Разработка технологии переработки топлива для рецикла в РБН

Ведущая японская корпорация PNC (Power Reactor and Nuclear Fuel Development), выполняет большой объем работ в области ядерной энергетики и обеспечивающих ЯТЦ. В данном разделе внимание будет сосредоточено на работах PNC, связанных с РБН. Заботясь о стабильном производстве электроэнергии в Японии в будущем, PNC в течение уже 20 лет занимается разработкой перспективных проектов РБН и усовершенствованием рецикла топлива в РБН. PNC считает, что возможность РБН не только эффективно использовать потенциал U и воспроизводить Pu, но и сжигать An, в том числе Np и Am, сделает их внедрение в XXI веке неотвратимым. Однако масштабы строительства РБН в следующем столетии зависят от характеристик ЯТЦ РБН. Ключевыми стадиями ЯТЦ являются переработка ОЯТ РБН и рецикл An. На рис. 2.6.10 показаны варианты рецикла, рассматриваемые PNC. К варианту рецикла PNC предъявляет определенные требования.

Рис. 2.6.10. Варианты усовершенствованного рецикла топлива

Усовершенствованные варианты рецикла должны быть экономичными, безопасными, должны улучшать баланс между наработкой и сжиганием плутония и других актиноидов (Np, Am), способствовать соблюдению режима нераспространения ядерных делящихся материалов. Как видно из рис. 6.10 технологические разработки в области переработки можно отнести к двум направлениям:

- разработка усовершенствованной технологии переработки смешанного уран-плутониевого топлива на основе PUREX-процесса или другим способом и

- разработка технологии переработки неоксидного топлива (нитридного, металлического) в основном неводными способами.

Общая программа работ PNC в области радиохимической переработки оксидного топлива включает:

- переработку партий МОХ-топлива на заводе в Токаи,

- решение комплекса технологических задач для завода RRP,

- разработку технологического оборудования для переработки МОХ-топлива РБН,

- холодные испытания оборудования на установке CPF (Chemical Processing Facility),

- строительство установки RETF (Recycle Equipment Test Facility) для холодных и горячих испытаний технологического оборудования в промышленном масштабе,

- испытание процессов переработки ОЯТ РБН в RETF,

- создание упрощенной технологии переработки ОЯТ для усовершенствования системы рецикла топливных материалов в РБН,

- изучение характеристик способов изготовления и переработки новых типов топлива – нитридного и металлического,

- изучение коррозионной стойкости конструкционных материалов в растворах азотной кислоты, топлива и высокоактивных отходов.

При разработке технологического оборудования и процессов переработки ОЯТ РБН PNC учитывает следующие отличия этого топлива от ОЯТ LWR:

- сборки топлива РБН заключены в чехол из нержавеющей стали, который следует снимать,

- концентрация Pu в ОЯТ РБН составляет 20-30%, что заставляет жестко контролировать ядерную безопасность и ограничивать размеры технологического оборудования,

- выгорание ОЯТ РБН может достигать 150-200 ГВт^.сут./т и, как следствие, увеличивается количество нерастворимых остатков, растет удельная активность раствора по сравнению с ОЯТ LWR с выгоранием 30-50 ГВт^.сут./т.

Исходя из ожидаемых характеристик ОЯТ, PNC разрабатывает проекты и уже проводит холодные испытания следующих типов технологического оборудования:

- аппарата для расчехловки сборок топлива при помощи лазерной резки,

- непрерывно действующего вращающегося аппарата-растворителя,

- центрифужных аппаратов для осветления раствора ОЯТ,

- центробежных экстракторов с разным числом ступеней,

- системы дистанционного обслуживания технологического оборудования, основанного на модульном принципе,

- приборов для контроля и управления технологическим процессом.

Для проведения горячих испытаний технологического оборудования и отдельных технологических решений создан проект, получено разрешение, и начато строительство в Токаи установки RETF. Производительность оборудования может достигать 10 кг/час.

При проверке технологической цепочки целиком максимальная годовая пропускная способность будет 1,3 т ОЯТ активной зоны реактора Monju или 6 т ОЯТ, из которых 1 т ОЯТ будет из активной, а 5 т из бланкетной зоны реактора Monju.

Центральное место в RETF будет занимать большая камера длиной 48 м, шириной 15 м и высотой 22 м. Здесь размещаются:

- система расчехловки сборок,

- механизм резки ТВЭЛов,

- аппарат-растворитель,

- центрифуга для осветления,

- центробежные экстракторы,

- вспомогательные узлы и системы, необходимые для проведения испытаний (системы газоочистки, системы дистанционного обслуживания, аналитические службы, системы обработки отходов и др.).

Все оборудование установлено на 8 дистанционно заменяемых стендах. Система обслуживания включает два внутрикамерных крана, мощностью 30 т и 5 т, два манипулятора BSM, она оборудована телекамерами. Для ремонта оборудования изъятого из центральной камеры, установка RETF имеет специальную ремонтную камеру, расположенную над камерой для испытания оборудования.

Технологический процесс переработки ОЯТ в RETF предполагается осуществлять следующим образом: ОЯТ доставляемое на RETF в контейнерах, будет выгружаться и временно храниться в специальном хранилище. Извлеченные из хранилища сборки будут поступать в узел расчехловки, где лазерным лучом будет разрезаться внешний кожух гексагональной формы. Мощность лазера на СО₂ – 10 кВт. Связки твэлов после расчехловки будут поступать в магазин аппарата резки ТВЭЛов. Куски ТВЭЛов длиной несколько сантиметров будут поступать в аппарат-растворитель, который имеет форму барабана с внутренней спиральной конструкцией. Специальный механизм вращает барабан, при этом куски ОЯТ поступают с одного конца аппарата-растворителя, а горячая азотная кислота противотоком с другого. При повороте барабана куски твэлов перемещаются по спирали к противоположному концу, где выгружаются пустые оболочки. Раствор передают в центрифугу для осветления, причем осевшие на внутренней поверхности стакана центрифуги нерастворимые частицы смывают азотной кислотой.

Для проверки процессов экстракционной очистки на RETF установлены 12-, 16- и 20-ступенчатые центробежные экстракторы, а также 4-ступенчатые экстракторы для промывки водных растворов разбавителем (додеканом), 6-ступен­чатый экстрактор для очистки экстрагента (30% раствора ТБФ в додекане) и электрохимическое оборудование (рис. 2.6.11).

Экстракционные аппараты № 1 – № 3 и 4-ступенчатые аппараты № 1 - № 3 для промывки разбавителем раствора ВАО и реэкстрактов U и Pu (см. рис. 2.6.11) имеют ядернобезопасную геометрию для всех концентраций, а емкости для приема реэкстрактов оборудованы нейтронопоглощающими пластинами.

Исходный раствор ОЯТ корректируется по составу (кислотность и валентность Pu) и направляется на 8 ступень экстрактора № 1, экстракт промывается 1 М HNO₃ от циркония и 9 М HNO₃ от рутения. Реэкстрагентом для Pu будет служить 0,2 М HNO₃ с гидразином и гидроксиламином. Pu-продукт, полученный в результате реэкстракции, идет в электрохимический аппарат для разложения гидразина и гидроксиламина. Реэкстрагентом для урана служит 0,02 М HNO₃.

Продукты разложения ТБФ – ДБФ и МБФ – будут вымываться последовательно карбонатом гидразина и оксалатом гидразина. вымытые продукты разложения вместе с промывными растворами подкисляются и при этом карбоной гидразина и угольная кислота улетучиваются, жидкие отходы направляют в электрохимический аппарат для разложения.

1 – емкости № 1 и № 2 для приема ВАО, 2, 3, 4 – 4-ступенчатые экстракторы для промывки разбавителем ВАО, реэкстракта Pu и реэкстракта U, соответственно, 5– емкости № 1 и № 2 для приема Pu-продукта, 6 – электрохимические аппараты, 7 – емкости № 1 и № 2 для приема U-продукта, 8 – емкость для хранения отходов, 9 – емкость для жидких отходов реэкстракции, 10 – емкость для хранения экстрагента

Рис. 2.6.11. Схема экстракционного узла на RETF

PNC и другие японские фирмы большое внимание уделяют характеристикам конструкционных материалов для аппаратов и оборудования заводов по переработке ОЯТ. Исследования коррозионной стойкости показали, что:

- нержавеющая сталь марки 304L пригодна для изготовления оборудования и труб, используемых в среде 2-9 М HNO₃ и при температуре ниже 60°С,

- нержавеющая сталь 316L может использоваться для центрифуги на стадии осветления и для хранения ВАО,

- нержавеющая сталь 310 используется для оборудования, работающего в атмосфере 3 М HNO₃,

- нержавеющие стали с высоким содержанием Cr и Мо пригодны для использования аппаратов в системе газоочистки аппарата-растворителя.

Кроме этих марок нержавеющих сталей PNC изучала скорость коррозии Ti, Ti-5Ta, Zr и 310Nb и 304ULC в растворе чистой HNO₃, растворе ОЯТ и в ВАО. Скорость коррозии 310Nb и 304ULC оказалась выше в растворе топлива по сравнению с раствором чистой азотной кислоты, в то время как скорость коррозии Ti, Zr и Ti-5Ta оказалась не зависимой от типа раствора. Потенциалы коррозии 310Nb, Ti-5Ta и Zr оказались более высокими (более благородными) в растворе топлива, чем в растворе ВАО.

