СПОСОБ ИЗОТОПНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО УРАНА
METHOD OF ISOTOPIC RECOVERY OF REGENERATED URANIUM

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.
Регенерированный из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) уран является ценным источником для повторного использования в легководных реакторах (LWR), поскольку содержит делящийся изотоп U-235 в количестве, не меньшем, чем природный уран, и позволяет экономить последний. С этой целью выгоревшая смесь изотопов урана должна быть дообогащена изотопом U-235 до содержания 2,0÷5,0 мас.%.
Однако в выгоревшей смеси помимо разницы в концентрации делящегося изотопа U-235 в значительных количествах присутствуют нежелательные четные изотопы U-232, U-234 и U-236, которые не отделяются в процессе химической переработки ОЯТ и с повышенным содержанием которых связаны основные трудности в обращении с регенерированным ураном.
-7
-9
-1
-3
-l
-3
Экономически целесообразный (приемлемый) диапазон концентраций изотопов U-232, U-234, U-236 и U-235 в восстановленной выгоревшей смеси обоснован в [Патент RU 2110855, МПК G21C 3/42, опубл. 10.05.1998] и составляет, мас.%: U-235 1÷10; U-232 4,9×10÷3,8×10; U-234 1,7×10÷7,3×10; U-236 8,0×10÷6,4×10; U-238 и другие примеси - остальное. Относительное отклонение содержания от номинальных значений от минус 35 до плюс 35%.
Под термином "содержание" или "концентрация" здесь и далее понимается массовое содержание (концентрация) конкретного изотопа урана только в смеси изотопов урана. Эти термины не относятся к химической форме нахождения урана.
Обогащение выгоревшего ядерного топлива изотопом U-235 можно провести двумя методами: либо добавлением к выгоревшей смеси изотопов урана изотопной смеси урана-восстановителя с более высокой концентрацией U-235, т.е. дообогащением; либо обогащением выгоревшей изотопной смеси до более высокой концентрации по U-235 в изотопно-разделительных газоцентрифужных каскадах, т.е. прямым обогащением.
Известен способ восстановления пригодности выгоревшего в ядерном реакторе топлива в виде гексафторида смеси изотопов урана к изготовлению ядерного топлива для повторного использования в ядерном реакторе [Патент RU 2113 022, МПК G21C 19/42, опубл. 20.05.1997], состоящий в том, что в гексафториде выгоревшей смеси изотопов урана повышают концентрацию изотопа U-235 по сравнению с исходной концентрацией до заданной величины и одновременно понижают концентрацию изотопов U-236, U-234 и U-232 по сравнению с исходной концентрацией, смешивая между собой в жидкой и/или газовой фазах три компонента: гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана, гексафторид отвального урана природного происхождения с концентрацией изотопа U-235 преимущественно в интервале 0,15÷0,7115 мас.% и гексафторид обогащенного (от 3,6 до 100 мас.%) урана природного происхождения. Последовательное добавление и смешивание компонентов продолжают до получения заранее заданных концентраций изотопов урана в установленных пределах. Смешению подвергают уран в химической форме гексафторида.
Упомянутый способ позволяет приготовить ядерное топливо для повторного использования практически с любым пониженным составом нежелательных изотопов в восстановленной смеси изотопов урана. Однако смешивание компонентов, различающихся изотопным спектром изотопов урана, обесценивает работу разделения, содержащуюся в компоненте с более высокой концентрацией делящегося изотопа U-235.
Предложен способ изотопного восстановления регенерированного урана в топливном цикле [Патент RU 2236053, МПК G21C 19/42, B01D 59/20, опубл. 10.09.2004], который включает прямое обогащение сырьевого уранового регенерата в ординарном изотопно-разделительном газоцентрифужном каскаде. Смесь изотопов урана обогащают по изотопу U-235 до 10,0÷90,0 мас.% в каскадной установке, после чего разбавляют ураном природного происхождения с содержанием U-235 от 0,1 до 5,0 мас.%, тем самым обесценивая работу разделения.
