СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА УРАНА ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ УРАНОВЫХ ТВЭЛОВ
METHOD OF RECEIVING OF URANIUM OXIDE AT PROCESSING OF URANIC FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам переработки урановых твэлов с целью получения оксида урана и последующего его использования в производстве оксидного или металлического ядерного топлива для твэлов различного назначения.
Известен способ переработки урановых твэлов, заключающийся в механическом или химическом удалении неделящихся и невоспроизводящих элементов конструкции твэлов (концевые детали, дистанционирующие элементы, заглушки и др.), фрагментации твэлов (резка на заготовки), механическом или химическом удалении защитной оболочки твэлов, растворении металлического урана в азотной кислоте с образованием нитрата урана, денитрации нитрата урана в зернистую трехокись урана с последующим восстановлением водородом трехокиси урана до двухокиси (Переработка ядерного горючего. - М.: Атомиздат, 1964. с.8-59, 467-469, 484-485).
Недостатком указанного способа переработки урановых твэлов является необходимость использования химически опасных, ядовитых и взрывоопасных реагентов, что требует принятия особых мер по организации производства и охране труда и, как следствие, усложняет процесс переработки.
Так, при механическом удалении неделящихся элементов конструкции твэлов, в частности защитной оболочки, происходит частичное удаление сердечника твэла, что приводит к необходимости извлечения урана из отходов с применением кислотной обработки. При химическом удалении деталей и оболочки также накапливаются кислотные отходы, требующие регенерации. Растворение металлического урана в азотной кислоте и последующая денитрация нитрата урана сопровождается образованием кислотных растворов, требующих специальной переработки. Процесс восстановления трехокиси урана до двухокиси осуществляется с использованием водорода и является пожаро- и взрывоопасным.
Известен способ получения оксида урана при переработке урановых (уран-бериллиевых) твэлов, заключающийся в механическом удалении неделящихся, невоспроизводящих элементов конструкции твэла (заглушки и концевые детали), фрагментации твэлов, удалении защитной стальной оболочки, расплавлении твэлов, вакуумной отгонки бериллия, кристаллизации нелетучего остатка урана, окислении урана на воздухе при 500°С до закиси-окиси урана, растворении оксида в азотной кислоте, последующей очистке закиси-окиси урана пероксидным переосаждением и обжигом пероксида на воздухе при 750-800°С с получением товарной закиси-окиси урана (Патент RU №2106029, кл. G21C 19/44, 1996).
Недостатком этого способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов является использование приемов химической обработки (азотной кислоты) продуктов, образующихся при переработке твэлов, что сопряжено с необходимостью утилизации опасных и ядовитых кислотных растворов. Кроме того, при механическом удалении оболочки твэла вместе с удаляемой оболочкой частично повреждается урановый сердечник, вследствие чего возникает необходимость дополнительной обработки удаленной оболочки с целью извлечения урана, например, кислотным выщелачиванием.
Наиболее близким к предлагаемому способу получения оксида урана при переработке урановых твэлов по технической сущности и достигаемому эффекту - прототипом - является способ получения оксида урана при переработке урановых твэлов, заключающийся в удалении невоспроизводящих элементов конструкции твэлов (концевых и дистанционирующих деталей), фрагментации твэлов, удалении защитной оболочки и окислении металлического урана в среде кислородсодержащего агента при температуре 500-900°С в реакционной емкости, образующей замкнутое пространство с внутренним объемом, составляющим 2-4 объема загружаемого металлического урана, и имеющей отверстия, суммарная площадь которых составляет от 5 до 25% от площади поверхности реакционной емкости, и исключении внешнего источника нагрева при достижении температуры 500-900°С (Патент RU №2247076, кл. C01G 43/01, 2003).
Недостатком известного способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов - прототипа - является сложность и трудоемкость процесса переработки твэлов. Этот недостаток связан с тем, что при механическом удалении металлической оболочки твэлов, а в конкретном случае - алюминиевой оболочки, вместе с удаляемой стружкой или фрагментами оболочки частично затрагивается поверхность уранового сердечника, что приводит к загрязнению ураном отходов обработки и, как следствие, к необходимости извлечения урана из отходов химическими методами переработки. Оболочка твэла может быть удалена растворением в щелочи или кислоте, однако в растворы переходит до 0,2% урана. Растворы приходится подвергать специальной переработке для извлечения делящегося материала. Указанные недостатки известного способа усложняют процесс переработки твэлов и повышают его трудоемкость.
Целю данного изобретения является упрощение способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов и снижение его трудоемкости.
-4
Поставленная цель достигается способом получения оксида урана при переработке урановых твэлов, включающем механическое удаление невоспроизводящих элементов конструкции твэлов, фрагментацию твэлов, удаление защитной оболочки твэлов и окисление металлического урана в среде кислородсодержащего агента при температуре 500-900°С в реакционной емкости, образующей замкнутое пространство с внутренним объемом, составляющим 2-4 объема загружаемого металлического урана, и имеющей отверстия, площадь которых составляет 5-25% от площади поверхности реакционной емкости, с последующем отключением внешнего источника нагрева при достижении температуры 500-900°С, согласно изобретению защитную оболочку из сплава магний-бериллий удаляют путем нагрева фрагментов твэлов до температуры 500-900°С в вакууме не ниже 10 Торр в течение 2-5 часов и конденсацией паров магния.
