научная статья по теме ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ТОПЛИВА СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ТОПЛИВА СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 1, с. 37-42

УДК 542.61

ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ТОПЛИВА СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

© 2014 г. А. В. Очкин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва

ochkin@rctu.ru Поступила в редакцию 03.07.2013 г.

Рассмотрены проблемы переработки отработавшего топлива энергетических реакторов. В настоящее время используется экстракция урана, плутония и нептуния 30% три-н-бутилфосфатом (ТБФ) в углеводородном разбавителе. Водная фаза, которая включает продукты деления, а также америций и кюрий, переводится в стеклянную матрицу. Разрабатывается процесс с выделением америция и кюрия из водной фазы. Рассмотрено термодинамическое описание органической фазы в виде пя-тикомпонентной системы Ы20—ЫМ03—и02(М03)2—ТБФ—разбавитель, так как содержание плутония невелико. Данная система разделяется на подсистемы и проводится описание подсистем с использованием активностей компонентов и их рациональных коэффициентов активностей. Приведены данные по расчету трех тройных подсистем и одной четверной подсистемы.

Б01: 10.7868/80040357114010084

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время переработка отработавшего топлива производится с помощью ПУРЕКС-про-цесса. Первоначальное название процесса РиЯЕХ предусматривало выделение плутония (Р) и урана (иЯ) методом экстракции (ЕХ) растворами три-н-бутилфосфата (ТБФ). При этом основными отходами производства были продукты деления, а образование нептуния-237 и трансплутониевых элементов (америция и кюрия) было в то время незначительным. С переходом к переработке топлива энергетических реакторов происходит постепенное изменение радионуклидного состава. Анализ топлива реактора ВВЭР-440 для глубины выгорания 33.4 МВт сут/кг был проведен в 1981 г. [1]. Одна тонна топлива включала 957 кг урана, 0.445 кг нептуния-237, 9.2 кг плутония, 124 г америция и кюрия и 33.3 кг продуктов деления. При выдержке топлива в течение 5 лет для уменьшения в топливе короткоживущих продуктов деления происходит рост количества америция примерно до 300 г за счет распада плутония-241. Современная радиохимическая переработка отработавшего топлива включает использование 30% (об.) ТБФ в углеводородном разбавителе (смесь углеводородов С11—С14) [2]. При этом в органической фазе концентрируются уран, плутоний и нептуний, а в водной фазе — америций, кюрий и продукты деления. В дальнейшем на основе водной фазы формируются высокоактивные отходы (ВАО).

В 1990-х годах происходит дальнейшее изменение радионуклидного состава топлива, вызванное двумя процессами.

1. Для уменьшения радиационной нагрузки на персонал АЭС происходит постепенное повышение глубины выгорания с 33.4 до примерно 50— 60 МВт сут/кг. Это приводит к повышению содержания в обычном топливе америция-243 и радионуклидов кюрия [3].

2. В Европе начинается применение МОХ-топлива (смесь диоксидов урана и плутония). При радиохимической переработке такого топлива содержание плутония будет постепенно увеличиваться, что приводит к дальнейшему повышению в топливе концентрации америция и кюрия.

Вследствие этого была поставлена задача создания технологии переработки отработавшего топлива, которая включала бы выделение америция и (возможно) кюрия из ВАО, образующихся при экстракционной технологии. Целью настоящей работы является рассмотрение физико-химических задач, возникающих при переработке отработавшего топлива, связанных со свойствами органической фазы.

СОВРЕМЕННЫЙ ПУРЕКС-ПРОЦЕСС

Современный процесс радиохимической переработки отработавшего топлива может быть представлен следующей схемой (рис. 1).

Содержание целевых элементов в ВАО не превышает 0.01% по урану, 0.025% по плутонию и

Рис. 1. Современный процесс радиохимической переработки отработавшего топлива.

Рис. 2. Схема переработки отработавшего топлива с выделением америция и кюрия.

0.5% по нептунию [2]. Радиационная опасность ВАО часто оценивается произведением ZA¡s¡ [4], где A¡ — активность радионуклида i в Бк/т урана, s¡ — до-зовый коэффициент радионуклида i в Зв/Бк [5]. Оценка радиационной опасности ВАО для топлива, приведенного в [1] с учетом содержания в топливе двух наиболее важных продуктов деления — 90Sr и 137Cs, для двух значений времени выдержки сразу после переработки и через 1000 лет выдержки дана в табл. 1.

Из таблицы 1 можно сделать следующие выводы.

1. Существующая система радиохимической переработки отработавшего топлива предусматривает слишком высокие удельные активности в ВАО, которые определяются в основном продуктами деления 90Sr и 137Cs и радионуклидами америция и кюрия. Вследствие этого в США переработка отработавшего топлива была прекращена в середине 1980-х годов. В ЕС была поставлена задача создать технологический процесс, преду-

Таблица 1. Радиационная опасность радионуклидов ВАО в Зв/т урана (переработка после выдержки топлива в течение 5 лет)

Время U Np Pu Am Cm 90Sr 137Cs

Сразу после переработки 0.409 6.40 10990 2.87 х 106 5.95 х 106 9.2 х 107 5.2 х 107

Через 1000 лет 0.391 6.47 2885 1.36 х 106 3.28 х 104 0 0

сматривающий выделение минорных актиноидов Мр, Ат и Ст (см., например, [6]).

2. Содержание 9(^г и 137Сз в ВАО определяется их периодами полураспада и глубиной выгорания. В настоящее время для распада этих радионуклидов до безопасной величины необходимо примерно 600—650 лет.

