RU2194783C1 - Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies - Google Patents
Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2194783C1 RU2194783C1 RU2001109754A RU2001109754A RU2194783C1 RU 2194783 C1 RU2194783 C1 RU 2194783C1 RU 2001109754 A RU2001109754 A RU 2001109754A RU 2001109754 A RU2001109754 A RU 2001109754A RU 2194783 C1 RU2194783 C1 RU 2194783C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- melt
- zinc
- solid fuel
- separation
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пирометаллургическим методам регенерации отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) преимущественно на основе урана и плутония. The invention relates to pyrometallurgical methods for the regeneration of spent nuclear fuel (SNF) mainly based on uranium and plutonium.
Существуют способы механического извлечения оксидного уранового топлива из металлических оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных из циркония, легированного ниобием, заключающиеся в разборке тепловыделяющих сборок (ТВС) на отдельные твэлы и последующей резке [1], рубке [2] или деформации [3] ; или - в отрезании хвостовиков и рубке всей ТВС на отдельные куски без разборки на отдельные твэлы [4]. Недостатком этих способов являются многостадийность и образование больших количеств пыли и аэрозолей оксидного топлива, что требует мощных и высокоэффективных систем газоочистки. В результате разборки ТВС и рубки твэлов образуется большое количество фрагментов циркониевых оболочек (так называемой циркониевой шелухи), которые являются пожароопасными и требуют строительства специальных хранилищ больших объемов. There are methods for the mechanical extraction of uranium oxide oxide from metal shells of fuel elements (fuel rods) made of niobium doped zirconium, which consists in disassembling fuel assemblies (FA) into individual fuel rods and subsequent cutting [1], cutting [2] or deformation [3] ; or - in cutting the shanks and chopping the entire fuel assembly into separate pieces without disassembling into individual fuel elements [4]. The disadvantage of these methods is the multi-stage and the formation of large quantities of dust and aerosols of oxide fuel, which requires powerful and highly efficient gas cleaning systems. As a result of disassembling fuel assemblies and cutting fuel rods, a large number of fragments of zirconium shells (the so-called zirconium husk) are formed, which are fire hazardous and require the construction of special storage facilities of large volumes.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термический способ извлечения ядерного топлива из тепловыделяющих элементов [А.С. СССР 357596, опубл. 31.10.72 г. Бюл. N 33] с отделением топлива от конструкционных материалов путем нагрева до температуры плавления оболочек, согласно которому тепловыделяющие элементы помещают в контейнер, выполненный из железа массой 15-25% от массы конструкционных деталей тепловыделяющих элементов и выполняющий роль твердой присадки, и ведут процесс в вакууме или инертной атмосфере при температуре 1000-1300oС.The closest in technical essence and the achieved result is a thermal method for extracting nuclear fuel from fuel elements [A.S. USSR 357596, publ. 10.31.72 g. Bull. N 33] with the separation of fuel from structural materials by heating to the melting temperature of the shells, according to which the fuel elements are placed in a container made of iron with a mass of 15-25% by weight of the structural parts of the fuel elements and acting as a solid additive, and carry out the process in a vacuum or inert atmosphere at a temperature of 1000-1300 o C.
Недостатками данного способа являются:
- применимость его только для переработки твэлов, оболочки которых изготовлены из сплавов на основе циркония;
- необходимость изготовления контейнеров из железа, которое в ходе переработки твэлов войдет в состав радиоактивных металлических отходов и не может быть извлечено из них экономически приемлемым способом для повторного использования в технологическом цикле.The disadvantages of this method are:
- its applicability only for the processing of fuel elements whose shells are made of zirconium-based alloys;
- the need to manufacture containers of iron, which during the processing of fuel rods will be part of radioactive metal waste and cannot be removed from them in an economically acceptable way for reuse in the production cycle.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
- разработка универсального способа извлечения керамического отработавшего ядерного топлива из твэлов и ТВС, конструкционные детали (оболочки твэлов, концевые детали и дистанционирующие решетки ТВС и др.) которых изготовлены как из сплавов на основе циркония, так и из сплавов на основе железа (нержавеющих и др. типов сталей) и их комбинаций, включая твэлы реактора "Брест", содержащие свинцовую прослойку;
- исключение операций по разборке тепловыделяющих сборок и, как следствие, сокращение многостадийности и трудоемкости процесса;
- сокращение объема образующихся радиоактивных металлических отходов, пыли и аэрозолей.The technical result of the proposed solution is:
- development of a universal method for the extraction of ceramic spent nuclear fuel from fuel rods and fuel assemblies, structural parts (fuel cladding, end parts and spacer grids of fuel assemblies, etc.) which are made both from zirconium-based alloys and from iron-based alloys (stainless and others types of steels) and their combinations, including fuel pins of the Brest reactor containing a lead layer;
- the exclusion of operations for the dismantling of fuel assemblies and, as a consequence, the reduction of multi-stage and labor-intensive process;
- reduction of the volume of generated radioactive metal waste, dust and aerosols.
