Регенерация топлива АЭС с тепловыми реакторами

Регенерация топлива АЭС с тепловыми реакторами

На современном этапе задачи переработки топлива наиболее эффективно решают­ся на основе водно-экстракционной техно­логии,  где  в  качестве  сопряженных используются также ионообменные, осадительные, термические твердофазные процессы.

Проведенные исследования позволили решить сложные технические проблемы всех стадий обращения с отработавшим топ­ливом тепловых реакторов: транспортиро­вание отработавших тепловыделяющих сбо­рок (ТВС) на регенерационные производст­ва; вскрытия топлива и подготовки его к переработке; разделения U и Рu и глубокой очистки от нуклидов продуктов деле­ния; получения конечных продуктов в фор­мах, пригодных для повторного изготовле­ния топлива; обращения с отходами тех­нологии; выделения отдельных сопутству­ющих нуклидов (рис. 23).

В качестве характерного сырья для радиохимического производства может рас­сматриваться топливо реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, отличающееся наибольшей дос­тигнутой глубиной выгорания и наиболее сложным нуклидным составом.

Рисунок 23 - Схема переработки и разделения ОЯТ

В качестве наиболее экономичной принята система транспортировки же­лезнодорожным транспортом в ваго­нах-контейнерах с вертикальным (ТК-6) или горизонтальным (ТК-10) размещением контейнера в зависимости от габаритов ТВС. Контейнерный эшелон состоит из нес­кольких (до восьми) специальных желез­нодорожных вагонов с транспортными кон­тейнерами, двух вагонов сопровождения и двух вагонов прикрытия — для смягче­ния ударов при возможных авариях. Гру­зоподъемность одного эшелона соответст­вует годовой выгрузке топлива реактора мощностью 1 ГВт.

Типовой контейнер — однослойная сталь­ная конструкция, облицованная внутри нержавеющей сталью. В зависимости от типа диаметр контейнера составляет от 2 до 2,2 м, длина - от 4,1 до 6 м. К внеш­ней поверхности контейнера приваривают стальные ребра для улучшения теплоотвода и опоры для установки в вагоне. Толщина биологической защиты (сталь) 360 мм; в ТК-10 имеется дополнительная защита от нейтронов. Общая масса контей­неров 90 - 120 т при загрузке топлива 2,9 — 3,8 т. Тепловыделяющие сборки с без­дефектными твэлами предварительно по­мещают в перфорированные чехлы, а сбор­ки с дефектными твэлами - в герметич­ные пеналы. Эти транспортно-упаковочные комплекты рассчитаны на высокую на­дежность, с учетом возможных аварий в соответствии с правилами МАГАТЭ.

Поступившие с АЭС контейнеры разгру­жают, ТВС в чехлах помещают в бас­сейн-хранилище. Транспортные средства подвергают тщательной дезактивации.

Рекомендуемые материалы

Вскрытие ТВС и растворение топливной композиции. Вскрытие твэлов - первая операция технологической схемы регенера­ции топлива. Для ТВС с оксидным топли­вом в оболочках из сплава Zr — Nb отра­ботан механический процесс рубки-измель­чения. Предварительно на специальном электроконтактном станке отделяют хвос­товики, не содержащие топливо. Станок частично погружен в ванну, заполненную водой, для исключения выделения газов и аэрозолей. Отходами этого производства, подлежащими захоронению, являются собственно хвостовики и образующиеся при их отрезке опилки, они обладают на­веденной радиоактивностью (несколько кюри на тонну конструкционного мате­риала) .

Активную часть твэлов измельчают на специальных агрегатах с пресс-ножницами. Средний размер кусков составляет 40 мм, что обеспечивает удовлетворительно высо­кую скорость и полноту последующего растворения топлива.

Растворение - процесс выщелачивания топлива из измельченных ТВС — следует за процессом рубки. Для этой операции разработаны специальные аппараты перио­дического и непрерывного действия.

В периодическом варианте измельчен­ные твэлы по трубопроводу загружают в рабочее пространство кольцевого аппарата-растворителя. В аппарат подают расчет­ное количество концентрированной HNO₃, нагревают раствор до температуры кипе­ния. Через заданное время при одновремен­ном приборном контроле полноты раст­ворения раствор охлаждают и он поступает на дальнейшую переработку. Куски обо­лочки промывают свежей порцией HNO₃ и выгружают в контейнеры методом пневмовыброса.

Для непрерывного процесса разработаны вибрационные и шнековые аппараты. Преи­мущество их - большая производитель­ность при более простом обеспечении ядер­ной безопасности.

Подготовка растворов к экстракции. Основная проблема последующей перера­ботки растворов с использованием метода жидкостной экстракции возникает из-за на­личия в них взвесей. При попадании взве­сей на экстракцию в экстракционных ап­паратах образуются межфазные пленки, стабилизированные эмульсии, которые мо­гут приводить к серьезным нарушениям процесса.

Исходные растворы по существу пред­ставляют собой суспензию с высокодис­персными компонентами на основе графита, кремниевой кислоты и других элементов, с размером частиц в основном от 0,2 до 5 мкм и общим их содержанием около 1г/л.

Указанные характеристики суспензии обусловливают определенную трудность вы­деления твердой фазы. Так, методом отс­таивания в течение 1 сут удается выделить только около 50% осадков, а скорость фильтрования суспензии через плотные фильтры недопустимо низка.

Успехи в решении проблемы осветле­ния были достигнуты разработкой комби­нированного метода, в котором собствен­но операция фильтрования предваряется обработкой раствора-суспензии флокулянтами — высокомолекулярными органичес­кими соединениями, а в процессе фильтро­вания используется вспомогательное фильт­рующее вещество — перлит. Такая техно­логия подготовки позволяет укрупнить мелкодисперсные частицы осадка с фор­мированием флокул; процесс фильтрации протекает с накапливанием осадка в по­верхностных слоях перлита, намываемого на фильтрующие перегородки. В качестве последних используют металлокерамические патроны на основе прессованных по­рошков нержавеющей стали с размером пор 40 - 60 мкм или титана (7 - 20 мкм).

Основным типом аппарата узла осветле­ния является фильтр периодического дейст­вия, набираемый секционно металлокерамическими патронами, как правило, в коль­цевом, ядерно-безопасном исполнении. Вос­становление фильтрующей способности ап­парата после очередного фильтроцикла производится гидроударом ("шоковая" ре­генерация); при необходимости осуществ­ляют химическую регенерацию.

Разработаны также пульсационные фильтры непрерывного действия и фильт­рующие центрифуги.

Рисунок 24 - Схема первого цикла экстракционной переработки

растворов твэлов ВВЭР

Экстракционное выделение и очистка U, Pu, Np. Экстракционный процесс вы­полняет многофункциональную задачу в технологии регенерационного производства. Именно на операциях экстракции должны быть обеспечены обоснованная экономичес­кими и экологическими факторами полно­та извлечения U, Pu, Np из топлива, ко­личественное взаимное разделение этих эле­ментов с получением концентрированных продуктов, пригодных для повторного из­готовления топлива, и глубокая очистка актиноидов от нуклидов продуктов деле­ния. В настоящее время жидкостная экст­ракция непрерывного действия является эффективным методом разделения и очист­ки актиноидов.

В основу используемого в промышлен­ной радиохимии метода экстракции, как отмечено выше, положена избирательная способность актиноидов в соответствующих состояниях окисления образовывать проч­ные комплексы с трибутилфосфатом (ТБФ).

Используя различия в экстрагируемости актиноидов в тех или иных состояниях окисления, а также варьируя составы вод­ных сред, температуру, объемное соотно­шение смешиваемых фаз, концентрацию экстрагента, можно "построить" гибкий технологический процесс, в котором на переработки растворов твэлов ВВЭР одних операциях обеспечивается совмест­ная, на других - избирательная экстрак­ция компонентов.

Экстракцию при переработке отработав­шего топлива осуществляют в нескольких, как правило, двух циклах в линии каждо­го элемента. В свою очередь каждый цикл представляет многооперационный много­ступенчатый процесс.

Наибольшее число функций выполняет первый цикл экстракции, типовая струк­тура которого показана на рис. 24.

Исходный раствор топлива поступает в ступень питания многоступенчатого аппа­рата-экстрактора. Противотоком исходно­му раствору подают экстрагент — 30%-ный раствор ТБФ в разбавителе. Экстракт ак­тиноидов промывают растворами HNO₃ различной концентрации — для более пол­ного отделения от частично извлекающих­ся продуктов деления — и поступает на опе­рацию разделения элементов. На этой опе­рации из органической фазы количественно ре экстрагируют Pu (III) и Np (IV); реэкстракцию проводят слабокислым раст­вором гидразина при электрохимической генерации непосредственно в экстракцион­ном аппарате - восстановителя Pu — ура­на (IV).

"Краткие пасторологические выводы" - тут тоже много полезного для Вас.

Для выбора оптимальных структуры и состава потоков в цикле, а также опти­мальных условий проведения процесса ис­пользуются как на стадии разработки схе­мы, так и при автоматизированном управ­лении действующим процессом математи­ческие модели химических процессов и ре­жимов в сочетании с электронно-вычис­лительной управляющей техникой.

Реэкстракты Pu и Np промывают от U экстрагентом и направляют на соответст­вующие эффинажные циклы.

Очищенный от Pu, Np экстракт U посту­пает на реэкстракцию 0,1 моль/л HN0₃; получаемый реэкстракт U (80-90 г/л) передают на второй цикл очистки, а экстра­гент после отмывки от продуктов радиа-ционно-химического разложения карбонат­ным раствором возвращают в цикл для повторного использования.

 На показатели процесса, их стабильность существенно влияет характер экстракцион­ного оборудования. Удовлетворительные эксплуатационные характеристики показа­ли, например, пульсационные смесители-отс­тойники. Их достоинства — надежность в работе, простота обслуживания, низкая чувствительность к флуктуациям дозируе­мых потоков. Благодаря дискретной струк­туре смесителей-отстойников осуществляе­мый в них процесс легко моделируется и фиксируется задаваемым на каждой техно­логической операции числом ступеней. Важ­но и то, что в смесительных чувствительность к флуктуациям дозируе­мых потоков. Благодаря дискретной струк­туре смесителей-отстойников осуществляе­мый в них процесс легко моделируется и фиксируется задаваемым на каждой техно­логической операции числом ступеней. Важ­но и то, что в смесительных камерах таких аппаратов может быть выдержано нужное соотношение фаз, а это дает возможность направленно учитывать межфазные явления и воздействовать на стабильность эмульсий в присутствии различных поверхностно-ак­тивных веществ.

Разработанные структура потоков и ус­ловия проведения процесса первого цик­ла обеспечили высокую селективность этой важной технологической стадии: коэф­фициенты очистки урана от нуклидов про­дуктов деления (Cs, Ru, Zr, Nb) составляют 10⁵ - 10⁶. Это позволяет ограничиться только двумя циклами экст­ракции в линии каждого из выделяемых элементов. Вторые (аффинажные) циклы надежно обеспечивают необходимое качест­во получаемых продуктов.

Аффинаж Рu и Np осуществляют после­довательным выделением из их совместно­го реэкстракта первого цикла.