Сплавы благородных металлов в ядерном топливе — угроза для заводов по переработке
Сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук исследовали сплавы продуктов деления урана, образующиеся в облучённом ядерном топливе, и их химические свойства применительно к процессам переработки. Такие сплавы часто проявляют необычные физические и химические свойства. Содержащиеся в них благородные металлы — рутений, родий, палладий, серебро, пусть даже радиоактивные, — могут представлять интерес для использования.
Однако главная причина того, почему эти сплавы необходимо глубоко изучать, состоит в том, что их частицы затрудняют работу заводов по переработке облучённого ядерного топлива. Как правило, при создании технологий переработки основное внимание уделяется растворению компонентов топлива; информация о фазовом и химическом составе нерастворимых остатков очень ограничена. Но плохо растворимые взвеси могут захватывать в себя уран и плутоний, а их состав — критически влиять на весь процесс переработки.
В двух исследовательских работах изучались сплавы, образующиеся в двух различных видах ядерного топлива — широко распространённом оксидном (на основе UO2) и перспективном топливе для реакторов на быстрых нейтронах — нитридном (смешанный нитрид урана-плутония — (U,Pu)N). Цель работы — оценить поведение сплавов и их компонентов в двух ключевых технологических процессах переработки: окислении при высокой температуре и растворении в азотной кислоте.
Оксидное топливо: сплав из благородных металлов
Известно, что при облучении топлива на основе диоксида урана образуются металлические сплавы, включающие рутений, родий, палладий, технеций, молибден, серебро. Количество того или иного элемента в сплаве зависит от типа топлива, степени выгорания и положения в топливной таблетке. Эти сплавы составляют значительную часть нерастворимого остатка отработавшего ядерного топлива. Отдельной задачей первой работы было оценить, как присутствие технеция влияет на стабильность сплава и его структуру.
Эксперименты с кипящей концентрированной азотной кислотой показали, что эти сплавы плохо растворимы: через шесть дней растворилось не более 10-15 % от исходной массы сплава. Скорость выщелачивания в присутствии технеция оказалась значительно ниже. Технеций действовал как ингибитор коррозии.
Изображение поверхности интерметаллида U(RuRhPd) после анодного растворения в крепкой азотной кислоте, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа
«При проведении экспериментов в лабораторных условиях, радиоактивный технеций часто заменяют на рений — элемент из той же подгруппы марганца, похожий на него по химическим свойствам, — отметил ключевой автор работы, аспирант лаборатории физико-химических методов локализации радиоактивных элементов ИФХЭ РАН Михаил Волгин. — Мы показали, что для моделирования таких сплавов замена технеция на рений скорее не оправдана. Сплавы с рением имеют другую микроструктуру: образец с технецием гомогенен на микроуровне, а образец, в котором технеций заменен на рений — сильно гетерогенный».
Эксперименты показали, что технеций в сплаве — не просто один из компонентов, а критически важный элемент, определяющий структуру и химическое поведение. Он гомогенизирует микроструктуру и замедляет выщелачивание в азотной кислоте.
Поскольку в разбавленных кислотах скорость растворения сплавов очень мала, они могут быть предложены как потенциальная матрица для иммобилизации радиоактивных рутения и технеция.
В экспериментах по высокотемпературному окислению сплава на воздухе (этот технологический процесс принято называть волоксидацией) образовывались летучие оксиды молибдена, технеция и рутения. Оксид молибдена осаждался при температуре 650 градусов, а оксиды технеция и рутения оставались летучими вплоть до комнатной температуры. Таким образом, волоксидация — один из возможных способов разделять эти элементы.
Работа выполнена при участии коллег из АО «ВНИИНМ» при поддержке АО «ТВЭЛ» (Росатом) в проекте ЕОТП-406.
Нитридное топливо: интерметаллиды благородных металлов с захватом урана и плутония
Во второй работе, выполненной при поддержке гранта РНФ (проект N24-73-00335), были рассмотрены более экзотические объекты — сплавы урана с рутением, родием и палладием, которые образуются в смешанном нитридном уран-плутониевом топливе ректоров на быстрых нейтронах. По оценкам, при выгорании 5,6 % нитридного топлива образуется около 6 кг таких соединений на тонну топлива. Этого достаточно, чтобы данные устойчивые соединения создавали проблемы при извлечении топливного материала.
«Мы выяснили, что фундаментальные данные по взаимодействию урана с рутением или родием (так называемые фазовые диаграммы) требуют серьёзной корректировки», — отметил Михаил Волгин.
Эксперименты показали, что присутствие палладия в сплавах в значительной мере ускоряет их растворение в азотной кислоте, а окисление сплавов на воздухе практически не зависит от соотношения благородных металлов в их составе.
«Полученные данные позволяют предсказывать судьбу различных продуктов деления в процессах переработки облучённого ядерного топлива. Фазы, обогащённые рутением и родием, будут накапливаться в твёрдом остатке, а палладий-содержащие фазы будут переходить в раствор», — отметил Михаил Волгин.
Результаты работ имеют большое значение при разработке технологий доизвлечения остаточных делящихся материалов из облучённого ядерного топлива.
Текст: Ольга Макарова.
Источник: пресс-служба ИФХЭ РАН.