Технический результат достигается тем, что в способе извлечения керамического ядерного топлива из тепловыделяющих элементов, включающем расплавление в атмосфере инертного газа металлических конструкционных материалов и отделение полученного расплава от твердого топлива, согласно изобретению расплавлению подвергают тепловыделяющие элементы и тепловыделяющие сборки, процесс расплавления ведут в тигле плавильной печи с цинковым расплавом при 600-1200oС, содержание цинка в расплаве поддерживают в пределах 50-98 мас.%, расплав отделяют от твердого топлива, охлаждают до 430-1000oС, верхний слой охлажденного расплава сливают и возвращают в технологический цикл.The technical result is achieved in that in a method for extracting ceramic nuclear fuel from fuel elements, including melting in an inert gas atmosphere of metallic structural materials and separating the obtained melt from solid fuel, according to the invention, the fuel elements and fuel assemblies are subjected to melting, the melting process is carried out in a crucible of a melting furnace zinc melt at 600-1200 o C., the zinc content of the melt is maintained in the range 50-98 wt.%, the melt is separated from the t erdogo fuel, cooled to 430-1000 o C, the top layer of the cooled melt is drained and returned to the process cycle.
Расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. The melt after separation from solid fuel is filtered.
Твердое топливо промывают цинковым расплавом. Solid fuel is washed with zinc melt.
Промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива направляют на извлечение керамического ядерного топлива из тепловыделяющих элементов. Промывной цинковый расплав после отделения от твердого топлива фильтруют. Верхний слой охлажденного расплава сливают и возвращают на промывку твердого топлива и/или на извлечение керамического ядерного топлива из тепловыделяющих элементов. Washing zinc melt after separation from solid fuel is directed to the extraction of ceramic nuclear fuel from fuel elements. Wash zinc melt after separation from solid fuel is filtered. The upper layer of the cooled melt is drained and returned to the washing of the solid fuel and / or to the extraction of ceramic nuclear fuel from the fuel elements.
Процессы расплавления, охлаждения расплава и промывки ведут в вакуумных индукционных печах с тиглями, прозрачными для электромагнитного поля, преимущественно металлическими разрезными водоохлаждаемыми тиглями, при электромагнитном перемешивании расплава. The processes of melting, melt cooling and washing are carried out in vacuum induction furnaces with crucibles transparent to the electromagnetic field, mainly metal split water-cooled crucibles, with electromagnetic stirring of the melt.
Процессы ведут при частоте индукционных токов 50-250000 Гц. The processes are conducted at a frequency of induction currents of 50-250000 Hz.
Основными отличительными признаками предлагаемого процесса являются:
- погружение перерабатываемых твэлов или ТВС в сборе без предварительной разборки на отдельные твэлы или пакеты твэлов в цинковый расплав;
- поддержание содержания цинка в расплаве в пределах 50-98 мас.%;
- проведение процесса при 600-1200oС;
- охлаждение расплава после отделения от твердого топлива до 430-1000oС;
- слив и возврат верхнего слоя охлажденного расплава в технологический цикл.The main distinguishing features of the proposed process are:
- immersion of the processed fuel rods or fuel assemblies without preliminary disassembly into individual fuel rods or bundles of fuel rods in a zinc melt;
- maintaining the zinc content in the melt in the range of 50-98 wt.%;
- carrying out the process at 600-1200 o C;
- cooling the melt after separation from solid fuel to 430-1000 o C;
- draining and returning the upper layer of the cooled melt to the production cycle.
Способ основан на том, что в цинке растворяются практически все металлы, входящих в состав конструкционных материалов твэлов и ТВС: Zr, Nb, Fe, Cr, Ni, Pb и др. , но практически не растворяются компоненты керамического ядерного топлива. В результате растворения металлических конструкционных деталей твэлов и ТВС будет образовываться двухфазная система, состоящая из металлического расплава и твердого керамического топлива, с последующим разделением фаз по удельной плотности непосредственно в плавильном тигле. При сливе расплава из тигля в случае необходимости отделения взвешенных частиц твердого топлива расплав подвергают контрольной фильтрации. The method is based on the fact that almost all metals that are part of the structural materials of fuel elements and fuel assemblies: Zr, Nb, Fe, Cr, Ni, Pb, etc. are dissolved in zinc, but the components of ceramic nuclear fuel are practically not dissolved. As a result of the dissolution of the metal structural parts of fuel elements and fuel assemblies, a two-phase system will be formed, consisting of a metal melt and solid ceramic fuel, followed by phase separation by specific density directly in the melting crucible. When draining the melt from the crucible, if necessary, separation of suspended particles of solid fuel, the melt is subjected to control filtration.
