Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной конференции
УРАНСОДЕРЖАЩИЕ ХЛОРИДНЫЕ РАСПЛАВЫ КАК ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И СРЕДА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ
Бокавчук А.В., Катышев С.Ф.
Уральский государственный технический университет - УПИ
В настоящее время исследуются различные модели замкнутого топливного цикла ядерной энергетики с альтернативными решениями энергетических реакторных установок и технологических процессов всех образующих топливный цикл предприятий. Рассматриваются реакторы на расплавленных галоидных солях, с газовыми и свинцовыми теплоносителями, различные композиции ядерного топлива, различные технологии радиохимической переработки топлива (электролиз, высокотемпературная экстракция и др.). Естественно, необходим поиск оптимальной перспективной технологии.
В качестве одного из возможных видов топлива ядерных реакторов на быстрых нейтронах, способных обеспечить расширенное воспроизводство делящихся материалов, предполагается использовать смеси расплавленных солей: хлориды урана и плутония в смеси с солями разбавителями, в качестве которых могут быть хлориды лития, натрия, калия, магния, кальция и свинца. Как показали оценочные расчеты, хлоридные смеси вполне пригодны в качестве материалов зоны воспроизводства ядерного горючего. Интерес к топливу в виде солевых расплавов определяется легкостью и относительно небольшой стоимостью приготовления, возможностью проведения непрерывной очистки его от продуктов деления и изменения состава смеси в процессе работы реактора и организации теплосъема. Все это подтверждено исследованиями на жидко-солевых реакторах MSRE и MSBR (США).
Переработка отработавшего ядерного топлива, которая обеспечивает утилизацию запасов плутония и возврат в топливный цикл невыгоревшего 235U, реальна с использованием электрохимической технологии в расплавах хлоридов щелочных металлов. Разработана технологическая схема процесса переработки облученного оксидного уран-плутониевого топлива и обеспечения его рецикла в реакторах на быстрых нейтронах, включая: растворение топлива в расплаве хлоридов щелочных металлов хлорированием, очистку расплава от электроположительных продуктов деления (ПД) электролизом разделения, осадительную кристаллизацию и извлечение из расплава диоксида плутония, доизвлечение урана электролизом и концентрирование ПД осаждением фосфатов. Наилучшие результаты получены с использованием смеси NaCl-KCl и в присутствии в расплаве UCl4 (до 40%). Процесс исследован и отработан на облученном смешанном топливе реактора БН-350. Предложенный метод принципиально может быть использован для одновременной переработки топлива активной зоны и зоны воспроизводства.
Выбор оптимального состава солевых смесей, эффективных методов теплосъема, способов переработки облученного ядерного горючего также не возможен без всестороннего исследования физико-химических, теплофизических, коррозионных и ядерных свойств возможных солевых композиций, сведения о которых весьма ограничены.
Плотность и поверхностное натяжение измерены в широких температурных и концентрационных интервалах, для тройных расплавов состоящих из хлоридов урана и щелочных металлов методом максимального давления в пузырьке газа. Для расплавов этих же систем исследована вязкость методом крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом.
Наибольший интерес представляет рассмотрение объемных свойств трехкомпонентных расплавленных смесей, где взаимное поляризующее воздействие катионов оказывает еще большее влияние на устойчивость комплексных группировок урана. Установлено, что при образовании тройного расплава определяющим фактором является тройное взаимодействие, а вклад изменения объема при образовании двойных смесей сравнительно мал.
Это проявляется также в концентрационных зависимостях поверхностного натяжения расплавов и избыточных молярных термодинамических функций поверхностного слоя, вид которых определяется соотношением концентраций хлоридов трех- и четырехвалентного урана, отрицательных отклонениях поверхностного натяжения расплавов от идеальности. В концентрационных областях, отвечающих кристаллизации химических соединений в расплавах, происходят наибольшие структурные превращения с образованием комплексных группировок урана.
Изучение вязкости бинарных и тройных расплавов хлоридов урана с хлоридами щелочных металлов выявило сложность взаимодействий между компонентами в смесях. Еще раз подтверждено, что вязкость расплавов солей и их смесей обусловлена различной подвижностью ионов. Наличие комплексообразования выражается в повышении вязкости расплавов, в отклонениях молярной вязкости от идеальных кривых и в возрастании энергии активации вязкого течения. Определяющую роль в вязком течении оказывает ионный состав смеси, который влияет на устойчивость образующихся комплексных группировок, что отражается в увеличении максимальных отклонений от идеальности при переходе от расплавов бинарных смесей с NaCl к расплавам с CsCl и замене катиона натрия в тройных расплавах на более поляризуемый катион калия.
Полученный массив экспериментальных данных по объемным, поверхностным и транспортным свойствам, термодинамическим характеристикам расплавленных смесей галогенидов щелочных металлов с хлоридами урана рекомендуется использовать:
• при выборе композиций материала активной зоны или зоны воспроизводства жидкосолевых быстрых реакторов;
• при подборе электролитов для электролитического получения и рафинирования урана, а также переработке ТВЭЛов;
• для проведения конструкторских и технологических расчетов ядерных реакторов, электролизеров и других аппаратов.