способ восстановления пригодности выгоревшего в ядерном реакторе топлива в виде гексафторида смеси изотопов урана к изготовлению ядерного топлива для повторного использования в ядерном реакторе

Формула изобретения

1. Способ восстановления пригодности выгоревшего в ядерном реакторе топлива в виде гексафторида выгоревшей смеси изотопов урана к изготовлению ядерного топлива для повторного использования в ядерном реакторе, заключающийся в том, что в гексафториде выгоревшей смеси изотопов урана изменяют, т. е. повышают или понижают концентрацию делящегося изотопа уран-235 по сравнению с исходной концентрацией до заданной величины, отличающийся тем, что в гексафториде выгоревшей смеси изотопов урана понижают концентрацию изотопов уран-236, уран-234 и уран-232 по сравнению с исходной концентрацией, смешивают между собой преимущественно три компонента, смешивание компонентов производят в газовой и/или в жидкой фазе, в качестве первого компонента, т.е. исходного материала, используют гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана, в качестве второго, т.е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид, как правило, свежей смеси изотопов урана с меньшей, чем в первом компоненте концентрацией изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и концентрацией делящегося изотопа уран-235 преимущественно в диапазоне 0,15 - 0,7115 мас.%, в качестве третьего, т.е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид преимущественно свежей смеси изотопа урана с отличной от первого компонента концентрацией делящегося изотопа уран-235, преимущественно с концентрацией 3,6 - 100,0 мас.%, в процессе смешивания регулируют концентрацию изотопов уран-232, уран-234, уран-235 и уран-236, регулирование производят, как правило, за счет контроля расхода массы компонентов и за счет контроля концентрации изотопов урана в процессе смешивания компонентов, вначале первый компонент смешивают, как правило, с вторым компонентом и доводят концентрацию изотопа уран-232 ниже 4,9 10^-7 мас.%, изотопа уран-234 ниже 1,7 10^-1 мас. % и изотопа уран-236 ниже 8,0 10^-1 мас.%, затем, как правило, полученный материал смешивают с третьим компонентом и доводят концентрацию делящегося изотопа уран-235 и, как правило, концентрацию изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 до заданных величин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавление и смешивание компонентов, а также контроль и регулирование концентрации изотопов урана продолжают до достижения заданных величин в следующем диапазоне концентраций, мас.%:

Уран-235 - 1 - 10

Уран-232 - 4,9 10^-7 - 3,8 10^-9

Уран-234 - 1,7 10^-1 - 7,3 10^-3

Уран-236 - 8,0 10^-1 - 6,4 10^-3

Уран-238 и другие примеси - Остальноеа

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления ядерного топлива для ядерных реакторов атомных электростанций, точнее к области восстановления (переработки) пригодности выгоревшего ядерного топлива для повторного использования в ядерном реакторе.

Известен способ [1] изготовления свежего ядерного топлива в виде смеси изотопов урана. Способ сводится к повышению концентрации (массовой доли) делящегося изотопа уран-235 в гексафториде природной смеси изотопов урана электромагнитным методом (аналог).

Недостатком этого способа заключается в том, что на практике он не позволяет полностью разделить изотопы урана и не применяется в промышленных масштабах.

Известен способ [1] изготовления свежего ядерного топлива в виде смеси изотопов урана. Способ сводится к повышению концентрации (массовой доли) делящегося изотопа уран-235 в гексафториде природной смеси изотопов урана методом газовой диффузии (аналог).

Недостаток этого способа заключается в значительной энергоемкости, а также в том, что этот способ, при использовании применительно к выгоревшей (отработанной) смеси изотопов урана для повторного использования в ядерном реакторе, приводит к повышению концентрации и других изотопов урана, в том числе, практически, неотделимых (при радиохимической обработке выгоревшего топлива) примесей изотопов уран-232, уран-234 и уран-236, которые являются вредными, т.е. ухудшают качество топлива.

