СПОСОБ РАСТВОРЕНИЯ МОКС-ТОПЛИВА
METHOD OF DISSOLVING MOX FUEL

Изобретение относится к способам растворения топлива, которое представляет собой смесь оксидов урана и плутония.
2
2
3
Известно, что PuO трудно растворяется в растворах азотной кислоты. Добавление плавиковой кислоты ускоряет растворение. Например, известен способ растворения РuО в смеси кислот: 10 М NНО - 0,05 М HF (Плутоний / Справочник под ред. О.Вика, том 1, М.: Атомиздат, 1971. - С.23).
3
2
3
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 UO - РuО протекает достаточно полно при длительном кипячении в 16 М HNО, 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:
2
3
2
3
2
2
2
UO+4НNО → UO(NО)+2NO+2НО.
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.
3
-17
Фториды редкоземельных элементов относятся к числу очень малорастворимых соединений. Произведение растворимости GdF равно 6,7×10. 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.
2
2
Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония PuО - 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.
2
2
Растворяют топливо состава: диоксид природного урана UO - 74-76 мас.%; диоксид оружейного плутония РuО - 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
[HNO<sub>3</sub>], 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
3
3
3
Осадки фторида гадолиния отсутствовали в растворах, содержащих: [НNO]=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 [NНO]=6-9 моль/л. Полученные объединенные растворы 1 и 2 не содержали осадков фторидов гадолиния. При [NНО]≤3,0 моль/л растворение не закончилось и за 30 суток.
3
Таким образом, в растворах состава: [НNО]=(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.