Перед началом процесса переработки в плавильном тигле готовится ванна легкоплавкого цинкового расплава. Партию отработавших твэлов или тепловыделяющую сборку равномерно погружают в расплав, в котором происходит растворение металлических конструкционных деталей под действием таких факторов, как высокая температура, агрессивная среда металлического цинкового расплава и его интенсивное электромагнитное перемешивание. Очевидно, что в силу своих физико-химических характеристик металлы, входящие в конструкционные материалы твэлов и ТВС, после растворения будут концентрироваться в металлическом расплаве. В результате этой операции в плавильном тигле сформируется двухфазная система, состоящая из расплава на основе цинка с растворенными в нем металлами, входящими в состав конструкционных материалов твэлов, такими как цирконий, ниобий, железо, хром, никель, свинец и некоторыми др., а также фрагментов твердого керамического топлива различной крупности. Последние, как имеющие большую плотность (10-13 г/см3), будут оседать в нижнюю часть тигля. Металлический расплав, содержащий небольшие количества мелкодисперсных частиц ядерного топлива во взвешенном состоянии, располагается в верхней части тигля, а также заполняет открытые поры твердого топлива. В процессе переработки твэлов по мере накопления в тигле твердого топлива до предельно допустимого значения расплав на основе цинка сливают в другую плавильную печь. Присутствующие в сливаемых расплавах твердые частицы топлива, при необходимости, отфильтровывают. Остатки металлического расплава вымывают из пор твердого топлива расплавом регенерированного цинка, который, при необходимости, фильтруют и направляют на операцию извлечения твердого топлива из твэлов. Твердое топливо выгружают из тигля и направляют на дальнейшую переработку.Before starting the processing process in a melting crucible, a bath of fusible zinc melt is prepared. A batch of spent fuel rods or a fuel assembly is uniformly immersed in the melt, in which the dissolution of the metal structural parts occurs under the influence of factors such as high temperature, the aggressive environment of the metal zinc melt and its intense electromagnetic mixing. It is obvious that, due to their physicochemical characteristics, the metals included in the structural materials of fuel elements and fuel assemblies, after dissolution, will be concentrated in the metal melt. As a result of this operation, a two-phase system is formed in the melting crucible, consisting of a zinc-based melt with metals dissolved in it, which are part of the structural materials of fuel elements, such as zirconium, niobium, iron, chromium, nickel, lead, and some others, as well as fragments of solid ceramic fuels of various sizes. The latter, as having a high density (10-13 g / cm 3 ), will settle in the lower part of the crucible. A metal melt containing small amounts of finely divided particles of nuclear fuel in suspension is located in the upper part of the crucible, and also fills the open pores of solid fuel. During the processing of fuel rods, as solid fuel accumulates in the crucible to the maximum permissible value, the zinc-based melt is poured into another melting furnace. The solid fuel particles present in the melted melts are filtered off, if necessary. The residual metal melt is washed from the pores of the solid fuel with a regenerated zinc melt, which, if necessary, is filtered and sent to the operation for extracting solid fuel from the fuel elements. Solid fuel is discharged from the crucible and sent for further processing.
Регенерацию цинкового расплава, содержащего, например, цирконий с ниобием или железо с хромом и свинцом, а также другие растворенные в цинке металлы, проводят методом ликвации. Метод основан на выпадении из расплава при его охлаждении кристаллов интерметаллидов: Zr3Zn2, ZrZn, ZrZn2, ZrZn3, ZrZn6, ZrZn14, ZrZn22, NbZn, Nb2Zn3, NbZr3, NbZn7, NbZn15, FeZn13, CrZn17, NiZn3, Ni3Zn10, Ni5Zn21, Ni4Zn22 и др., а также на ограниченной растворимости свинца в цинке, снижающейся при охлаждении. В процессе охлаждения расплава на основе цинка, содержащего цирконий ниобий, железо, хром и никель (основные конструкционные материалы ТВС реактора ВВЭР-1000), в результате ликвации получают два слоя:
1) нижний слой - твердые интерметаллиды типа ZrmZnn, NbmZnn, FeZn13, CrZn17, NimZnn, и др., которые в виде губчатой массы оседают на дно тигля;
2) верхний слой - жидкий рафинированный (регенерированный) цинк.The regeneration of a zinc melt containing, for example, zirconium with niobium or iron with chromium and lead, as well as other metals dissolved in zinc, is carried out by segregation. The method is based on the precipitation of intermetallic crystals from the melt upon cooling: Zr 3 Zn 2 , ZrZn, ZrZn 2 , ZrZn 3 , ZrZn 6 , ZrZn 14 , ZrZn 22 , NbZn, Nb 2 Zn 3 , NbZr 3 , NbZn 7 , NbZn 15 , FeZn 13 , CrZn 17 , NiZn 3 , Ni 3 Zn 10 , Ni 5 Zn 21 , Ni 4 Zn 22 and others, as well as the limited solubility of lead in zinc, which decreases upon cooling. In the process of cooling a melt based on zinc containing zirconium niobium, iron, chromium and nickel (the main structural materials of the fuel assemblies of the WWER-1000 reactor), two layers are obtained as a result of segregation:
1) the lower layer - solid intermetallic compounds of the type Zr m Zn n , Nb m Zn n , FeZn 13 , CrZn 17 , Ni m Zn n , etc., which in the form of a spongy mass settle to the bottom of the crucible;
2) the top layer is liquid refined (regenerated) zinc.