За прототип выбран способ изотопного восстановления регенерированного урана [Патент RU 2242812, МПК G21C 19/42, B01D 59/20, опубл. 20.12.2004], заключающийся в том, что в выгоревшей смеси изотопов урана повышают концентрацию изотопа U-235 до 2,0÷7,0 мас.% при снижении абсолютной и относительной концентрации нежелательных изотопов U-232, U-234 и U-236 прямым обогащением гексафторида сырьевого уранового регенерата в газоцентрифужном изотопно-разделительном каскаде. Сырьевой урановый регенерат обогащают по изотопу U-235 до содержания 21,0÷90,0 мас.% в двойном каскаде при отборе восстановленного топливного материала через поток отвала второго ординарного каскада. При содержании изотопа U-235 в потоке отвала второго ординарного каскада выше 7,0 мас.% обогащенный регенерированный уран разбавляют гексафторидом урана природного происхождения до массы, не превышающей массу гексафторида сырьевого уранового регенерата.
Двойной каскад представляет собой систему из двух ординарных трехпоточных каскадов, в которой поток отбора первого ординарного по отношению к внешнему питанию каскада служит потоком питания второго ординарного каскада.
К недостаткам способа-прототипа можно отнести недостаточно полное извлечение радиационно-опасного нуклида U-232 из смеси изотопов урана.
Задачей изобретения является более полная очистка выгоревшей смеси изотопов урана от наиболее радиационно-опасного U-232 - нуклида, формирующего основную дозовую нагрузку внешнего облучения персонала на всех этапах работы с регенерированным урановым сырьем, а также исключение операции разбавления скорректированного изотопного состава регенерированного урана ураном природного происхождения.
Указанные выше технические задачи достигаются тем, что в способе изотопного восстановления регенерированного урана для повторного использования в ядерном реакторе, заключающемся в том, что в гексафториде регенерированного урана повышают содержание изотопа U-235 до заданной в интервале 2,0÷5,0 мас.% величины и понижают относительную концентрацию изотопа U-232 в смеси изотопов урана, включающем прямое обогащение гексафторида регенерированного урана изотопом U-235 на двухкаскадной установке из разделительных ступеней газовых центрифуг, в первом каскаде регенерированный уран обогащают изотопом U-235 до 5,0÷10,0 мас.% при поддержании соотношения массовых расходов потока отвала и потока отбора каскада в интервале (6,9÷18,4):1, потоки отвала и отбора первого каскада направляют на питание второго каскада, при этом изотопно восстановленный регенерированный уран отбирают из разделительной ступени газовых центрифуг центральной части второго каскада.
Кроме того, перечисленные выше задачи достигаются также тем, что изотопно восстановленный регенерированный уран отбирают в количестве, не превышающем 0,13 массовой доли величины потока внешнего питания двухкаскадной установки.
На фигуре представлена блок-схема двухкаскадной установки для изотопного восстановления регенерированного урана.
Второй каскад двухкаскадной установки выполнен в виде пятипоточного (пятитрубного) каскада, имеющего два потока питания в обогатительной и обеднительной ветвях каскада и три потока отбора: отборный поток в крайней ступени обеднительной ветви (поток "отвала"); отборный поток в крайней ступени обогатительной ветви каскада, именуемый потоком "чистки", и отборный поток гексафторида изотопно восстановленного регенерированного урана, организуемый из разделительной ступени центральной части каскада. При этом под центральной частью каскада подразумевается участок разделительных ступеней газовых центрифуг, расположенный между потоками питания каскада.
Питание второго каскада потоками отвала и отбора каскада с внешним питанием каскадной установки при соотношении массовых расходов потоков (6,9÷18,4):1 обеспечивает такое распределение нежелательного изотопа U-232 по каскадной установке, при котором U-232 концентрируется преимущественно в обогатительной ветви второго каскада и имеет пониженное содержанием в его центральной части. Дополнительный отбор гексафторида регенерированного урана, организуемый из центральной части второго каскада, таким образом, будет содержать уменьшенную концентрацию нуклида U-232.
