Изобретение относится к способам переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) реакторов ВВЭР-1000 с целью локализации трития, являющегося бета-активным излучающим нуклидом, на головных операциях переработки ОЯТ и может быть использовано в атомной энергетике при переработке ОЯТ ядерных реакторов.

В настоящее время для переработки ОЯТ используют водно-экстракционные технологии, наиболее острой проблемой которых является наличие больших объемов тритийсодержащих растворов на всех этапах переработки, что существенно усложняет и удорожает переработку жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Поэтому до проведения основной водно-экстракционной переработки целесообразно проводить предварительную обработку ОЯТ для локализации трития и других летучих продуктов деления. Предварительная обработка ОЯТ проводится различными окислительными высокотемпературными способами.

Известны способы высокотемпературной окислительной обработки фрагментов с ОЯТ при температуре от 480 до 600°С в присутствии воздуха или кислорода. При этом степень удаления трития из ОЯТ составляет 99 %.(G.D.DelCui, R.D.Hunt, J.A.Jonsonandother.Advanced head end for the treatment of LWR fuel. OECD Nuclear Energy Agency. 11- th Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation Hyatt at Fisherman's Wharf, San Francisco, California, 1-5 November 2010).

Известен способ двухстадийной высокотемпературной окислительной обработки фрагментов ОЯТ, по которому первую стадию проводят при температуре 400 650 °С в воздушной среде, дополнительно содержащей углекислый газ в количестве 1+4 % об. в течение 60+360 минут, вторую стадию проводят при температуре 350+450 °С в воздушной или обогащенной по кислороду среде, содержащей водяной пар в количестве, соответствующему точке росы парогазовой смеси при температуре 30+40 °С в течение 30+120 минут (Патент RU 2459299, МПК G21F9/30, 2006.01, «СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА»). По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот способ является наиболее близким к заявляемому способу и выбран в качестве прототипа.

Недостаток прототипа заключается в повышенной возгонке цезия на первой стадии процесса высокотемпературной окислительной обработки ОЯТ, значительным уносом из топливной композиции высокоактивного изотопа Cs ¹³⁷ , что приводит к дополнительным проблемам дезактивации используемого оборудования, а также в значительной нагрузке на систему улавливания трития из газовой фазы, осуществляемую с помощью цеолитов NaA с последующей изоляцией цеолитов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижении уноса цезия из волоксидируемого ОЯТ, снижение нагрузки на систему улавливания трития из газового потока и снижение количества тритийсодержащих твердых радиоактивных отходов (ТРО).

Технический результат достигается предложенным способом, который включает двустадийную волоксидацию ОЯТ с обработкой ОЯТ на первой стадии воздухом, дополнительно содержащим углекислый газ, в течение 60-К360 минут при температуре 40(Н650 °С и обработкой на второй стадии воздухом или кислородно-воздушной смесью, содержащей дополнительно пары воды в количестве, соответствующему точке росы при температуре 3(Н40 °С, при температуре 35(Н450 °С и постоянной механоактивации реакционной массы на каждой из стадий, при этом содержание углекислого газа в газовой смеси первой стадии составляет 4-НО % об., время обработки ОЯТ на второй стадии составляет 60^-360 минут, выводимый из реакционной камеры газовый поток охлаждают, конденсат отделяют и направляют на получение цементного компаунда, а неконденсируемый газовый поток направляют в систему газоочистки.

В частном варианте газовый поток охлаждают до температуры 0 - 5 °С.

В другом частном варианте на охлаждение и конденсацию направляют только газовый поток второй стадии.

На первой стадии происходит разрушение структуры диоксида урана, окисление трития до тритиевой воды и удаление основной массы трития, включая удаление из третированного гидроксида цезия по реакции: 2CsOT + C0 ₂ = Cs ₂ C0 ₃ + T ₂ 0

На второй стадии удаляется особопрочно адсорбированная тритиевая вода (Т2О; НТО), удерживаемая на дефектах и дислокациях решетки окисленных форм по реакциям изотопного обмена типа:

НТО _(та) + Н ₂ О _(Г) = Н ₂ О _(ТВ) + НТО _(Г)

ТгО _(ТВ) + Н ₂ О _(г) = Н ₂ О _(ТВ) + Т ₂ О _(г) .