В процессе охлаждения расплава на основе цинка содержащего железо, хром и свинец (основные конструкционные материалы твэлов реактора "Брест"), получают три слоя:
1) нижний слой - жидкий сплав свинца с цинком, содержащий 5-6 мас.% цинка;
2) средний слой - твердые интерметаллиды типа FeZn13, CrZn17 и др., которые в виде губчатой массы располагаются над свинцово-цинковым расплавом;
3) верхний слой - жидкий рафинированный (регенерированный) цинк.In the process of cooling a melt based on zinc containing iron, chromium and lead (the main structural materials of the fuel elements of the Brest reactor), three layers are obtained:
1) the lower layer is a liquid alloy of lead with zinc containing 5-6 wt.% Zinc;
2) the middle layer - solid intermetallic compounds of the type FeZn 13 , CrZn 17 and others, which are located in the form of a spongy mass above the lead-zinc melt;
3) the top layer is liquid refined (regenerated) zinc.
В процессе переработки твэлов и ТВС может произойти незначительное (поскольку процесс ведется при относительно низких температурах) восстановление керамического уранового и плутониевого топлива до металлов: урана и плутония соответственно. Однако металлические уран и плутоний также образуют интерметаллиды (U2Zn17, PuZn2, Pu2Zn9, PuZn8 Pu2Zn17) с цинком. Следовательно, при циркуляции в технологическом цикле цинкового расплава уран и плутоний не будут накапливаться в нем, поскольку будут удаляться в интерметаллидную фазу вместе с цирконием, ниобием, железом, хромом, никелем и др. металлами при ликвационном рафинировании. Это является весьма важным положительным фактором, поскольку накопление урана-235 и плутония может привести к самопроизвольной цепной реакции (СЦР).In the process of processing fuel elements and fuel assemblies, insignificant (as the process is conducted at relatively low temperatures) reduction of ceramic uranium and plutonium fuel to metals: uranium and plutonium, respectively, can occur. However, metallic uranium and plutonium also form intermetallic compounds (U 2 Zn 17 , PuZn 2 , Pu 2 Zn 9 , PuZn 8 Pu 2 Zn 17 ) with zinc. Consequently, during the circulation of the zinc melt in the technological cycle, uranium and plutonium will not accumulate in it, since they will be removed into the intermetallic phase together with zirconium, niobium, iron, chromium, nickel and other metals during segregation refining. This is a very important positive factor, since the accumulation of uranium-235 and plutonium can lead to a spontaneous chain reaction (SCR).
Рафинированный (регенерированный) цинк сливают через верх тигля и направляют на операции промывки твердого топлива и/или извлечения его (топлива) из очередной партии твэлов. Нижний слой - сплав свинца с цинком удаляют через сливное устройство в поддоне и направляют для извлечения цинка методом вакуумной дистилляции. Оставшуюся в тигле губчатую массу химических соединений (интерметаллидов) циркония, ниобия, железа хрома, никеля и др. металлов с цинком выгружают из тигля и также направляют на извлечение цинка методом вакуумной дистилляции с цель возврата в технологический цикл. Refined (regenerated) zinc is poured through the top of the crucible and sent to the operation of washing solid fuel and / or removing it (fuel) from the next batch of fuel rods. The bottom layer is an alloy of lead with zinc is removed through a drain device in the pan and sent to extract zinc by vacuum distillation. The spongy mass of chemical compounds (intermetallic compounds) of zirconium, niobium, chromium iron, nickel, and other metals with zinc remaining in the crucible is discharged from the crucible and also sent to the zinc extraction by vacuum distillation in order to return to the technological cycle.
Поддержание содержания цинка в расплаве на уровне не ниже 50 мас.% обусловлено тем, что при более низких значениях образуются расплавы с более высокими температурами ликвидуса, что приводит к значительным потерям летучего цинка в результате испарения, а также возрастает вероятность растворения твердого ОЯТ в металлическом расплаве и повышается энергоемкость процесса. При содержании цинка в расплаве более 98 мас.% резко снижается производительность процесса. Maintaining the zinc content in the melt at a level of not less than 50 wt.% Is due to the fact that at lower values, melts are formed with higher liquidus temperatures, which leads to significant losses of volatile zinc as a result of evaporation, and also increases the likelihood of solid SNF dissolving in the metal melt and increases the energy intensity of the process. When the zinc content in the melt is more than 98 wt.%, The process productivity sharply decreases.
Проведение процесса извлечения керамического ядерного топлива из твэлов при 600-1200oС обусловлено тем, что в этом интервале обеспечивается быстрое и полное растворение в цинковом расплаве всех металлов, входящих в состав конструкционных деталей твэлов, но не растворяется ОЯТ.The process of extraction of ceramic nuclear fuel from fuel rods at 600-1200 o C is due to the fact that in this interval provides a quick and complete dissolution in the zinc melt of all metals that are part of the structural parts of the fuel rods, but does not dissolve SNF.