Содержание изотопа U-235 в потоке отбора первого каскада (с внешним питанием) каскадной установки в интервале 5,0÷10,0 мас.% позволяет отбирать из разделительной ступени центральной части второго каскада гексафторид урана с концентрацией изотопа U-235 2,0÷5,0 мас.%, который соответствует по нежелательным изотопам требованиям патента RU 2110855 без дополнительных операций изотопной корректировки ураном-разбавителем природного происхождения.
Величина отбора изотопно восстановленного регенерированного урана из центральной части второго каскада влияет на распределение нуклида U-232 по длине последнего. Это может привести к увеличению концентрации U-232 в товарной продукции при повышенных потоках отбора. Ограничение величины потока отбора изотопно восстановленного регенерированного урана массовой долей в 0,13 от величины потока внешнего питания двухкаскадной установки гексафторидом регенерированного урана позволяет не выйти за пределы требований патента RU 2110855 по нежелательным изотопам.
Каскадная установка (см. чертеж) сформирована из двух каскадов газовых центрифуг - первого трехпоточного каскада 1 и второго пятипоточного каскада 2. На блок-схеме показаны поток 3 внешнего питания каскада гексафторидом сырьевого уранового регенерата из контейнера 12; промежуточный отвальный поток 4 гексафторида урана первого каскада 1, обедненный по изотопу U-235 относительно потока 3 внешнего питания; отборный поток 5 первого ординарного каскада, обогащенный по изотопу U-235 относительно потока 3 внешнего питания. Потоки 4 и 5 служат потоками питания второго каскада, соответственно, в обеднительную и обогатительную ветви последнего. Второй каскад в обедненной ветви имеет поток 6, являющийся потоком отвала каскадной установки, и в обогатительной ветви поток 7 отбора, являющийся потоком отбора ("чистки") каскадной установки. Отборный поток 7 «чистки» каскадной установки может быть обогащен делящимся изотопом U-235 до 90 мас.% (желательно до 20 мас.%) и содержит радиационно-опасный изотоп U-232 с повышенной концентрацией, а поток 6 отвала обеднен по изотопу U-235 до 0,1-0,3 мас.%. Поток 8 дополнительного отбора изотопно восстановленного регенерированного урана (целевого товарного продукта) организован в центральной части каскада из разделительной ступени, где содержание изотопа U-235 соответствует заказанному значению товарного продукта в интервале 2,0-5,0 мас.%. Целевой продукт затаривают десублимацией в контейнер 9 для отправки на фабрикацию реакторного топлива.
Позиции 10 и 11 - контейнеры, предназначенные для затаривания гексафторида урана потока 6 отвала и гексафторида урана потока 7 "чистки" соответственно.
Заполненные контейнеры 10 и 11 направляют на хранение или на участок смешения, где содержимое контейнера 11 перетаривают в контейнер 10, в результате чего гексафторид урана, обогащенный по изотопу U-235 до 20 мас.% и более, разбавляется до категории обедненного урана. Одновременно происходит снижение изотопным составом обедненного урана концентрации U-232 потока 7 «чистки». Причем в контейнере 10 гамма-излучение изотопа U-232 дополнительно экранируется гексафторидом обедненного урана, как веществом высокой плотности. Данное решение минимизирует риски долговременного хранения невостребованных продуктов изотопной корректировки регенерированного урана.
Конкретные примеры изотопного восстановления регенерированного урана с исходной концентрацией по делящемуся изотопу U-235 0,8 мас.% приведены в таблицах 1-7.
В табл.1 приведены результаты изотопного восстановления регенерированного урана до содержания по изотопу U-235 4,0 мас.% прямым обогащением в ординарном каскаде, в табл.2-7 - результаты изотопного восстановления регенерированного урана до содержания по U-235 4,0 мас.% прямым обогащением в двухкаскадной установке газовых центрифуг по предлагаемому способу.
Изотопному восстановлению подвергали партии по 148 тонн гексафторида (или 100 тонн по урану) сырьевого уранового регенерата, изотопный состав которого приведен в табл.1-7, столбец 2.
Как видно из табл.1, прямое обогащение сырьевого уранового регенерата в ординарном каскаде не обеспечивает достижения требований экономически целесообразного диапазона концентраций нуклида U-232, приведенного в патенте RU 2110855.