Известен способ [2] изготовления ядерного топлива в виде смеси изотопов урана. Способ заключается в том, что в качестве исходного сырья используют выгоревшее ядерное топливо, т.е. выгоревшую смесь изотопов урана, что смесь изотопов радиохимически очищают от примесей других элементов, в том числе и от плутония, что смесь изотопов фторируют до получения гексафторида урана. Далее гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана нагревают до температуры выше тройной точки и подвергают возгонке в виде газовой фазы, затем газовую фазу гексафторида разбавляют в 6-10 раз газовой фазой гексафторида естественной смеси изотопов урана с концентрацией всего 0,7115% изотопа урана-235 с целью уменьшить концентрацию вредного изотопа уран-236. В дальнейшем в полученном гексафториде смеси изотопов урана восстанавливают или повышают концентрацию (обогащают) делящегося изотопа уран-235 методом газовой диффузии (прототип).

Этот способ, практически, мало отличается от описанного выше способа обогащения делящимся изотопом уран-235 методом газовой диффузии.

Недостаток этого способа заключается в значительной энергоемкости, а также в том, что при этом способе нет возможности регулировать концентрацию вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в процессе производства, т.е. в процессе обогащения (в процессе повышения концентрации изотопа уран-235). При использовании этого способа неизбежно, независимо от первоначального разбавления гексафторидов естественной смесью изотопов урана, в восстановленном или обогащенном гексафториде смеси изотопов урана повышается концентрация вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в процессе обогащения методом газовой диффузии, так как массы ядер этих вредных изотопов близки к массе ядер делящегося изотопа уран-235. Таким образом, конечная концентрация вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в высокообогащенном ядерном топливе зависит, практически, от их начального содержания в выгоревшем (исходном) ядерном топливе (смеси изотопов урана). Повышение концентрации вредного изотопа уран-232 приводит к затруднениям при дальнейшем изготовлении ядерного топлива (порошка, таблеток, твэлов, ТВС) из-за мощного и вредного излучения продуктов его распада. Повышение концентрации вредного изотопа уран-234 приводит к затруднениям при дальнейшем изготовлении ядерного топлива (порошка, таблеток, твэлов) из-за загрязнения воздуха в рабочем помещении и поверхностей в рабочем помещении вредными альфа-частицами. Повышение концентрации вредного изотопа уран-236 приводит к повышению паразитного захвата нейтронов в ядерном реакторе и, в свою очередь, требует повышения концентрации делящегося изотопа уран-235, что ухудшает экономические показатели ядерного реактора (атомной электростанции).

При многократном вовлечении выгоревшего ядерного топлива в эксплуатацию в ядерном реакторе (при многократной регенерации) концентрация вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в выгоревшем ядерном топливе постоянно возрастает по сравнению с начальной концентрацией. В конце концов (практически уже на 3-м цикле), повторное использование выгоревшего ядерного топлива в ядерном реакторе становится невозможным из-за высокой концентрации вредных изотопов, в основном из-за изотопа уран-236.

Изобретение направлено на решение следующих задач:

а) обеспечить высокую (заданную) степень концентрации (массовой доли) делящегося нуклида - изотопа уран-235 при низкой (заданной) степени концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в восстановленном гексафториде смеси изотопов урана, т.е. в восстановленном ядерном топливе;

б) повысить качество восстановленного гексафторида урана, т.е. восстановленного ядерного топлива, за счет значительного снижения концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236;

в) установить экономически приемлемый диапазон значений концентраций вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в восстановленном гексафториде смеси изотопов урана, т.е. в восстановленном ядерном топливе, который удовлетворял бы как производителя, так и заказчика (атомную электростанцию-АЭС);

г) обеспечить возможность многократного использования в ядерном реакторе одной и той же выгоревшей смеси изотопов урана без повышения концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в восстановленном (конечном) ядерном топливе;

д) обеспечить высокую гомогенность (однородность) распределения делящегося изотопа уран-235 в смеси изотопов урана и, тем самым, повысить надежность ядерного топлива (таблеток, твэлов, ТВС) за счет исключения локального перегрева из-за низкой гомогенности.

Указанные выше задачи по п. а - д решаются за счет введения в известное техническое решение совокупности основных отличительных признаков, заключающихся в том, что в гексафториде выгоревшей смеси изотопов урана понижают концентрацию изотопов уран-236, уран-234 и уран-232 по сравнению с исходной концентрацией, смешивают между собой преимущественно три компонента, смешивание компонентов производят в газовой и (или) в жидкой фазе, в качестве первого компонента, т.е. исходного материала, используют гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана, в качестве второго, т.е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид, как правило, свежей смеси изотопов урана, с меньшей, чем в первом компоненте, концентрацией изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и концентрацией делящегося изотопа уран-235 преимущественно в диапазоне от 0,15 до 0,7115 мас.%, в качестве третьего, т.е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид преимущественно свежей смеси изотопов урана с отличной от первого компонента концентрацией делящегося изотопа уран-235 преимущественно с концентрацией от 3,6 до 100 мас.%, в процессе смешивания регулируют концентрацию изотопов уран-232, уран-234, уран-235 и уран-236, регулирование производят, как правило, за счет контроля расхода массы компонентов и за счет контроля концентрации изотопов урана в процессе смешивания компонентов, вначале первый компонент смешивают, как правило, с вторым компонентом и доводят концентрацию изотопа уран-232 ниже 4,910^-7 мас.%, изотопа уран-234 ниже 1,710^-1 мас.% и изотопа уран-236 ниже 8,010^-1 мас.%, затем, как правило, полученный материал смешивают с третьим компонентом и доводят концентрацию делящегося изотопа уран-235 и, как правило, концентрацию изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 до заданных величин.

Указанные выше существенные отличительные признаки являются достаточными во всех случаях, на которые испрашивается объем правовой охраны.

В формулу способа введены дополнительные отличительные признаки, заключающиеся в том, что добавление и смешивание компонентов, а также контроль и регулирование концентрации изотопов урана продолжают до достижения заданных величин в следующем диапазоне концентраций, мас.%:

Уран-235 - 1 - 10

Уран-232 - 4,910^-7 - 3,810^-9

Уран-234 - 1,710^-1 - 7,310^-3

Уран-236 - 8,010^-1 - 6,410^-3

Уран-238 и другие примеси - Остальное

При этом авторы обращают внимание экспертизы на следующее:

1) в конечном (восстановленном) ядерном топливе могут быть и другие примеси, не удаленные ранее радиохимической очисткой выгоревшего в ядерном реакторе ядерного топлива или содержащиеся в восстанавливающих компонентах, Zr, Nb, Ru, причем содержание этих примесей в настоящем изобретении не лимитировано;

2) в настоящем описании изобретения под термином "ядерное топливо" авторы понимают в зависимости от контекста либо гексафторид смеси изотопов урана, либо продукты (порошки двуокиси урана, таблетки, твэлы, ТВС), которые могут быть в дальнейшем получены из указанного выше гексафторида;

3) под термином "концентрация" авторы подразумевают концентрацию изотопов урана именно в смеси изотопов урана (этот термин не относится к химическому соединению, т.е. при этом не учитываются такие химические элементы, как фтор, кислород и т.д.);

4) заявленный способ позволяет утилизировать (использовать) металлический уран-235 с концентрацией до 100% (оружейный), который ранее не использовался в ядерной энергетике.

При анализе приведенных выше известных способов (см. аналоги), т.е. при анализе уровня ядерной техники, не обнаружены способы с точно такой же совокупностью признаков, что позволяет авторам считать заявленный способ соответствующим критерию "новизна".

Для специалиста по ядерной технике явным образом не следует, что для решения приведенных выше задач, в формулу изобретения, которая заявлена, нужно ввести именно ту совокупность отличительных признаков (смешивание трех компонентов), включая изотопный состав (уран-232, уран-234, уран-236, уран-235, уран-238) и диапазон концентраций указанных изотопов в компонентах и в восстановленном (конечном) гексафториде ядерного топлива, которая заявлена (см. формулу). В связи с этим авторы считают, что заявленный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявленный способ восстановления пригодности выгоревшего в ядерном реакторе топлива в виде гексафторида смеси изотопов урана к изготовлению ядерного топлива осуществляется описанным ниже образом.

Между собой смешивают три компонента в газовой фазе и (или) жидкой фазе. В качестве первого компонента, т.е. исходного материала, используют в жидкой фазе гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана. В качестве второго, т.е. восстанавливающего компонента, используют в жидкой фазе гексафторид свежего урана с меньшей, чем в первом компоненте, концентрацией делящегося изотопа уран-235 преимущественно от 0,15 до 0,7115%. В качестве третьего, т.е. восстанавливающего компонента, используют в газовой фазе гексафторид смеси изотопов с большей концентрацией делящегося изотопа уран-235, чем в первом компоненте преимущественно от 3,6 до 100%. В процессе смешивания контролируют и регулируют концентрацию изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и уран-235. Регулирование производят как за счет контроля расхода массы трех компонентов, так и за счет прямого контроля концентрации указанных изотопов в трех компонентах и в восстановленном ядерном топливе. Вначале исходный материал смешивают со вторым компонентом и доводят концентрацию изотопа уран-232 ниже 4,910^-7%, изотопа уран-234 ниже 1,710^-1%, изотопа уран-236 ниже 8,010^-01%. Затем полученный материал смешивают с третьим компонентом и доводят концентрацию делящегося изотопа уран-235 до заданной в диапазоне от 1 до 10%. При этом может быть не достигнуто заданное (заказчиком) значение или может быть изменено ранее достигнутое значение концентраций изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и уран-235. Поэтому процесс смешивания и добавления (в основном восстанавливающих) компонентов продолжают до достижения в восстановленном гексафториде заданных (заказчиком) значений концентраций указанных выше изотопов в том диапазоне, который указан в формуле.

Причинно-следственная связь между совокупностью заявленных отличительных признаков, касающихся того, что концентрацию делящегося изотопа уран-235 повышают за счет того, что смешивают между собой три компонента, смешивание компонентов производят в газовой фазе и (или) в жидкой фазе, в качестве первого компонента, т.е. исходного материала, используют гексафторид выгоревшей смеси изотопов урана, в качестве второго, т.е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид смеси изотопов свежего урана с меньшей, чем в первом компоненте, концентрацией изотопа уран-235, в качестве третьего, т. е. восстанавливающего компонента, используют гексафторид смеси изотопов урана с большей концентрацией делящегося изотопа уран-235, чем в первом компоненте, в процессе смешивания контролируют и регулируют концентрацию изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и уран-235 и техническим результатом, состоящим в том, что обеспечивается высокая (заданная) степень концентрации (массовой доли) делящегося изотопа уран-235 при низкой (заданной) степени концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236 в восстановленном гексафториде смеси изотопов урана заключается в том, что при заявленном способе не производится обогащение методом газовой диффузии, как в способе-прототипе, а производится обогащение в одном технологическом процессе путем смешивания трех компонентов. При этом производится как обогащение делящимся изотопом ураном-235, так и обеднение вредными изотопами уран-232, уран-234, уран-236 за счет указанных в формуле этих трех компонентов и концентраций изотопов в них, причем в них объединены такие противоположные по смыслу процессы, как обогащение (уран-235), так и обеднение (уран-232, уран-234, уран-236). Кроме того, положительный результат достигается за счет того, что в процессе смешивания производится контроль и регулирование концентрации изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и уран-235 (а в способе-прототипе, по крайней мере регулирование изотопов уран-232, уран-234 и уран-236, невозможно и не производится). При этом следует иметь в виду, что при смешивании гексафторидов изотопов урана в жидкой и (или) газовой фазе достигается максимально возможная гомогенность ядерного топлива, которое будет изготовлено из этого гексафторида, в части распределения изотопа уран-235 по объему ядерного топлива, что повысит его надежность.

Причинно-следственная связь между совокупностью заявленных отличительных признаков, касающихся того, что в процессе смешивания контролируют и регулируют концентрацию изотопов уран-232, уран-234, уран-236 и уран-235, регулирование производят, как правило, за счет контроля расхода массы компонентов и за счет непосредственного контроля концентрации указанных изотопов в смешиваемом или восстановленном ядерном топливе, вначале исходный материал смешивают с вторым компонентом и доводят концентрацию изотопа уран-232 ниже 4,910^-7%, изотопа уран-234 ниже 1,710^-1, изотопа уран-236 ниже 8,010^-1%, затем полученный материал смешивают с третьим восстанавливающим компонентом и доводят концентрацию изотопа уран-235 до заданной преимущественно от 1 до 10%, процесс смешивания и добавления компонентов (как правило, восстанавливающих) продолжают до достижения в восстановленном гексафториде смеси изотопов урана заданного значения концентраций в диапазоне, указанном в формуле изобретения, и техническим результатом, состоящим в повышении качества восстановленного гексафторида урана, т.е. восстановленного ядерного топлива, за счет снижения концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236, заключается в том, что указанные операции, касающиеся контроля и регулирования, а также окончание операции регулирования (с окончанием добавления и смешивания компонентов) связаны с конкретным диапазоном концентраций вредных изотопов в конечном ядерном топливе, что этот диапазон как правило меньше, чем конкретные значения этих же вредных изотопов (уран-232, уран-234 и уран-236) в исходном выгоревшем топливе и, как правило, в топливе, полученном другим известным способом (см. аналоги и прототип).