Ликвационную очистку ведут при 430-1000oС в зависимости от состава исходного расплава. Этот интервал установлен экспериментально и обусловлен максимально достижением необходимой степени очистки цинка от растворенных в нем металлов.Liquidation cleaning is carried out at 430-1000 o C depending on the composition of the initial melt. This interval is established experimentally and is due to the maximum achievement of the necessary degree of purification of zinc from metals dissolved in it.
Для технически и экономически эффективного проведения операций извлечения ядерного топлива на основе урана и плутония из тепловыделяющих элементов в агрессивной среде металлического расплава необходима специальная плавильная печь, позволяющая реализовать следующие условия:
- исключить загрязнение извлекаемого ядерного топлива материалом плавильного тигля;
- исключить поглощение плавильным тиглем радиоактивных элементов во избежание образования нового типа радиоактивных отходов в виде отработанных тигельных материалов;
- обеспечить электромагнитное перемешивание расплава, интенсифицирующее растворение конструкционных материалов твэлов и ТВС в цинковом расплаве;
- обеспечить проведение технологических операций в атмосфере инертного газа;
- обеспечить возможность перемещения расплава и твердого топлива внутри тигля в требуемом направлении (вверх или вниз), а также сливать расплав по желобу, расположенному в верхней части тигля или через отверстие в поддоне;
- обеспечить практически безынерционное управление температурой расплава;
- обеспечить кардинальное решение проблемы долговечности тигля, а именно он должен работать несколько лет и не требовать промежуточных зачисток и ремонтов с участием обслуживающего персонала.For technically and cost-effective operations for the extraction of nuclear fuel based on uranium and plutonium from fuel elements in an aggressive environment of metal melt, a special melting furnace is needed that allows the following conditions to be realized:
- eliminate contamination of recoverable nuclear fuel with the material of the melting crucible;
- to eliminate the absorption by the melting crucible of radioactive elements in order to avoid the formation of a new type of radioactive waste in the form of spent crucible materials;
- to provide electromagnetic mixing of the melt, intensifying the dissolution of structural materials of fuel elements and fuel assemblies in zinc melt;
- ensure the implementation of technological operations in an inert gas atmosphere;
- to provide the ability to move the melt and solid fuel inside the crucible in the desired direction (up or down), as well as drain the melt through a trench located in the upper part of the crucible or through an opening in the pallet;
- provide almost inertialess control of the temperature of the melt;
- to provide a radical solution to the problem of longevity of the crucible, namely it should work for several years and not require intermediate cleanings and repairs with the participation of maintenance personnel.
Такими свойствами обладают вакуумные индукционные печи с металлическими разрезными водоохлаждаемыми (холодными) тиглями (ИПХТ), снабженными перемещающимися поддонами со сливными устройствами, а также сливными желобами, расположенными в верхней части тигля. Как показал промышленный опыт, срок службы ИПХТ достигает 18 лет и более, что практически исключает образования такого класса радиоактивных отходов, как отработавшие тигельные материалы. Применение индукционных токов относительно низкого диапазона частот (50-250000 Гц) позволяет применять простые и надежные источники силового электропитания, обеспечивает интенсивное перемешивание металлического расплава, а также значительно упрощает конструкцию ИПХТ. Such properties are possessed by vacuum induction furnaces with metal split water-cooled (cold) crucibles (IPCT), equipped with moving pallets with drain devices, as well as drain troughs located in the upper part of the crucible. As industrial experience has shown, the life cycle of IPCP reaches 18 years or more, which virtually eliminates the formation of a class of radioactive waste such as spent crucible materials. The use of induction currents in a relatively low frequency range (50-250000 Hz) allows the use of simple and reliable sources of power supply, provides intensive mixing of the metal melt, and also greatly simplifies the design of IPCT.
Очевидно, что ликвационное рафинирование (регенерирование) отработанного цинкового расплава наиболее эффективно проводить в ИПХТ такого же типа, что и для извлечения керамического ядерного топлива из твэлов. It is obvious that liquation refining (regeneration) of spent zinc melt is most efficiently carried out in IPCP of the same type as for the extraction of ceramic nuclear fuel from fuel elements.
Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в атмосфере аргона в двух индукционных печах (частота тока 2400 Гц) с прозрачным для электромагнитного поля медным секционированным водоохлаждаемыми (холодными) тиглями диаметром 100 мм со сливными желобами в верхней части тиглей и устройствами для донного слива расплава в перемещающихся поддонах. Под сливными желобами и устройствами для донного слива устанавливали керамические фильтры для улавливания частиц твердого топлива. An experimental verification of the proposed method was carried out in an argon atmosphere in two induction furnaces (current frequency 2400 Hz) with transparent sectioned water-cooled (cold) crucibles with a diameter of 100 mm, transparent for the electromagnetic field, with drain chutes in the upper part of the crucibles and devices for bottom discharge of the melt in moving pallets. Ceramic filters were installed under the drain troughs and bottom discharge devices to capture solid fuel particles.
