Синтез слабообогащенного ядерного топлива в виде диоксида урана с помощью СВЧ плазмы

Снижение температуры в реакционной зоне за счет полной или частичной замены в газопламенном процессе приводит к некоторому увеличению содержания фтора в оксидах.

Добавление паров воды в зону горения факела также понижает температуру, но благодаря гидролизу фторидов урана способствует стабильному получению оксидов урана с содержанием фтора до 0,03 – 0,05%.

Уменьшение содержания водорода в исходной газовой смеси обуславливает появление в продуктах конверсии оксидов урана более высокой валентности. Избыток кислорода в окислительной среде 5% и более в результате конверсии UF₆ образуется только U₃O₈. В получаемых при таких условиях оксидах в 2 – 3 раза меньше фтора, чем при проведении процесса, когда водород в избытке. Объясняется это тем, что процесс конверсии UF₆ протекает преимущественно через UO₂F₂ и с отсутствием UF₄ в продуктах конверсии.

Стабильность СВЧ газоплазменного процесса

На характер осуществления СВЧ газоплазменного процесса, его стабильность, качество получаемых оксидов урана оказывает влияние также процесс газодинамики, характер истечения реагентов из горелки, их перемешивание в реакционной зоне. Эксперименты показали, что на устойчивость процесса горения и содержание фтора в оксидах урана способно оказать влияние изменение способов и скорости подачи реагирующих газов в аппарат через горелку.

Наилучших результатов удалось достичь путем подачи реагентов в СВЧ аппарат коаксиальными потоками с помощью трехканальной горелки. Использование горелок других типов или конических сопел и турбулизация газовых потоков нарушают процесс горения и приводят к повышенному содержанию фтора в оксидах урана.

Теоретически, использование СВЧ-плазмы может значительно изменить процесс конверсии гексафторида урана в диоксид урана.

Характеристики СВЧ плазменных процессов

В настоящее время нет четкой теории, позволяющей дать полное описание СВЧ газоплазменных процессов, так как чрезвычайно сложными являются процессы, для аналитического решения которых требуется рассматривать вопросы термодинамики и кинетики химических реакций, проходящих в газовом факеле, вопросы газодинамики высокотемпературных потоков, тепло- и массопереноса, конденсации и поведения конденсированных частиц в факеле и многие другие.

Сложность газопламенного процесса в значительной степени заключена в том, что в нем одновременно проходят два самостоятельных процесса, оказывающих взаимное влияние друг на друга: сжигание горючего тела и химическая конверсия вводимых в пламя веществ. Поэтому теоретически спрогнозировать характер протекания и результаты СВЧ газопламенных микроволновых процессов можно лишь приближенно, и это требует обязательного экспериментального подтверждения.

Ускорение химических реакций при СВЧ излучении

Для газопламенных процессов характерна высокая полнота и скорость химических превращений, обусловленных высокой температурой в факеле и активным участием в процессе свободных атомов и радикалов, образующихся в результате данных реакций горения.

Удаленное от стенок реакционного СВЧ аппарата расположение факела обеспечивает чистоту целевого продукта, а небольшая продолжительность пребывания продукта конверсии в зоне с высокой температурой, недостаточная для существенного роста зародышей конденсированной фазы, обеспечивает высокую дисперсность и химическую активность получаемого продукта, его хорошие керамические свойства: прессуемость и спекаемость.

Условия конверсии гексафторида урана в двуокись урана

Конверсия гексафторида урана в двуокись урана должна проходить в восстановительной атмосфере, содержащей водород, из-за чего процесс становится взрывоопасным. Есть сведения, что конверсия гексафторида урана в диоксид посредством пирогидролиза может проходить в аппаратах кипящего слоя в атмосфере только водяного пара.

Данный процесс имеет множество патентов, наиболее отработанный и заслуживающий внимания из которых принадлежит американской фирме «Вестингауз Электроник». Это может объясняться тем, что образующийся в результате разложения воды кислород поддерживает горение, что приводит к образованию промежуточных фторсодержащих оксидов, а водород способствует их восстановления до двуокиси урана.

Нагревание гексафторида урана СВЧ излучением

Нагревание гексафторида урана, смешанного с водяным паром, до температуры 2000°С при помощи СВЧ-генератора, приведет к эффективному электролизу водяного пара. Выделившиеся при этом кислород и водород будут обеспечивать поддержание высокой температуры при конверсии гексафторида урана во фторсодержащие оксиды и превращение последних при температуре 700° С в двуокись урана в результате реакций восстановительного пирогидролиза. Ожидается, что полученная при этом двуокись урана будет иметь высокую чистоту.

Плазменные СВЧ-технологии могут применяться для утилизации отвального гексафторида урана.

Отвальный гексафторид урана (ОГФУ), обедненный по изотопу U²³⁵, является одним из наиболее важных отходов топливного цикла ядерных энергетических установок. Его хранение требует значительных площадей и  больших расходов материалов, постоянный контроль за состоянием емкостей, в которых хранится ОГФУ.

Данный способ хранения несет огромные экологические риски, связанные с большим количеством токсичных отходов. Поэтому важна конверсия ОГФУ с превращением его в экологически безопасную форму, удобную для хранения урана. Решив эту задачу, одновременно можно решить и другую – возврат в ядерный топливный цикл и промышленность дефицитный фтор в виде безводного фтористого водорода.

Утилизация отвального гексафторида урана в СВЧ плазме

Процесс остекловывания высокообогащенных радиоактивных отходов, которые образуются в процессе регенерации ядерного топлива, имеет схожую проблему. И для их решения представляют большой интерес плазменные технологии.

Процесс конверсии ОГФУ в водяной плазме характеризуется тем, что гексафторид урана можно количественно конвертировать в потоке водяной плазмы в U₃O₈, фтористый водород и кислород. Конверсия протекает полностью и заканчивается в газовой фазе. Минимальная температура, требуемая для начала процесса газовой конверсии гексафторида урана, соответствует 1600 К. За время от 0,01 до 0,001 сек. происходит конверсия с получением 97 – 98% HF. Данный процесс является безотходным: уран почти на 100% переходит в U₃O₈, фтор – в концентрированный HF, и единственный побочный продукт этого процесса – газообразный кислород. Следовательно, процесс полностью экологически чистый.

Технологическая схема переработки в СВЧ плазме

Технологическая схема переработки ОГФУ представляет собой цепочку следующих процессов: испарение гексафторида урана из емкости, его конверсия с использованием водяной СВЧ плазмы до оксидов урана и фтористоводородной кислоты, в результате конденсации которой получается кислота с содержанием 97 – 98% HF. Дальнейшую переработку HF можно проводить с использованием узла ректификационной очистки технологии производства безводного фтористого водорода.

Модуль СВЧ плазменной установки состоит из следующих элементов: плазменный СВЧ реактор, снабженный пароводяным плазмотроном, источник электропитания плазмотрона, коллектор питания установки гексафторидом урана, компрессор для компримирования гексафторида урана и подачи, генератор потока низкопотенциального водяного пара, сепаратор дисперсной и газовой фаз, конденсатор фтористого водорода, ректификационная колонна, емкости-накопители U₃O₈, система контроля и автоматизации процесса. 

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании