.е. на всех стадиях переработки ОЯТ плутоний не будет находиться в виде удобном для хищений.

Отличия SAFAR-технологии от традиционной водной PUREX-технологии заключается в следующем:

§ Не производится полное отделение плутония от урана и продуктов деления. Плутоний и уран выделяются совместно, причем только в двух циклах экстракции (а не в трех), т.е. плутоний сознательно загрязняется ураном и продуктами деления (примерно 1% от исходного количества).

§ Не выделяются чистые диоксиды урана и плутония. Цикл включает производство микросфер из смешанного уран-плутониевого оксидного топлива (МОХ-топливо) по технологии золь-гель процесса.

§ Окончательный продукт переработки – рефабрикованное (U,Pu)O₂ топливо – обладает повышенной радиоактивностью. Как следствие, непривлекательность для хищения, легкий контроль за перемещениями такого топлива, но требуются дополнительные меры для обеспечения радиационной безопасности персонала.

Неводнаые («сухие») технологии переработки ОЯТ.

· Пирохимическая газофторидная технология.

Цель этой технологии обеспечить переработку ОЯТ без использования жидких веществ, т.е. без растворителей, экстрагентов, и, как следствие, избавиться от больших объемов жидких высокоактивных отходов.

Газофторидная технология переработки основана на различной температуре кипения, разной летучести и различной сорбционной способности фторидов урана, плутония и продуктов деления (ПД).

Основные стадии:

§ Термическое снятие (оплавление) оболочек твэлов при температуре 1600 ⁰С.

§ Фторирование топлива в смеси фтора с азотом для снижение коррозии оборудования при температуре 400 ⁰С.

§ Вымораживание летучих фторидов ПД в фор-конденсаторе при температуре 27 ⁰С. В результате из потока удаляются фториды Cs, Ru, Zr и Nb.

§ Пропускание газового потока через колонну с гранулами NaF при повышенной температуре.

§ Десорбция гексафторида урана UF₆ с поверхности гранул при температуре 400 ⁰С. Возможно зацикливание UF₆ для более полной очистки и последующего обогащения по ²³⁵U.

Недостатки газофторидной технологии:

§ Неполная очистка UF₆ от фторидов ПД, радиоактивное загрязнение оборудования.

§ Плутоний хуже, чем уран: переходит в летучие фториды и размазывается по контурам.

§ Технология не пригодна для переработки МОХ-топлива из-за высокого содержаения в нем плутония.

· Пирометаллургическая переработка ОЯТ.

Пирометаллургическая технология наиболее приспособлена для переработки металлического ОЯТ. Технология переработки основана на методе электрохимического рафинирования.

Аппарат для электрохимического рафинирования представляет собой резервуар, заполненный в нижней части жидким кадмием (анод). Над жидким кадмием размещается слой расплавленных солей (смесь хлоридов K, Na, Ca, Ba). Сверху в расплав солей вводится катод из железа.

Технология электрохимического рафинирования включает следующие процессы:

§ Отработанные твэлы разрезаются на мелкие куски и загружаются в графитовую перфорированную корзину, корзина с кусками твэлов погружается в слой жидкого кадмия.

§ Топливо растворяется в жидком кадмии. Оболочки твэлов и некоторые ПД остаются в корзине и удаляются вместе с ней для последующей переработки в качестве твердых РАО.

§ Растворенное топливо и ПД распределяются между жидким кадмием и расплавом солей.

§ При пропускании тока через расплав уран, плутоний и цирконий переходят из жидкого кадмия и расплава солей на железный катод.

§ Катодный осадок снимается и переплавляется в свежее топливо.

· Технология DUPIC.

Цель этой технологии заключается в повторном использовании ОЯТ лекговодных энергетических реакторов PWR в тяжеловодных реакторах типа CANDU. Технология DUPIC обеспечивает переработку ОЯТ с использованием только термических и механических процессов, без применения сложных экстракционных, пирохомических или пирометаллургических методов.

Основные стадии технологии DUPIC:

§ Разборка облученных ТВС, извлечение твэлв;

§ Поперечная разрезка твэлов на куски примерно по 20 см;

§ Продольная разрезка оболочек;

§ Волоксидация, т.е. термическая обработка в атмосфере кислорода при температуре 400 ⁰С;

§ Обработка по технологии OREOX – процесса. OREOX-процесс – это окислительно-восстановительный процесс, при котором производится чередование окисления и восстановления окислов урана;

§ Изготовление таблеток диоксида урана из порошка путем спекания до высокой плотности;

§ Изготовление твэлов и ТВС по стандартной технологии, но в горячих камерах, за мощной биологической защитой.

Особенности DUPIC-технологии:

§ Отсутствие растворителей и, как следствие:

а) малый объем радиоактивных отходов;

б) компактность установок и возможность перерабатывающих установок на одной площадке с АЭС;

§ Нет разделения урана от плутония и продукты деления отделяются не полностью.

Таким образом, DUPIC-технология обеспечивает повышенную защищенность ядерного топлива от распространения за счет:

- Повышенной радиоактивности топливных элементов;

- Отсутствия стадий с разделением урана от плутония;

- Отсутствие дальних перевозок при размещении перерабатывающей установки на одной площадке с АЭС.