Пример 1. В холодный тигель первой печи загружали 4 кг чистого цинка и расплавляли. В расплав загружали имитатор ТВС реактора ВВЭР-1000: 340 г стали 12Х18Н10Т и 600 г трубок из сплавов 110-Э и 125-Э (основа цирконий + 1 и 2,5 мас. % ниобия соответственно), содержащих внутри 1,6 кг диоксида урана. Процесс вели до полного растворения нержавеющей стали и оболочек из сплавов 110-Э и 125-Э в течение 25 мин при 750oС и электромагнитном перемешивании расплава. После этого открывали пробку сливного устройства, расплав, содержащий 87 мас. % цинка, сливали на фильтр, а после фильтрации - в переносную обогреваемую изложницу, из которой расплав заливали в холодный тигель второй печи. Этот расплав в течение 50 мин охлаждали до 550oС для протекания процесса выпадения кристаллов интерметаллидов типа ZrmZnn, NbmZnn, FemZnn, CrmZnn, NimZnn и др. Далее открывали пробку сливного устройства и сливали расплав рафинированного (регенирированного) цинка в обогреваемую изложницу, а из нее - в тигель первой печи для промывки находящегося там диоксида урана. Процесс промывки вели при 700oС в течение 15 мин при электромагнитном перемешивании расплава. После этого пробку сливного устройства открывали и сливали промывной расплав на фильтр, после чего он попадал в изложницу. Промытый диоксид урана выгружали из тигля, взвешивали и по разности определяли потери диоксида урана в ходе технологических операций, которые составили 0,08 мас. %. Также анализировали состав цинкового расплава после его рафинирования (регенерации) методом ликвации: содержание циркония, ниобия, железа, хрома, никеля и урана в нем составило 0,15; 0, 008; 0,08; 0,007; 0,012 и 0,0015 мас.% соответственно. Содержание циркония, ниобия, железа, хрома, никеля и урана в промывном расплаве составило 0,23; 0, 012; 0,13; 0,011; 0,019 и 0,0017 мас.% соответственно.Example 1. In a cold crucible of the first furnace, 4 kg of pure zinc were charged and melted. A VVER-1000 reactor fuel assembly simulator was loaded into the melt: 340 g of steel 12Kh18N10T and 600 g of tubes of alloys 110-E and 125-E (zirconium base + 1 and 2.5 wt.% Niobium, respectively) containing 1.6 kg of dioxide inside uranium. The process was conducted until complete dissolution of stainless steel and shells of alloys 110-E and 125-E for 25 min at 750 o C and electromagnetic stirring of the melt. After that, the plug of the drain device was opened, the melt containing 87 wt. % of zinc was poured onto the filter, and after filtration, into a portable heated mold, from which the melt was poured into the cold crucible of the second furnace. This melt was cooled to 550 ° C for 50 minutes to allow the precipitation of crystals of intermetallic compounds of the type Zr m Zn n , Nb m Zn n , Fe m Zn n , Cr m Zn n , Ni m Zn n , etc. Next, the drain plug was opened and the molten refined (regenerated) zinc was poured into the heated mold, and from it into the crucible of the first furnace to wash the uranium dioxide located there. The washing process was carried out at 700 o C for 15 min with electromagnetic stirring of the melt. After that, the drain plug was opened and the washing melt was poured onto the filter, after which it fell into the mold. The washed uranium dioxide was discharged from the crucible, weighed, and the difference was determined by the loss of uranium dioxide during technological operations, which amounted to 0.08 wt. % Also analyzed the composition of the zinc melt after refining (regeneration) by segregation: the content of zirconium, niobium, iron, chromium, nickel and uranium in it was 0.15; 0, 008; 0.08; 0.007; 0.012 and 0.0015 wt.%, Respectively. The content of zirconium, niobium, iron, chromium, nickel and uranium in the wash melt was 0.23; 0,012; 0.13; 0.011; 0.019 and 0.0017 wt.%, Respectively.
Пример 2. В холодный тигель первой печи загружали 10 кг чистого цинка и расплавляли. В расплав загружали имитатор твэла реактора "Брест": 600 г трубок из сплава ЭП-823 (основа железо + 12 мас.% хрома), содержащих внутри 1,7 кг смеси мононитридов урана и плутония, а также 260 г свинца. Процесс вели до полного растворения оболочек из сплава ЭП-823 и свинца в течение 20 мин при 700oС и электромагнитном перемешивании расплава. После этого открывали пробку сливного устройства, расплав, содержащий 92 мас.% цинка, сливали на фильтр, а после фильтрации - в переносную обогреваемую изложницу. Из изложницы расплав заливали в холодный тигель второй печи. Этот расплав в течение 40 мин охлаждали до температуры 450oС до полного протекания процесса выпадения кристаллов интерметаллидов FeZn13 и CrZn17, а также для формирования в нижней зоне тигля слоя расплава свинца, содержащего цинк. Далее поддон тигля перемещали вверх до полного удаления по сливному желобу верхнего слоя расплава, содержащего рафинированный (регенерированный) цинк в обогреваемую изложницу. После этого открывали пробку сливного устройства в поддоне и сливали расплав свинца, содержащий 5,7 мас.%. цинка в изложницу, где он кристаллизовался. Полученный расплав рафинированного (регенерированного) цинка заливали в тигель первой печи для промывки находящейся там смеси мононитридов урана и плутония. Процесс промывки вели при 650oС в течение 15 мин при электромагнитном перемешивании расплава. Пробку сливного устройства в поддоне открывали и сливали промывной расплав на фильтр, после чего он попадал в изложницу. Промытую смесь мононитридов выгружали из тигля, взвешивали и по разности определяли потери в ходе технологических операций, которые составили 0,06 мас.%. Также анализировали состав цинкового расплава после его рафинирования (регенерации) методом ликвации: сдержание железа хрома, урана и плутония составило 0,1; 0,019; 0,0012 и 0,0002 мас.% соответственно. Содержание железа, хрома, урана и плутония в промывном расплаве составило 0,18; 0,024; 0,0013 и менее 0,0001 мас.% соответственно.Example 2. In a cold crucible of the first furnace, 10 kg of pure zinc were charged and melted. The Brest reactor fuel element simulator was loaded into the melt: 600 g of tubes made of EP-823 alloy (iron base + 12 wt.% Chromium) containing 1.7 kg of a mixture of uranium and plutonium mononitrides and 260 g of lead inside. The process was carried out until the dissolution of the shells of alloy EP-823 and lead for 20 min at 700 o C and electromagnetic stirring of the melt. After that, the drain plug was opened, the melt containing 92 wt.% Zinc was poured onto the filter, and after filtration, into a portable heated mold. From the mold, the melt was poured into the cold crucible of the second furnace. This melt was cooled to a temperature of 450 o C for 40 minutes until the precipitation of crystals of FeZn 13 and CrZn 17 intermetallic crystals proceeded completely, as well as to form a lead melt layer containing zinc in the lower zone of the crucible. Next, the crucible pan was moved upward until the upper melt layer containing refined (regenerated) zinc in the heated mold was completely removed through the drain trough. After that, the plug of the drain device in the pan was opened and the lead melt containing 5.7 wt.% Was drained. zinc into the mold, where it crystallized. The obtained melt of refined (regenerated) zinc was poured into the crucible of the first furnace for washing the mixture of uranium and plutonium mononitrides located there. The washing process was carried out at 650 o C for 15 min with electromagnetic stirring of the melt. The drain plug in the pan was opened and the washing melt was poured onto the filter, after which it fell into the mold. The washed mixture of mononitrides was unloaded from the crucible, weighed, and losses were determined by the difference during technological operations, which amounted to 0.06 wt.%. The composition of the zinc melt after refining (regeneration) by segregation was also analyzed by the segregation method: the containment of chromium, uranium, and plutonium iron was 0.1; 0.019; 0.0012 and 0.0002 wt.%, Respectively. The content of iron, chromium, uranium and plutonium in the wash melt was 0.18; 0.024; 0.0013 and less than 0.0001 wt.%, Respectively.
Приведенные примеры подтверждают эффективность заявляемого способа. The above examples confirm the effectiveness of the proposed method.
Литература
1. Патент Великобритании 1096745, 1967.Literature
1. British patent 1096745, 1967.
2. Патент Великобритании 1171257, 1969. 2. British patent 1171257, 1969.
3. Abdel-Rassoni A. et al. J. Nuclear Energy, 1969, 23, р. 551. 3. Abdel-Rassoni A. et al. J. Nuclear Energy, 1969, 23, p. 551.
4. Кондратьев А.Н. и др., в сб. Труды Симпозиума СЭВ "Исследования в области переработки облученного топлива", т. 1, Прага, изд. КАЭ, СССР, 1972, с. 174. 4. Kondratiev A.N. et al., in Sat Proceedings of the CMEA Symposium "Research in the field of processing of irradiated fuel", vol. 1, Prague, ed. KAE, USSR, 1972, p. 174.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001109754A RU2194783C1 (en) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001109754A RU2194783C1 (en) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2194783C1 true RU2194783C1 (en) | 2002-12-20 |
| RU2001109754A RU2001109754A (en) | 2003-02-27 |
Family
ID=20248332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001109754A RU2194783C1 (en) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2194783C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376667C1 (en) * | 2008-04-16 | 2009-12-20 | Открытое акционерное общество "Свердловский научно-исследовательский институт химического машиностроения" (ОАО "СвердНИИхиммаш") | Method of breaking down zirconium cladding of fuel rods of fuel assembly |
| RU2732721C1 (en) * | 2020-03-23 | 2020-09-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of separating nitride nuclear fuel from shell of fuel element fragments |
| RU214815U1 (en) * | 2022-04-28 | 2022-11-15 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | INSTALLATION FOR MELTING METAL RADIOACTIVE WASTE |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1274357A (en) * | 1970-02-03 | 1972-05-17 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to the treatment of irradiated nuclear fuel elements |
| GB2025112A (en) * | 1978-07-05 | 1980-01-16 | Atomic Energy Authority Uk | Recovery of nuclear fuel material |
| FR2476368A1 (en) * | 1980-01-09 | 1981-08-21 | Atomic Energy Authority Uk | METHOD FOR RECOVERING NUCLEAR FUEL MATERIAL FROM AN IRRADIA AND SHEET NUCLEAR COMBUSTIBLE ELEMENT |
| US4296074A (en) * | 1978-04-10 | 1981-10-20 | Rockwell International Corporation | Method of decladding |
-
2001
- 2001-04-13 RU RU2001109754A patent/RU2194783C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1274357A (en) * | 1970-02-03 | 1972-05-17 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to the treatment of irradiated nuclear fuel elements |
| US4296074A (en) * | 1978-04-10 | 1981-10-20 | Rockwell International Corporation | Method of decladding |
| GB2025112A (en) * | 1978-07-05 | 1980-01-16 | Atomic Energy Authority Uk | Recovery of nuclear fuel material |
| FR2476368A1 (en) * | 1980-01-09 | 1981-08-21 | Atomic Energy Authority Uk | METHOD FOR RECOVERING NUCLEAR FUEL MATERIAL FROM AN IRRADIA AND SHEET NUCLEAR COMBUSTIBLE ELEMENT |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376667C1 (en) * | 2008-04-16 | 2009-12-20 | Открытое акционерное общество "Свердловский научно-исследовательский институт химического машиностроения" (ОАО "СвердНИИхиммаш") | Method of breaking down zirconium cladding of fuel rods of fuel assembly |
| RU2732721C1 (en) * | 2020-03-23 | 2020-09-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of separating nitride nuclear fuel from shell of fuel element fragments |
| RU214815U1 (en) * | 2022-04-28 | 2022-11-15 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | INSTALLATION FOR MELTING METAL RADIOACTIVE WASTE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102098579B1 (en) | Method for corium and used nuclear fuel stabilization processing | |
| CA2666767A1 (en) | Method for treating waste containing precious metals and device for implementing said method | |
| KR101310106B1 (en) | Equipment and method for the removal of adhered salt from uranium deposits by a vacuum distiller with a forced cooling system | |
| RU2194783C1 (en) | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies | |
| RU2200766C2 (en) | Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets | |
| US4571307A (en) | Process for conditioning radioactive waste | |
| RU2172787C1 (en) | Method of pyrometallurgical processing of wastes, depleted materials and used up articles | |
| RU2711214C1 (en) | Spent fuel reprocessing method of fuel assemblies of nuclear reactor | |
| US4248836A (en) | Recovery of nuclear fuel material | |
| RU2159473C1 (en) | Method for recovering radionuclide-containing metal wastes | |
| JP2018100910A (en) | Separating chemical species and elements chemical species and elements from the same vitrified object, and separating device for the same | |
| CN117587234A (en) | Continuous recovery method for aluminum-lithium alloy waste | |
| RU2766486C2 (en) | Device and method of separation and extraction of alloy components, in particular alloy of noble metals | |
| US12180562B2 (en) | System for salt removal from uranium metal | |
| RU2765028C1 (en) | Method for recycling radioactive waste generated during destruction of irradiated fuel assemblies of fast neutron reactors by induction slag remelting in cold crucible | |
| RU2268515C1 (en) | Method of processing of the metallic waste containing radionuclides | |
| JP3740570B2 (en) | Recycling method for lead contaminated with radioactive materials | |
| RU2145126C1 (en) | Ingot of radioactive metal wastes and its production process | |
| RU2004608C1 (en) | Method for copper alloy with radionuclides contamination metal waste utilizing | |
| KR20130002640A (en) | Equipment and method for the removal of adhered salt from uranium deposits by an integrated salt separation system of a liquid salt separation column and a vacuum distillation tower | |
| JP5776178B2 (en) | Deposit removal method for glass melting furnace | |
| Iizuka et al. | Development of treatment process for anode residue from molten salt electrorefining of spent metallic fast reactor fuel | |
| RU2804570C1 (en) | Method for extracting zirconium from irradiated zirconium materials to reduce volume of high-level radioactive waste | |
| KR101225009B1 (en) | The equipment for the removal of adhered salt from uranium deposits using inert gas pulse and the method thereof | |
| RU2001110788A (en) | METHOD FOR REMOVING CERAMIC NUCLEAR FUEL FROM PACKAGES OF HEAT FUEL ELEMENTS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160414 |