Результаты изотопного восстановления уранового регенерата по предложенному техническому решению с промежуточным обогащением в первом ординарном каскаде каскадной установки по изотопу U-235 5,0 мас.% при соотношении массовых потоков отвала и отбора, равном 91,304:8,696≈10,5:1, и с промежуточным обогащением в первом ординарном каскаде каскадной установки по изотопу U-235 10 мас.% при соотношении массовых потоков отвала и отбора, равном 94,84:5,155≈18,4:1, приведены в табл.2-5. Обогащение по изотопу U-235 во втором каскаде в табл.2 и 3 (столбец 6) составляло 20 мас.%, в табл.4 и 5 (столбец 6) - соответственно 40 и 60 мас.%.
В табл.6 приведены результаты изотопного восстановления уранового регенерата с обогащением в первом ординарном каскаде каскадной установки по изотопу U-235 5,0 мас.% при соотношении массовых потоков отвала и отбора, равном 6,9:1, а в табл.7 - результаты изотопного восстановления уранового регенерата с обогащением в первом ординарном каскаде каскадной установки по изотопу U-235 10,0 мас.% при соотношении массовых потоков отвала и отбора, равном 15,4:1.
Таблица 1
Прямое изотопное восстановление регенерированного урана в ординарном каскаде
Параметры
Сырьевой урановый регенерат
Изотопно восстановленный урановый регенерат
1
2
3
Масса потока питания, т U
100
100
Масса товара, т U
-
14,890
U-235, мас.%
0,80
4,0
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
9,8×10<sup>-7</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,1
U-236, мас.%
0,35
1,27
U-238, мас.%
остальное
остальное
Таблица 2
Изотопное восстановление регенерированного урана с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~10,5:1
Параметры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй ординарный каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока питания, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U
-
8,696
91,304
0,735
11,030
88,253
U-235, мас.%
0,80
5,0
0,4
20,0
4,0
0,24
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
1,51×10<sup>-6</sup>
2,0×10<sup>-8</sup>
1,1×10<sup>-5</sup>
5,91×10<sup>-7</sup>
4,5×10<sup>-9</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,122
0,0053
0,671
0,0817
0,00232
U-236, мас.%
0,35
1,449
0,245
3,965
1,377
0,191
U-238, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
-7
-7
-7
В таблицах 2 и 6 концентрация нуклида U-232 в целевом продукте, равная соответственно величинам 5,91×10 мас.% и 5,37×10 мас.% (столбцы 6), снижена по сравнению с концентрацией нуклида U-232 в сырьевом урановом регенерате, и хотя остается весьма высокой, однако укладывается в интервал, указанный в патенте RU 2110855 (4,9×10 мас.%+35%).
-7
-7
-7
-7
В таблицах 3, 4, 5, 7 концентрация нуклида U-232 в потоке отбора 8 снижена значительно, и составила величины 1,69×10 мас.% (табл.3, столбец 6), 1,50×10 мас.% (табл.4, столбец 6), 1,44×10 мас.% (табл.5, столбец 6), и 1,194×10 мас.%, (табл.7, столбец 6), которые соответствуют нормам, заявленным в RU 2110855.