Обе стадии проводят при постоянной механоактивации реакционной массы, обеспечивающей улучшенный доступ газа-реагента к топливу за счет обновления поверхности. Расход газового потока на каждой стадии соответствует 1(R50 полным обменам объема реакционной камеры в час. Для уменьшения общей продолжительности обработки и достижения требуемой степени волоксидации ОЯТ газовый поток перед входом в реакционную камеру подогревается до температуры внутреннего объема камеры, т.е. до 400 650 °С - на первой стадии, и до 350 450 °С - на второй стадии соответственно.

Пример осуществления способа.

Проверку режимов волоксидации облученного топлива проводили с использованием фрагментов тепловыделяющих элементов (твэлов) длиной 32 мм ОТВС ВВЭР-1000 Балаковской АЭС с выгоранием 51,89 ГВт сут/т урана после 10 - летней выдержки. Степень волоксидации определяли весовым методом, определяя массу разрушенного топлива. Определение концентрации трития выполняли с использованием жидко-сцинтилляционного комплекса СКС-07П-Б11. Определение концентрации цезия выполняли с использованием гама- спектрометрического комплекса СКС-07П-Г7.

Для сравнения прототипа и заявленного способа проведено два опыта при одинаковой продолжительности стадий обработки в течение 360 мин.

В первом опыте волоксидацию фрагментов твэлов проводили по следующему режиму: первая стадия проводилась при температуре 550 ± 50 °С в воздушной среде, дополнительно содержащей углекислый газ в количестве 1 4 % об. в течение 360 минут, при предварительном подогреве смеси воздуха и углекислого газа до 550 ± 50 °С, вторая стадия проводилась при температуре 350+450 °С в воздушной среде содержащей водяной пар в количестве, соответствующем точке росы парогазовой смеси при температуре з 3(H40 °C в течение 360 минут, на второй стадии парогазовую смесь подогревали перед вводом в реакционную камеру до 350-^450 °С. Расход газового потока на каждой стадии поддерживали около 30 полных обменов объема реакционной камеры в час.

Во втором опыте волоксидацию фрагментов твэлов проводили по следующему режиму: первая стадия проводилась при температуре 550 ± 50 °С в воздушной среде, дополнительно содержащей углекислый газ в количестве 4-40 % об. в течение 360 минут, при предварительном подогреве смеси воздуха и углекислого газа до 550 ± 50 °С, вторая стадия проводилась в тех же условиях, что и в первом опыте. Расход газового потока на каждой стадии поддерживали около 30 полных обменов объема реакционной камеры в час.

Масса ОЯТ как в первом, так и во втором опыте составляла 250 г.

Объем реакционной камеры как в первом, так и во втором опыте был равен

0,75 л.

Как в первом, так и во втором опыте горячий газовый поток после волоксидации пропускали через металлотканевый фильтр для очистки потока от аэрозольного уноса.

Далее, в опыте 1 газовый поток пропускали через охлаждаемый слой цеолита NaA, после чего направляли в систему газоочистки.

В опыте 2 газовый поток предварительно охлаждали до 0 °С, отделяли образующийся конденсат, а неконденсируемый газовый поток пропускали через свежий слой цеолита, после чего направляли в систему газоочистки.

Результаты опытов были следующими.

Степень волоксидации ОЯТ в обоих опытах составила не менее 99%. Извлечение трития в обоих опытах составило не менее 99,97 %. Унос цезия в опыте 1 составил 0,1%, в опыте 2 - 0,01 %. Привес слоя цеолита, обусловленный поглощением воды, составил 5,5 г в опыте 1 и 0,67 г в опыте 2. Соответственно, объем конденсата в опыте 2 составил ~ 6 мл.

Таким образом, проведение окислительной обработки по предполагаемому способу позволяет понизить унос цезия в 10 раз и снизить нагрузку на систему улавливания трития и, соответственно, снизить количество тритийсодержащих ТРО более чем в 8 раз.