-4
Сущность заявляемого способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов заключается в том, что защитная оболочка твэла из сплава магний-бериллий (ПМБ-2 с содержанием Be 2 мас.%) толщиной 0,5 мм нанесена на топливный сердечник методом высокотемпературного вакуумного напыления и обеспечивает с топливным сердечником прочный металлургический контакт. Удаление такой оболочки механической обработкой или химическим травлением, как указывалось выше, приводит к частичной потере делящегося материала - урана и необходимости последующего извлечения урана сложными и трудоемкими процессами химического экстрагирования. В заявленном способе удаление защитной оболочки предлагается осуществлять путем нагрева фрагментов твэлов да температуры 500-700°С в вакууме не ниже 10 Торр в течение 2-5 часов и конденсацией паров магния. Нагрев фрагментов твэлов до температуры 500-700°С сопровождается испарением магния, упругость паров которого при указанной температуре на несколько порядков выше упругости паров бериллия, что приводит к разделению этих элементов с получением конденсата магния и осыпающегося порошка бериллия достаточно высокой чистоты, пригодных для последующего неограниченного применения без дополнительной очистки.
Параметры процесса получения оксида урана при переработке твэлов установлены экспериментально и имеют следующее обоснование.
Удаление невоспроизводящих элементов конструкции твэлов (концевых деталей, заглушек, дистанционирующих элементов) осуществляется механическим методом токарной или фрезерной обработкой. Приемы механической обработки имеют высокую производительность и при должном внимании исключают возможность попадания материала сердечника в отходы обработки. Фрагментация твэлов (длина твэла 4 м) осуществляется с целью удобства проведения последующих операций и реализуется известным приемом (ломка, резка). Температура, остаточное давление и время нагрева фрагментов твэлов при удалении магний-бериллиевой оболочки определяется парциальным давлением паров магния в процессе его дистилляции и, соответственно, скоростью его испарения.
-4
-4
При температуре менее 500°С и вакууме ниже 10 Торр скорость испарения магния снижается и время процесса полного испарения магния увеличивается, что удлиняет и удорожает процесс удаления оболочки. Увеличение температуры процесса более 700°С, вакуума выше 10 Торр и времени более 5 часов экономически неоправдано, так как процесс отгонки магния заканчивается при меньших энергетических параметрах. После удаления защитной оболочки фрагменты твэла из металлического урана подвергают окислению в условиях, обеспечивающих саморазогрев и тепловой баланс процесса. Для создания условий протекания процесса окисления металлического урана в режиме саморазогрева без дополнительного нагрева внешним источником тепла необходимо обеспечить сохранение теплового баланса процесса. Экспериментально установлено, что условия сохранения теплового баланса в зоне реакции обеспечивается следующими техническими приемами:
- предварительный нагрев металлического урана в реакционной емкости в среде кислородсодержащего агента до 500-900°С;
- поступление в реакционную зону (емкость) кислородсодержащего агента в определенном количестве;
- использование реакционной емкости с определенными геометрическими характеристиками;
- исключение внешнего источника тепла после достижения температуры 500-900°С.
Совокупность всех перечисленных существенных признаков заявленного способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов обеспечивает упрощение процесса и снижает его трудоемкость.
Предложенный способ получения оксида урана при переработке урановых твэлов иллюстрируется следующим примером.
-4
Урановые твэлы "КС-150", представляющие собой прутки металлического урана диаметром 6,3 мм и длиной 4200 мм с защитным покрытием толщиной 0,5 мм из сплава ПМБ-2 (магний - бериллий 2 мас.%), с торцевыми заглушками из титана и дистанционирующими муфтами из циркония подвергали механической обработке, заключающейся в удалении невоспроизводящих элементов конструкции твэла - заглушек и дистанционирующих муфт. Для удобства выполнения последующих операций твэлы фрагментировали на элементы длиной до 200 мм. Фрагментированные элементы твэлов загружали в вакуумную электропечь и нагревали до температуры 500-700°С в вакууме не ниже 10 Торр в течение 2-5 часов с целью удаления магний-бериллиевой оболочки. В процессе указанной термической обработки магний испарялся и конденсировался на специальном конденсаторе в виде металла высокой чистоты, пригодного для практического применения, а бериллий осыпался с поверхности твэлов и накапливался на дне алундового тигля в виде порошка, незагрязненного нежелательными примесями. После удаления защитной магний-бериллиевой оболочки фрагменты твэлов загружали в реакционную емкость из нержавеющей стали, выполненную в виде прямоугольного контейнера с крышкой и отверстиями для доступа кислородсодержащего агента. Размеры реакционной емкости изменялись таким образом, что соотношение ее внутреннего объема и объема загружаемых фрагментов составляло от 2 до 4, а площадь отверстий составляла от 5 до 25% от общей площади поверхности реакционной емкости. Реакционную емкость с фрагментами твэлов из металлического урана помещали в муфельную печь и нагревали до 500-900°С в атмосфере кислородсодержащего агента (воздух, кислород). После достижения заданной температуры 500-900°С внешний источник нагрева (муфельная печь) отключали и далее процесс окисления урана протекал в режиме горения.
В таблице приведены примеры осуществления предложенного способа получения оксида урана при переработке урановых твэлов на граничные и промежуточные значения его параметров, а также на параметры, выходящие за заявленные пределы в сопоставлении с известным способом.
Как следует из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ получения оксида урана при переработке урановых твэлов (примеры 1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом (примеры 6,7) снижение трудоемкости способа и его упрощение. При осуществлении предлагаемого способа за пределами заявленных параметров (примеры 4,5) неоправданно увеличиваются длительность процесса, трудоемкость и энергозатраты.