Для сведения экспертизы авторы сообщают, что в соответствии со стандартом США ASTM C 787-90 "Standard Specification for Uranium Hexafluoride for Enrichment" в гексфаториде из выгоревшей смеси изотопов урана, предназначенном для обогащения методом газовой диффузии или центрифужным способом, может быть следующая максимальная концентрация вредных изотопов урана:

Уран-232 - 510^-7%

Уран-234 - 4,810^-2%

Уран-236 - 8,410^-1%

В процессе обогащения (повышения концентрации изотопа уран-235) гексафторида методом газовой диффузии или центрифужным методом указанные значения максимальных концентраций вредных изотопов могут только увеличиваться.

Реально в реакторах, например, в ядерных энергетических установках для морских судов, значения концентраций вредных (указанных выше) изотопов могут быть выше. При многократной загрузке одного и того же выгоревшего и восстановленного известным способом (см. аналоги и прототип) ядерного топлива, значения концентраций вредных (указанных выше) изотопов (особенно урана-236) возрастают.

Причинно-следственные связи между указанными выше отличительными признаками, касающимися контроля и регулирования концентрации изотопов, и техническим результатом, состоящим в том, что установить экономически приемлемый диапазон значений концентраций вредных изотопов уран-232, уран-235 и уран-236 в восстановленном гексафториде смеси изотопов урана, т.е. в восстановленном ядерном топливе, который удовлетворял бы как производителя, так и заказчика (атомную электростанцию-АЭС), заключаются в точно таких же причинах, которые уже указаны в вышестоящем абзаце. Цифры диапазона концентраций изотопов урана установлены в формуле изобретения, исходя из опыта работы по восстановлению пригодности гексафторида выгоревшего урана и в результате анализа эксплуатации ядерного топлива в ядерном реакторе. Дело в том, что топливо можно изготовить очень чистым в части содержания вредных изотопов, но экономически эго невыгодно, так как затраты на его производство не будут экономически приемлемыми.

Причинно-следственная связь между совокупностью заявленных отличительных признаков, касающихся того, что процесс смешивания и добавления компонентов производят до достижения в конечном ядерном топливе указанного в формуле изобретения диапазона концентраций изотопов урана и техническим результатом, состоящим в возможности обеспечить многократное использование в ядерном реакторе одной и той же выгоревшей смеси изотопов урана без повышения концентрации вредных изотопов уран-232, уран-234 и уран-236, заключается в том, что каждый раз после эксплуатации ядерного реактора выгоревшее ядерное топливо, обработанное в соответствии с указанным способом, будет иметь низкое (заданное заказчиком в том диапазоне, которое указано в формуле) содержание вредных изотопов урана, повышение вредных изотопов в процессе однократной эксплуатации будет приведено в норму, указанную в изобретении перед последующей эксплуатацией в ядерном реакторе этой же выгоревшей смеси изотопов урана при изготовлении конечного ядерного топлива.

К настоящему описанию приложена одна из конкретных схем оборудования для осуществления заявленного способа и дано подробное описание одного из конкретных примеров осуществления заявленного способа.

На чертеже изображены пять взаимосвязанных установок для осуществления заявленного способа. Первая установка содержит контейнер (герметичную емкость) 1, в котором размещено (для хранения, транспортирования, переработки) выгоревшее в ядерном реакторе топливо в виде гексафторида смеси изотопов урана, т.е. первого компонента. Контейнер 1 установлен на весах 6 для контроля за расходом гексафторида в процессе смешивания компонентов. Гексафторид урана при нормальных условиях (температуре 20^oC и давлению 760 мм ртутного столба) находится внутри контейнера в твердом состоянии. Контейнер 1 находится внутри реторты 7, которая может обогреваться электропечью 8 за счет продувки горячего воздуха с помощью вентилятора 9. Температура горячего воздуха может регулироваться в пределах от 50 до 150^oC. К реторте 7 прикреплен датчик температуры (на схеме не показан) для контроля за температурой реторты и соответственно за температурой контейнера 1 (аналогичные датчики имеются на всех других установках для контроля температуры остальных контейнеров 2, 3, 4, 5). Контейнер 1 снабжен запорным клапаном 10 для подвода газа азота и запорным клапаном 11 для отвода (подвода) газообразного или жидкого гексафторида урана. На трубопроводе для отвода гексафторида установлен прибор 12 для контроля давления и прибор 13 для контроля расхода газа или жидкости. Далее на этом же трубопроводе установлен запорный клапан 14 для отсечки (изолирования) от соседнего контейнера с гексафторидом.

Остальные установки в части обогревательных устройств, запорной арматуры (клапанов) и контрольных приборов устроены аналогичным образом, причем на схеме графически эти устройства и приборы для разных установок изображены одинаково. Во второй установке размещен контейнер 2 со вторым компонентом, в третьей установке размещен контейнер 3 с третьим компонентом, в четвертой установке размещен контейнер 4, в котором производят смешивание трех компонентов, в пятой установке размещен контейнер 5, в который перемещают (далее хранят или транспортируют) уже восстановленное (уже смешанное) ядерное топливо.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. Контейнер 1 с определенной (заранее известной) массой и концентрацией вредных и делящихся изотопов нагревают до температуры выше тройной точки (64^oC) - до температуры 80^oC - и переводят гексафцторид в жидкое состояние, выдерживая в контейнере давление 1790 - 1830 мм рт.ст. Далее через клапан 10 подают в контейнер 1 газ азот и выдавливают определенную массу (часть или весь) жидкого гексафторида в контейнер 4 для смешивания со вторым компонентом. Контроль массы производят по весам 6 и расходомеру 13. Клапан 14 перекрывают и отсекают трубопроводы 15 контейнера 1 от трубопроводов 16 контейнера 2.

Аналогичным образом второй компонент (гексафторид низкообогащенного урана, например, отвального урана) в контейнере 2 переводят в жидкое состояние и выдавливают определенную массу второго компонента через трубопроводы 16 и 17 в контейнер 4 для смешивания с первым компонентом. Контроль массы производят по весам 6 и расходомеру 13 (на чертеже эти приборы графически изображены одинаково с такими же приборами, изображенными на первой установке с контейнером 1). Зная массы компонентов и концентрацию вредных и делящихся изотопов, расчетным путем определяют их концентрацию в контейнере 4. К реторте 7 контейнера 4 прикреплен (или размещен рядом) прибор 18 для дистанционного контроля типов изотопов и их концентрации внутри контейнера 4. По этому прибору проверяют расчет концентрации изотопов в контейнере 4. Увеличивая массу первого или второго компонента в контейнере 4, концентрацию вредных изотопов уран-232 и уран-236 доводят до наибольшего допускаемого значения, указанного в формуле изобретения, или понижают далее до заданного заказчиком уровня. Зная массы двух компонентов и концентрацию вредных изотопов в первом и втором компоненте, а также требования заказчика, можно расчетным путем определить пригодность к использованию смеси компонентов до их фактического смешивания. В этом случае можно одновременно выдавливать первый и второй компонент из контейнеров 1 и 2 по трубопроводам 15, 16, 17 в контейнер 4 для смешивания, не отсекая клапаном 14 контейнер 1 от контейнера 2. Все равно результат расчета будет перепроверен дистанционным прибором 18 (на практике этот прибор может отсутствовать, тогда расчет будет перепроверен на конечной стадии после отбора контрольной пробы специальным пробоотборником в виде стакана на анализ изотопного состава и концентраций изотопов восстановленного топлива - см. поз. 21).

Третий компонент (гексафторид высокообогащенного урана, например, оружейного урана с обогащением 98%) размещен в контейнере 3. Третий компонент нагревают до температуры выше тройной точки - до 90^oC и создают в контейнере 3 давление 1900 - 2000 мм рт.ст. При этом третий компонент из твердого состояния переводят в газовое состояние (в газовую фазу). Газовая фаза третьего компонента по трубопроводу 19 самотеком поступает в контейнер 4 на смешивание с первым и вторым компонентами. При этом нет необходимости выдавливать третий компонент из контейнера 3. Показанный на схеме клапан 20 служит для продувки пустого контейнера 3 азотом или для подвода третьего компонента (газа гексафторида) из другого контейнера (в одном контейнере не может быть много высокообогащенного топлива из-за ограничений ядерной безопасности). При этом производится приборный контроль (весы типа 6 и расходомер типа 13) расхода массы третьего компонента.