Таблица 3
Изотопное восстановление уранового регенерата с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~ 18,4: 1
Параметры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй
Ординарный
Каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока пита-ния, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U*
-
5,155
94,845
2,152
3,586
94,262
U-235, мас.%
0,80
10,0
0,3
20,0
4,0
0,24
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
2,76×10<sup>-6</sup>
8,2×10<sup>-9</sup>
6,5×10<sup>-6</sup>
1,69×10<sup>-7</sup>
4,22×10<sup>-9</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,251
0,00323
0,552
0,0564
0,00224
U-236, мас.%
0,35
2,718
0,220
4,586
1,750
0,20
U-235, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 4
Изотопное восстановление уранового регенерата с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~18,4:1
Парамет-ры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй ординарный каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока питания, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U
-
5,155
94,845
0,956
4,782
94,262
U-235, мас.%
0,80
10,0
0,3
40,0
4,0
0,24
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
2,76×10<sup>-6</sup>
8,2×10<sup>-9</sup>
1,5×10<sup>-5</sup>
1,50×10<sup>-7</sup>
4,22×10<sup>-9</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,251
0,00323
1,186
0,0534
0,00224
U-236, мас.%
0,35
2,718
0,220
7,745
1,824
0,20
U-238, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 5
Изотопное восстановление уранового регенерата с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~18,4:1
Парамет-ры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй ординарный каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока питания, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U
-
5,755
94,845
0,615
5,123
94,262
U-235, мас.%
0,80
10,0
0,3
60,0
4,0
0,24
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
2,76×10<sup>-6</sup>
8,2×10<sup>-9</sup>
2,3×10<sup>-5</sup>
7,44×10<sup>-7</sup>
4,22×10<sup>-9</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,251
0,00323
1,827
0,0519
0,00224
U-236, мас.%
0,35
2,718
0,220
10,46
1,890
0,20
U-238, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 6
Изотопное восстановление уранового регенерата с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~ 6,9:1
Параметры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй ординарный каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока пита-ния, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U
-
72,60
87,50
0,860
12,898
86,242
U-235, мас.%
0,80
5,0
0,2
20,0
4,0
0,13
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
2,182×10<sup>-6</sup>
2,62×10<sup>-9</sup>
9,30×10<sup>-6</sup>
5,370×10<sup>-7</sup>
7,30×10<sup>-10</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,166
0,00172
0,624
0,077
0,00085
U-236, мас.%
0,35
1,567
0,176
4,210
1,466
0,145
U-238, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Как видно из приведенных результатов табл.3-5, увеличение обогащения по изотопу U-235 во втором каскаде с 20 до 60 мас.% при соотношении массовых потоков отвала и отбора, равном 94,84:5,155≈18,4:1, мало влияет на концентрацию нуклида U-232 в смеси изотопов урана восстановленного уранового регенерата (см. столбец 6). Увеличение соотношения массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде более 18,4:1 также не целесообразно, поскольку концентрацию нуклида U-232 в смеси изотопов урана восстановленного уранового регенерата можно уменьшить лишь незначительно.
Таблица 7
Изотопное восстановление уранового регенерата с соотношением массовых потоков отвала и отбора в первом каскаде ~15,4:1
Параметры
Сырьевой регенерат
Первый ординарный каскад
Второй ординарный каскад
Отбор
Отвал
Чистка
Товар
Отвал
1
2
3
4
5
6
7
Масса потока питания, т U
100
-
-
-
-
-
Масса потока, т U
-
6,122
93,878
2,546
4,242
93,212
U-235, мас.%
0,80
10,0
0,2
20,0
4,0
0,13
U-232, мас.%
1,5×10<sup>-7</sup>
2,412×10<sup>-6</sup>
2,45×10<sup>-9</sup>
5,67×10<sup>-6</sup>
1,194×10<sup>-7</sup>
6,77×10<sup>-10</sup>
U-234, мас.%
0,016
0,936
0,00165
0,517
0,0494
0,00081
U-236, мас.%
0,35
2,877
0,155
4,882
1,950
0,153
U-238, мас.%
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Повлиять на извлечение нуклида U-232 из смеси изотопов уранового регенерата можно варьированием величины потока отбора изотопно восстановленного уранового регенерата (товара). Изотопно восстановленный регенерированный уран отбирают в количестве, не превышающем 0,13 массовой доли величины потока внешнего питания двухкаскадной установки.
В табл.2 величина отбора изотопно восстановленного регенерированного урана из центральной части второго каскада составляла 0,11 массовой доли потока внешнего питания каскадной установки (11,030:100=0,11, где «11,030» - это масса потока товара, столбец 6, «100» - это масса потока питания, столбец 2). В таблицах 3-7 величины отбора изотопно восстановленного регенерированного урана из центральной части второго каскада составляли соответственно 0,036; 0,048; 0,051; 0,129 и 0,042.
Предлагаемый способ коррекции изотопного состава регенерированного урана обеспечивает получение товарного низкообогащенного гексафторида урана при минимальной перестройке промышленных каскадов газовых центрифуг завода.