ИСТИНА

Решение задачи замыкания ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) является ключевым моментом устойчивого развития ядерной энергетики будущего. Для реализации ЗЯТЦ помимо перехода к реакторам на быстрых нейтронах требуется создание новой технологии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) ввиду того, что классические гидрометаллургические схемы (Пурекс-процесс) становятся непригодными. Предполагается, что основой новой технологии должны стать сухие или маловодные методы переработки ОЯТ, называемые пирохимическими технологиями. К настоящему времени предложено большое количество таких процессов – кандидатов в основы ЗЯТЦ. Однако ни одна из этих схем не принята на вооружение. Именно поэтому разработка новых процессов для нужд ЗЯТЦ является актуальной задачей. Одной из перспективных и принятых к технической реализации пирохимических технологий является волоксидация – процесс объемного окисления компонентов топлива в газовой фазе при нагревании. Волоксидированное топливо представляет собой смесь фаз различного состава, от оксидных до металлических, требующих дальнейшей переработки. Использование для этих целей классического Пурекс-процесса неоправданно ввиду спектра возникающих проблем, связанных с коллоидообразованием, большим выгоранием топлива и т.д. Альтернативой Пурекс-процессу может стать схема переработки ОЯТ в основе которой лежит процесс взаимодействия окисленных компонентов топлива с парами нитрирующей среды NOX–H2O(пар)–воздух либо HNO3(пар)–воздух. При этом часть компонентов переходит в водорастворимые нитраты (U, Cs, Sr, РЗЭ), оставшаяся часть (Mo, Zr) представляет собой нерастворимые оксидные либо металлические фазы. Данный подход позволяет перерабатывать топливо с высокой степенью выгорания и малыми временами выдержки, что существенно при реализации ЗЯТЦ. Несмотря на явные преимущества предлагаемого процесса, поведение многих компонентов окисленного ОЯТ в нем остается невыясненным. Это особенно важно по отношению к актинидам, как к главным компонентам топлива. Поэтому целью данного проекта стало исследование поведения сложных оксидных фаз, содержащих уран и плутоний, являющихся имитаторами форм нахождения актинидов и осколочных элементов после волоксидации топлива в предлагаемом процессе газофазной конверсии в нитрующих средах. Поставленная цель является актуальной не только практически, но и с точки зрения изучения фундаментальных химических свойств актинидсодержащих оксидных фаз по отношению к газообразным азотсодержащим окислителям.

The solution of the problem of closure of the nuclear fuel cycle (NFC) is the key point of sustainable development of nuclear energy in the future. Beside the development of fast neutron reactors, the realization of closed nuclear fuel cycle requires the creation of new technologies for reprocessing of spent nuclear fuel (SNF) because the classical hydrometallurgical scheme (the PUREX process) will become inefficient. It is assumed that a new technology will be based on dry or low water content methods of SNF reprocessing called pyrochemical technology. To the present date, a large number of such processes have been proposed as candidates of the basis of closed nuclear fuel cycle. However, at the present time none of these processes has been adopted for the closed nuclear fuel cycle because of disadvantages in each case. That is why the development of new processes for the closed nuclear fuel cycle is an urgent task. One of the promising and accepted for technical realization of pyrochemical technology is voloxidation - a process of bulk oxidation of fuel components in the gas phase under heating [2]. Voloxidized fuel is a mixture of phases of different composition, from the oxide to the metal that requires further processing. The use of the classic Purex process for these purposes is unreasonable in view of the spectrum of emerging problems associated with colloid formation, high fuel burnup, etc. An alternative to the PUREX process can be the SNF reprocessing scheme based on the process of interaction of oxidized fuel components with vapor of nitrating environments NOX–H2O(vapor)–air or HNO3(vapor)–air. During this procedure some of the components transformed into water-soluble nitrates (P, Cs, Sr, REE), the other part (Mo, Zr etc.) is an insoluble oxide or metal phases. This scheme allows the processing of fuel with a high burn-up and low times of cooling that is very important in the implementation of closed SNF. Despite the obvious advantages of the proposed process, the behavior of many components of the oxidized spent nuclear fuel remains unclear. This becomes a particularly important issue in the case of actinides as important components of the fuel. Thus, the aim of this project is to study the behavior of complex uranium and plutonium bearing oxide phases that can be assumed as imitators of actinides and fission products after fuel voloxidation in the proposed process of gas-phase conversion in nitrating media. The goal is relevant not only from practical point of view, but also from the point of view of investigation of the fundamental chemical properties of the actinides in contact with the gaseous nitrogen-containing oxidants.