Когда концентрация (степень обогащения) восстановленного ядерного топлива делящимся нуклидом (ураном-235) в контейнере 4 достигнет заданного заказчиком уровня, расход (истечение) третьего компонента прекращают путем перекрытия запорного клапана типа 11 на контейнере 3 и контейнере 4. В процессе смешивания, как правило, барботируют (пропускают через жидкость) газ азот для лучшего смешивания всех компонентов. Концентрацию делящихся нуклидов в восстановленном ядерном топливе определяют расчетным путем, учитывая массу компонентов в смеси и их концентрацию. Перепроверка значения концентрации делящихся изотопов (уран-235) и вредных изотопов (уран-232, уран-234, уран-236) может производиться как дистанционным прибором 18, так и прямым контрольным отбором пробы на анализ специальным пробоотборником.

На чертеже показано место 21 для присоединения специального пробоотборника. После положительных результатов контроля открываются клапаны типа 11 и жидкая смесь трех компонентов по трубопроводу 22 за счет подачи азота в контейнер 4 выдавливается из контейнера 4 в контейнер 5.

Контейнер 5 содержит восстановленное ядерное топливо, качество которого проконтролировано на соответствие требованиям заказчика. Этот контейнер 5 отправляется заказчику для производства порошка, таблеток, твэлов и ТВС.

В процессе смешивания жидких компонентов в контейнере 4 и выдавливания (перелива) жидких компонентов из контейнера 4 в контейнер 5 образуется паровая подушка. С целью ликвидации этой подушки и предупреждения появления избыточного давления имеется конденсатор 23, который охлаждается хладагентом 24 до температуры ниже 0^oC и в котором поддерживается давление меньше, чем в контейнерах 4 и 5, например, ниже атмосферного из-за подсоединения 25 к вакуумному насосу. Пары гексафторида по трубопроводам 26 и 27 поступают в конденсатор и превращаются в нем в твердую фазу, т.е. в отходы, которые затем отправляются на переработку.

При низком значении концентраций делящегося изотопа уран-235 и низких значениях концентраций вредных изотопов уран-232, уран-234, уран-236 в первом компоненте (гексафторид выгоревшей смеси изотопов) и при низких значениях вредных изотопов урана в третьем компоненте (гексафторид высокообогащенного урана), а также при низких требованиях заказчика к восстановленному ядерному топливу в части содержания указанных вредных изотопов, допускается смешивать только первый и третий компоненты.

При высоком значении концентрации делящегося изотопа уран-235 и низких значениях концентраций вредных изотопов уран-232, уран-234, уран-236 в первом компоненте (гексафторид выгоревшей смеси изотопов) и при низких значениях вредных изотопов урана во втором компоненте (гексафторид отвального низкообогащенного урана), а также при низких требованиях заказчика к восстановленному ядерному топливу в части содержания указанных вредных изотопов, допускается смешивать только первый и второй компоненты.

При поступлении выгоревшего ядерного топлива в виде окислов изотопов урана эти окислы изотопов урана можно фторировать по известной технологии и превращать в гексафторид изотопов урана. Далее можно производить повышение концентрации (обогащение) по заявленному и описанному выше способу.

Восстановленное заявленным способом ядерное топливо предназначено преимущественно для ядерных реакторов на тепловых нейтронах с обычной (легкой) водой в качестве замедлителя и теплоносителя.

Экономический эффект от использования заявленного способа зависит от объема восстановленного (переработанного) выгоревшего ядерного топлива. При этом следует иметь в виду, что цена ядерного топлива приближается к цене золота.

Для внедрения заявленного способа нужно завезти необходимое количество гексафторида выгоревшей смеси изотопов урана, гексафторида отвального (обедненного) урана и гексафторида высокообогащенного (возможно оружейного) урана. При этом следует провести соответствующую технологическую подготовку производства, т.е. произвести монтаж пяти описанных выше установок.

Источники информации.

1. Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики. Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 201.

2. Синев Н.М. и Батуров Б.Б. Экономика ядерной энергетики. Основы технологии и экономики ядерного топлива. М.: Атомиздат, 1980, с. 212.