Отправной точкой PNC в поиске путей и способов усовершенствования и упрощения технологии переработки и рецикла ОЯТ РБН стало отсутствие необходимости в высоких показателей по очистке урана и плутония от продуктов деления и друг от друга. В случае переработки МОХ-топлива отсутствует необходимость выделять чистый плутоний, если для рецикла потребуется изготавливать новое МОХ-топливо. Оценки показали, что коэффициенты очистки U и Pu от продуктов деления в случае рецикла топлива в РБН могут быть ~ n^.10³ вместо величин 10⁷-10⁸, достигаемых в 5-цикличном PUREX-процессе.

Опыт эксплуатации завода в Токаи, французских перерабатывающих заводов подтвердил, что уже в I цикле экстракции можно получить коэффициенты очистки U и Pu от продуктов деления, равными ~ 4000. Исходя из этих данных, PNC предложила упрощенный вариант переработки и рецикла ОЯТ РБН, основанный на одноцикличном PUREX-процессе. Сравнение операций, предусмотренных рециклом в РБН, в современном и усовершенствованном варианте иллюстрирует рис. 2.6.12.

Как видно из рис. 2.6.12, в усовершенствованном варианте предлагается объединить процесс переработки ОЯТ с процессом изготовления нового топлива в рамках одного завода.

Базовыми элементами усовершенствованной системы рецикла топлива стали в области переработки:

- один цикл экстракции (исключение циклов очистки уранового и плутониевого реэкстракта),

- совместная реэкстракция урана и плутония в соотношении, подходящем для изготовления МОХ-топлива,

- снижение необходимых количеств воды, азотной кислоты и экстрагента по сравнению с трехцикличным PUREX-процессом,

- снижение количества и объемов емкостей, труб, оборудования,

- снижение объемов работ в области газоочистки,

в области изготовления нового топлива:

- упрощение процесса изготовления,

- снижение количества необходимого оборудования,

- создание системы дистанционного управления.

Рис. 2.6.12. Сравнение современного и предложенного PNC рецикла топлива в ЯТЦ РБН

Снижения площадей горячих камер, объемов необходимых реагентов и количества оборудования PNC предполагается добиться, проводя дальнейшее совершенствование переработки путем введения операции кристаллизации гексагидрата уранилнитрата (ТИН) до экстракционного цикла. Кроме того, извлечение Am и Cm из ВАО для рецикла в РБН позволяет снизить объемы и радиотоксичность отходов, подлежащих захоронению в геологические могильники, тем самым способствуя увеличению экономичности предлагаемой схемы рецикла (рис. 2.6.13).

Выбор операции кристаллизации ГУН для осаждения значительной части урана до экстракционного процесса обоснован различиями в растворимости нитратов U и Pu и в температурной зависимости величины растворимости. Эта операция достаточно проста, не требует добавления каких-либо реагентов. Если схемой предусматривается осаждение не всего, а примерно 50% урана, то температуру раствора можно удерживать на уровне -10°С. Выбор такой операции сброса излишков урана для достижения необходимого соотношения урана и плутония для их последующей совместной переработки и изготовления MOX-топлива обоснован ее простотой; кроме того, она не требует введения дополнительных реагентов.

Для реализации предложенной технологии переработки PNC проводит НИОКР в нескольких направлениях (табл. 2.6.5), а также составила компьютерную программу для моделирования поведения проблемных элементов со сложным химическим поведением: Pu, Np, Zr, Ru, Tc.

Рис. 2.6.13. Схема усовершенствованной переработки ОЯТ РБН

Для того чтобы избежать распределения Np по потокам технологической схемы, было решено направлять его в Pu-продукт. На стадии подготовки раствора к экстракции Np окисляют до Np(6+), поскольку Np(4+) может вызвать частичное восстановление Pu⁴⁺ до Pu³⁺, а также контролируют содержание азотной кислоты, строго его ограничивая. Pu также окисляют до Pu(6+) путем нагревания раствора ОЯТ. Благодаря этому Np следует за Pu.

Для реэкстракции Pu используют восстановитель – гидроксиламин нитрат, вместе с ним реэкстрагируется и Np. Последней операцией усовершенствованной схемы переработки является реэкстракция остатков урана.

Общая схема усовершенствованного одноцикличного PUREX-процесса, следующего за операцией кристаллизации, представлена на рис. 2.6.14.

Рис. 2.6.14. Схема одноцикличного процесса

Таблица 2.6.5