I этап (2018 г.): 1) Термодинамическое моделирование фазового состава продуктов волоксидации при различных условиях в программном пакете HSC chemistry. Синтез имитаторов волоксидированного ОЯТ на основе урансодержащих оксидных фаз с различным содержанием таких элементов как Cs, Sr, Nd, Ce и использованием различных подходов на основании результатов моделирования. 2) Характеризация продуктов синтеза методами РФА, РФлА, РФЭС, РЭМ, адсорбция БЕТ и XAS 3) Конверсия полученных соединений в нитрирующей среде НNОЗ(пар)-воздух при различных температурах и временах выдержки. 4) Характеризация продуктов конверсии методами РФА, РФлА, РФЭС, РЭМ и XAS. Изучение растворимости продуктов конверсии в воде, анализ физико-химических форм элементов в получаемом растворе по данным оптической спектроскопии. По итогам первого этапа проекта будут разработаны термодинамические модели поведения имитаторов волоксидированного ОЯТ. На основании результатов моделирования будут синтезированы требуемые фазы с использованием различных методик. Полученные продукты будут охарактеризованы группой современных физико-химических методов (РФА, РФлА, РФЭС, РЭМ и т.д.). Затем будет исследовано поведение имитаторов волоксидированного ОЯТ по отношению к нитрирующей атмосфере HNO3(пар)–воздух при различных условиях проведения эксперимента. Будут изучены кинетические и термодинамические характеристики процесса конверсии. Полученные продукты так же будут охарактеризованы вышеупомянутой группой методов. Кроме того, будет изучена растворимость полученных продуктов в воде и физико-химические формы элементов в получаемых растворах. II этап (2019 г.): 1) Синтез имитаторов волоксидированного ОЯТ состава (U-Pu)OX и (U-Np-Pu)OX с различным содержанием элементов. При этом будут использованы оптимальные синтетические пути, полученные по результатам I этапа исследований. 2) Характеризация продуктов синтеза методами РФА, адсорбция БЕТ. 3) Конверсия полученных соединений в нитрирующей среде НNОЗ(пар)-воздух в оптимальных условиях, полученных в по результатам I этапа исследований. 4) Характеризация продуктов конверсии методом РФА. Изучение растворимости продуктов конверсии в воде, анализ физико-химических форм актинидов в получаемом растворе по данным оптической спектроскопии. По итогам второго этапа проекта будут синтезированы требуемые атинид-содержащие фазы с использованием различных методик. Полученные продукты будут охарактеризованы методом РФА и БЭТ. Затем будет исследовано поведение актинид-содержащих имитаторов волоксидированного ОЯТ по отношению к нитрирующей атмосфере HNO3(пар)–воздух при оптимальных условиях проведения процесса. Полученные продукты так же будут охарактеризованы методом РФА. Кроме того, будет изучена растворимость полученных продуктов в воде и физико-химические формы актинидов в получаемых растворах.

Начиная с 2013 года научной группой сотрудников лаборатории физико-химических методов локализации радиоактивных элементов ИФХЭ РАН и лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова проводятся работы по газофазной конверсии в нитрирующих атмосферах. В экспериментах для нитрирования используются атмосферы NOX–H2O(пар)–воздух и HNO3(пар)–воздух при различных температурах и временах выдержки. За прошедший период были получены данные по конверсии оксидов урана UO2, U3O8, UO3, оксидов осколочных элементов SrO, ZrO2, MoO3, оксидов РЗЭ Ree2O3. Кроме того, были проведены эксперименты по конверсии соединений вида SrUO4, SrMoO4, UMoOX. Так же были исследованы свойства металлических U, Al, Zr по отношению к нитрующим агентам. Отдельно следует отметить эксперименты по конверсии смешанных оксидов (U-Np-Pu)O2, полученных соосаждением с гидразингидратом и последующим прокаливанием до 1100оС. Продукты конверсии характеризовали с точки зрения структуры и растворимости. Было показано, что в результате конверсии: 1) оксиды урана любого состава переходят в водорастворимый нитрат уранила, 2) оксиды стронция и РЗЭ так же переходят в водорастворимые нитраты, 3) оксиды молибдена и циркония не претерпевают изменений, 4) возможно извлечение урана в виде нитрата уранила из механической смеси U3O8, MoO3, ZrO2, 5) возможно извлечение урана в виде нитрата уранила из соединений вида UMoOX, 6) смешанный оксид (U-Np-Pu)O2 переходит в водорастворимые нитраты U, Np, Pu. По результатам экспериментов была выбрана оптимальная нитрирующая атмосфера - HNO3(пар)–воздух при 130оС. Была показана принципиальная возможность отделения урана от осколочных элементов облученного топлива и сделан вывод о перспективности развития данного подхода для создания новой технологии переработки ОЯТ.

Конверсия смешанных оксидов (U,Nd)Ox в атмосфере "HNO3(пар)–воздух" позволяет полностью переводить их в водорастворимые соединения U и Nd. Аналогичное поведение в тех же условиях можно ожидать от Am при газофазной конверсии ОЯТ. Конверсия смешанных оксидов (U,Ce)Ox в той же атмосфере позволяет полностью перевести U в водорастворимые соединения, при этом часть Ce остается в фазе осадка CeO2. Учитывая различие в окислительно-восстановительных и химических свойствах Ce и Pu, можно сделать вывод о том, что полученные данные о поведении Ce в процессах газофазной конверсии не могут быть использованы для анализа поведения Pu в изучаемом процессе.