3. Необходимо уменьшение количества америция и кюрия в ВАО до допустимой величины.

Схема переработки отработавшего топлива с выделением америция и кюрия представлена на рис. 2.

При анализе рис. 1 необходимо учитывать свойства основных радионуклидов америция и кюрия, образующихся в ядерном реакторе, которые представлены в табл. 2.

Из таблицы 2 видно, что в растворах америция и кюрия происходит выделение огромного количества тепла, при этом тепловыделение кюрия более чем в 10 раз превосходит тепловыделение аме-

Таблица 2. Некоторые свойства основных радионуклидов америция и кюрия

Радионуклид Т1/2, лет Содержание г/т и [1] Вид распада Продукт распада Тепловыделение, Вт/г

241Лт 432.2 269 а 237Мр 0.111

242тЛт 152 0.64 1Т (>99.5%) а (<0.5%), в 242Лт 238Ри 0.301

243Лт 7380 49 а, в 239Ри 0.0062

243Ст 28.5 0.34 а 239Ри 1.73

244Ст 18.1 16.3 а 240Ри 2.78

риция (содержание 242тЛт в сумме радионуклидов америция незначительно).

При обычном режиме радиохимической переработки отработавшего топлива (рис. 1) происходит в основном радиолиз водной фазы, тогда как радиолиз органической фазы относительно незначителен. Однако при использовании схемы, представленной на рис. 2, необходимо учитывать в некоторых случаях и радиолиз органической фазы. Процесс включает следующие стадии:

выделение из водной фазы экстракционного процесса смеси редкоземельных элементов (продуктов деления) и америция и кюрия;

проведение экстракционного разделения редкоземельных элементов и америция и кюрия.

При этом возможны два варианта: 1) совместное выделение америция и кюрия и 2) экстракция только америция, тогда как кюрий остается в водной фазе. Последний процесс получил название ЕХЛт [7], который отражает экстракцию только америция и основан на различии тепловыделения америция и кюрия, которое хорошо видно из табл. 2. В дальнейшем специфика процессов выделения америция и кюрия, связанная с радиоли-зом, не будет здесь рассматриваться.

ПЕРЕРАБОТКА ОРГАНИЧЕСКОЙ ФАЗЫ

В настоящее время экстракционная переработка проводится с использованием центробежных экстракторов для уменьшения радиолиза ТБФ. Используются 30% растворы ТБФ в углеводородном разбавителе. При этом исходная концентрация ТБФ составляет примерно 1 моль/л. Это означает, что максимальная концентрация нитрата уранила будет не более 0.5 моль/л, а концентрация нитрата плутония зависит от состава исходного топлива. Первоначально она составляла примерно 1% от концентрации урана [1]. Однако с ростом глубины выгорания она немного рас-

тет, а при переработке топлива быстрых реакторов с натриевым теплоносителем может составить несколько грамм на литр. Тогда состав органической фазы можно рассматривать как шестикомпонент-ную систему Ы20-ЫМ03-и02(М0з)2-Ри(М0з)4-ТБФ-разбавитель. Однако так как содержание плутония в данной системе невелико, то в основу следует положить пятикомпонентную систему Ы20-ЫМ03-и02(М03)2-ТБФ-разбавитель, а влияние плутония на равновесие можно учитывать с помощью эмпирических уравнений, как это сделано в [8].

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ Ы20-ЫМ03-и02(М03)2-ТБФ-РАЗБАВИТЕДЬ

Принципы описания пятикомпонентной системы представлены в [9] и включают три основных положения.

1. Основная система разбивается на подсистемы, которые описываются по отдельности.

2. Каждая подсистема описывается с использованием молярных долей и рациональных коэффициентов активности.

3. Для описания равновесия между компонентами раствора используется закон действия масс и уравнения, связывающие коэффициенты активности.

Для расчета термодинамических функций используются мольные доли х, и рациональные коэффициенты активности^ = а/х,, где а, - термодинамическая активность. Различия между рациональ-ными/„ молярными у, (у, = а ¡с/с,, где с,, - молярная концентрация компонента ,, а,с - термодинамическая активность в молярных концентрациях) и моляльными коэффициентами активности у, (у, = = атт/т,, где т, - моляльность компонента ,, а,т -термодинамическая активность в моляльных

Таблица 3. Система Н2О ТБФ

№ aw [10] C [10], моль/л Cw [10], моль/л ft fw Jt Jw Yw

1 0.11 3.638 0.2 0.999 1.012 0.951 0.932 0.929

2 0.224 3.623 0.439 1.000 0.992 0.899 0.865 0.857

3 0.33 3.607 0.682 0.999 0.993 0.850 0.820 0.808

4 0.427 3.592 0.967 1.008 0.959 0.806 0.748 0.731

5 0.5 3.579 1.15 1.005 0.976 0.774 0.737 0.714

6 0.529 3.573 1.199 0.996 1.008 0.762 0.748 0.731

7 0.618 3.555 1.484 0.997 1.002 0.722 0.706 0.684

8 0.8 3.508 2.173 0.998 1.002 0.642 0.624 0.599

9 0.842 3.494 2.436 0.997 1.002 0.623 0.586 0.580

10 0.902 3.473 2.778 1.020 0.970 0.595 0.550 0.521

концентрациях) на примере системы Н2О—ТБФ [10] иллюстрируется табл. 3.

Из таблицы 3 видно, что рациональные коэффициенты активности ТБФ/ и водыfw бли

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком