РАЗДЕЛЕНИЕ ПРАЗЕОДИМА, НЕОДИМА, УРАНА НА СПЛАВАХ Ga-In И Ga-Sn ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА В ХЛОРИДНЫХ РАСПЛАВАХ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕРМОДИНАМИКА СПЛАВООБРАЗОВАНИЯ И ЛИТЕРАТУРНЫЙ
ОБЗОР СТАТЕЙ ПО РАЗДЕЛЕНИЮ /-ЭЛЕМЕНТОВ НА ЖИДКИХ МЕТАЛЛАХ 13
1.1 Связь между основными термодинамическими характеристиками 13
1.2 Определение активности компонентов в сплаве 20
1.3 Физико-химические аспекты определения растворимости
/-металлов в легкоплавких сплавах 23
1.4 Определение коэффициентов активности компонентов
сплавов 30
1.5 Расчет коэффициентов разделения металлов в системе
«расплавленная соль - жидкий легкоплавкий металл» 32
1.6 Литературный обзор статей по разделению лантанидов и актинидов в системах «солевой расплав - жидкий металл» 34
1.7 Требования к представлению экспериментальных данных
термодинамических измерений и оценка погрешности измерений 42
1.8 Возможные источники ошибок метода ЭДС 43
Выводы 47
2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 49
2.1 Спецификация используемых в работе реагентов 49
2.2 Приготовление электролитов 50
2.3 Приготовление эвтектических сплавов галлия с индием и
оловом 53
2.4 Методика измерения электродвижущих сил гальванических
элементов 55
2.5 Методики определения растворимости лантанидов
в легкоплавких сплавах 61
2.6 Методика определения коэффициентов разделения
/-элементов в системе «жидкий металл - солевой расплав» 68
2.7 Подготовка сплавов к химическому анализу 70
2.8 Приготовление солевых электролитов, содержащих
хлориды лантанидов и урана 71
Выводы 72
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРЦИАЛЬНЫХ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПРАЗЕОДИМА
И НЕОДИМА В ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ГАЛЛИЕВЫХ ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВАХ 73
3.1 Определение термодинамических функций празеодима
в сплавах с индием и висмутом 73
3.2 Определение термодинамических функций неодима в сплавах
с индием и висмутом 79
3.3 Определение термодинамических характеристик празеодима
в эвтектическом сплаве галлий-индий 85
3.4 Определение термодинамических характеристик неодима в
эвтектическом сплаве галлий-индий 90
3.5 Сравнение парциальных термодинамических функций
празеодима и неодима в галлий-индиевых эвтектических сплавах 95
3.6 Определение термодинамических характеристик празеодима
в эвтектическом сплаве галлий-олово 96
3.7 Определение термодинамических характеристик неодима
в эвтектическом сплаве галлий-олово 101
3.8 Сравнение парциальных термодинамических функций
празеодима и неодима в галлий-оловянных эвтектических сплавах 107
3.9 Избыточные термодинамические характеристики празеодима
и неодима в легкоплавких эвтектических сплавах на основе галлия 108
Выводы 109
4 ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГАЛЛИЯ В ЛЕГКОПЛАВКИХ
СПЛАВАХ Оа-Хп НА РАСТВОРИМОСТЬ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ 111
4.1 Изучение растворимости неодима в жидком галлии 111
4.2 Изучение растворимости неодима в жидком индии 113
4.3 Определение времени насыщения неодимом галлиевых
сплавов, содержащих 40,0 и 70,0 мас.% индия 114
4.4 Изучение растворимости неодима в сплавах Оа-Хп (40 мас.% 1п) 115
4.5 Изучение растворимости неодима в сплавах Оа-Хп (70 мас.% 1п) 119
4.6 Сравнение данных по растворимости неодима в сплавах
с различным содержанием галлия 121
Выводы 126
5 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЛАНТАНИДОВ И АКТИНИДОВ В СИСТЕМЕ «ХЛОРИДНЫЙ РАСПЛАВ - ЭВТЕКТИЧЕСКИЙ СПЛАВ Ga-Sn» И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ 128
5.1 Термодинамическое обоснование возможности разделения лантанидов и актинидов на эвтектических сплавах Ga-Sn в солевых хлоридных расплавах 129
5.2 Расчет коэффициентов разделения пары Nd/Pr 133
5.3 Расчет коэффициентов разделения пары Ln(Pr, Nd)/U 134
5.4 Верификация коэффициентов разделения пары Nd/Pr 140
5.5 Верификация коэффициентов разделения пары Nd/U 145
Выводы 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справки о полезности результатов работы) 166
1 ТЕРМОДИНАМИКА СПЛАВООБРАЗОВАНИЯ И ЛИТЕРАТУРНЫЙ
ОБЗОР СТАТЕЙ ПО РАЗДЕЛЕНИЮ /-ЭЛЕМЕНТОВ НА ЖИДКИХ МЕТАЛЛАХ 13
1.1 Связь между основными термодинамическими характеристиками 13
1.2 Определение активности компонентов в сплаве 20
1.3 Физико-химические аспекты определения растворимости
/-металлов в легкоплавких сплавах 23
1.4 Определение коэффициентов активности компонентов
сплавов 30
1.5 Расчет коэффициентов разделения металлов в системе
«расплавленная соль - жидкий легкоплавкий металл» 32
1.6 Литературный обзор статей по разделению лантанидов и актинидов в системах «солевой расплав - жидкий металл» 34
1.7 Требования к представлению экспериментальных данных
термодинамических измерений и оценка погрешности измерений 42
1.8 Возможные источники ошибок метода ЭДС 43
Выводы 47
2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 49
2.1 Спецификация используемых в работе реагентов 49
2.2 Приготовление электролитов 50
2.3 Приготовление эвтектических сплавов галлия с индием и
оловом 53
2.4 Методика измерения электродвижущих сил гальванических
элементов 55
2.5 Методики определения растворимости лантанидов
в легкоплавких сплавах 61
2.6 Методика определения коэффициентов разделения
/-элементов в системе «жидкий металл - солевой расплав» 68
2.7 Подготовка сплавов к химическому анализу 70
2.8 Приготовление солевых электролитов, содержащих
хлориды лантанидов и урана 71
Выводы 72
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРЦИАЛЬНЫХ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПРАЗЕОДИМА
И НЕОДИМА В ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ГАЛЛИЕВЫХ ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВАХ 73
3.1 Определение термодинамических функций празеодима
в сплавах с индием и висмутом 73
3.2 Определение термодинамических функций неодима в сплавах
с индием и висмутом 79
3.3 Определение термодинамических характеристик празеодима
в эвтектическом сплаве галлий-индий 85
3.4 Определение термодинамических характеристик неодима в
эвтектическом сплаве галлий-индий 90
3.5 Сравнение парциальных термодинамических функций
празеодима и неодима в галлий-индиевых эвтектических сплавах 95
3.6 Определение термодинамических характеристик празеодима
в эвтектическом сплаве галлий-олово 96
3.7 Определение термодинамических характеристик неодима
в эвтектическом сплаве галлий-олово 101
3.8 Сравнение парциальных термодинамических функций
празеодима и неодима в галлий-оловянных эвтектических сплавах 107
3.9 Избыточные термодинамические характеристики празеодима
и неодима в легкоплавких эвтектических сплавах на основе галлия 108
Выводы 109
4 ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГАЛЛИЯ В ЛЕГКОПЛАВКИХ
СПЛАВАХ Оа-Хп НА РАСТВОРИМОСТЬ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ 111
4.1 Изучение растворимости неодима в жидком галлии 111
4.2 Изучение растворимости неодима в жидком индии 113
4.3 Определение времени насыщения неодимом галлиевых
сплавов, содержащих 40,0 и 70,0 мас.% индия 114
4.4 Изучение растворимости неодима в сплавах Оа-Хп (40 мас.% 1п) 115
4.5 Изучение растворимости неодима в сплавах Оа-Хп (70 мас.% 1п) 119
4.6 Сравнение данных по растворимости неодима в сплавах
с различным содержанием галлия 121
Выводы 126
5 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЛАНТАНИДОВ И АКТИНИДОВ В СИСТЕМЕ «ХЛОРИДНЫЙ РАСПЛАВ - ЭВТЕКТИЧЕСКИЙ СПЛАВ Ga-Sn» И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ 128
5.1 Термодинамическое обоснование возможности разделения лантанидов и актинидов на эвтектических сплавах Ga-Sn в солевых хлоридных расплавах 129
5.2 Расчет коэффициентов разделения пары Nd/Pr 133
5.3 Расчет коэффициентов разделения пары Ln(Pr, Nd)/U 134
5.4 Верификация коэффициентов разделения пары Nd/Pr 140
5.5 Верификация коэффициентов разделения пары Nd/U 145
Выводы 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справки о полезности результатов работы) 166
Актуальность работы
Под эгидой Организации объединенных наций в 2000 году состоялся «саммит тысячелетия». Одним из важнейших событий саммита стал доклад Президента России. В докладе был сформулирован посыл мировому сообществу о недопустимости в новом тысячелетии распространения потоков ядерных материалов (обогащенного урана и плутония) и необходимости вовлечения в ядерный топливный цикл (ЯТЦ) высокоактивных минорных актинидов (МА). Вовлечение минорных актинидов в ЯТЦ, в свою очередь, обусловлено технической возможностью их использования в качестве делящихся материалов (ДМ) при введении в состав ядерного топлива. Реализация тезисов доклада Президента должна способствовать противодействию экстремизму, исключить попадание оружия массового уничтожения, в том числе ядерного, в руки террористов, открывая перспективы для новой и безопасной жизни [1]. Поэтому инициативы Президента РФ были широко поддержаны в МАГАТЭ и лидерами индустриально развитых стран. Так был предопределен на несколько десятилетий тренд развития атомной энергетики в России и в мире.
Развитие современной российской атомной энергетики неразрывно связано с прогрессом в сфере научно-технических разработок, обеспечивающих безопасное обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом (ОЯТ). Поэтому в 2011 году эта отрасль научно-технического развития была объявлена Президентом Российской Федерации приоритетным направлением развития науки, техники и технологий [2].
Для достижения поставленной задачи модернизации атомной отрасли, необходимо в обозримом будущем разработать и внедрить в промышленность принципиально новую технологию переработки ОЯТ. Она позволит замкнуть ядерно-топливный цикл реакторов «4 поколения», максимально снизить сроки выдержки отработавшего топлива и ускорить конверсию делящихся материалов в ядерно-топливном цикле. Обращение с высокоактивным отработавшим ядерным топливом подразумевает создание неводных методов его переработки, например, в системах «расплавленная соль - жидкий металл».
Внедрение новых технологий переработки ОЯТ требует комплексного подхода в рамках технологической платформы атомной энергетики: проекта «Прорыв». Комплексный подход заключается в проработке и реализации в технологии следующих направлений [3]:
1) Создание энергетического комплекса в составе реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ-ОД-300 и натриевым теплоносителем типа БН-1200 с пристанционным ЯТЦ;
2) Разработка и обоснование возможности применения смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) топлива, его паспортизация. Создание промышленных технологий изготовления СНУП-топлива стартовых загрузок с использованием складских запасов плутония;
3) Создание промышленных технологий изготовления СНУП топлива из регенерированных материалов в условиях замкнутого ядерно-топливного цикла (ЗЯТЦ);
4) Разработка технологий переработки СНУП ОЯТ с минимальным временем выдержки и соблюдением требований проекта «Прорыв», включающих в себя:
а) отсутствие потоков выделенного плутония;
б) возврат в цикл на фабрикацию максимальной доли урана и плутония с минимальными потерями при переработке и попаданием их в радиоактивные отходы (РАО) не более 0,1 мас.%;
в) подпитку цикла только за счёт обеднённого урана;
г) возврат в цикл нептуния без его выделения;
д) фракционирование америция и кюрия с направлением кюрия на длительное хранение;
е) вовлечение америция в топливный цикл.
5) Разработка комплекса технологий обращения с РАО.
Обращение с маловыдержанным ОЯТ требует применения неводных методов его переработки, например, в системах «расплавленная соль - жидкий металл». Настоящая работа посвящена поиску перспективных жидкометаллических сред для пирохимической переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах, которые могут использоваться в пирохимической технологии переработки ОЯТ в расплавах солей и металлов, позволяющих замкнуть ЯТЦ, тем самым решить актуальную проблему атомной энергетики.
Известно [4], что системы «солевой расплав - жидкий металлический сплав» являются наиболее подходящими для переработки высокоактивного маловыдержанного топлива реакторов на быстрых нейтронах. В качестве жидкометаллических сред наиболее перспективными являются как легкоплавкие индивидуальные металлы 111А - УЛ подгрупп периодической таблицы, так и их сплавы. Достоинствами таких систем являются термическая и радиационная устойчивость, жидкотекучее состояние легкоплавких металлов и их сплавов, позволяющие проводить в расплавленных средах физико-химические процессы при пониженных температурах в интервале 573-823 К.
Диссертационная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения» - проект «Прорыв» в рамках государственных контрактов Н.4х.46.90.11.1158, Н.4х.45.90.11.1097 и Н.4х.44.90.13.1096; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», а также при финансовой поддержке фонда молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.
Степень разработанности темы исследования
Разделение лантанидов и актинидов пирохимическими методами в системах «солевой расплав - жидкий металл» привлекает пристальное внимание ученых, работающих в России, США, ФРГ, Франции, Японии и других странах, начиная с 60-х годов прошлого века по настоящее время. Лучше всего изучены и разработаны процессы разделения 4/- и 5/-элементов при использовании жидкого кадмия в качестве металлического расплава. Однако, применение жидкого кадмия в одностадийных процессах переработки ОЯТ не позволяет достичь высоких значений коэффициентов разделения (КР) близких по свойствам 4/- и 5/-элементов. Достигаемые значения КР при межгрупповом разделении актинидов и лантанидов на кадмии не превышают 103.
Исследования, посвященные разделению /-металлов на жидком галлии, к настоящему времени единичны и проводились только при повышенных температурах 773-1073 К (КР ~ 100). Упоминаний где-либо о возможности применения эвтектических сплавов на основе галлия в пирохимических технологиях переработки ОЯТ нами не обнаружено.
Важной и необходимой предпосылкой для разработки пирохимических технологий переработки ОЯТ, фракционирования ядерных отходов и получения «чистого топлива» является термодинамическое обоснование целесообразности разделения продуктов деления и делящихся материалов, входящих в состав ядерного топлива, в системах «солевой расплав - жидкий металлический сплав». Сведения о термодинамических свойствах лантанидов и актинидов в жидкометаллических эвтектических сплавах Оа-1п и Оа-Зп в отечественной и зарубежной литературе отсутствовали. Это не позволяет оценить возможность использования данных сплавов в пирохимических технологиях переработки ОЯТ, а также фракционирования ядерных отходов.
Целью настоящей работы является изучение процессов разделения некоторых продуктов деления (Рг, N6) и делящихся материалов (И) на биметаллических жидких сплавах Оа-1п и Оа-8п в системе «хлоридный расплав - жидкий металл». Для достижения поставленной цели были поставлены и реализованы следующие задачи:
1) найти, систематизировать и обобщить сведения о термодинамических характеристиках некоторых редкоземельных металлов (РЗМ) (Рг, N6) и урана в сплавах с легкоплавкими металлами (Оа, 1п, 8п, В1);
2) изучить термодинамические свойства празеодима и неодима в жидких галлии, индии, а также в эвтектических сплавах галлий-индий и галлий-олово;
3) установить влияние концентрации второго легкоплавкого металла в сплавах Ga-Inна растворимость лантанидов (на примере неодима);
4) по термодинамическим данным рассчитать коэффициенты разделения неодима и празеодима, неодима и урана на эвтектических сплавах Ga-In и Ga-Sn и рекомендовать наиболее перспективный сплав для эффективного разделения /-элементов в одностадийном процессе;
5) экспериментально проверить возможность внутригруппового (для пары Pr/Nd) и межгруппового (для пары Nd/U) разделения /-элементов в расплавах солей и металлов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Температурные зависимости активности, коэффициентов активности, растворимости празеодима и неодима в расплавах Ga-In и Ga-Sn эвтектического состава в интервале 573-1073 K получены впервые. Определены изменения парциальных и избыточных парциальных энтальпии, энтропии, энергии Гиббса празеодима и неодима в двухфазных и гомогенных эвтектических сплавах Ga-Inи Ga-Sn.В интервале 573-1073 K уточнены термодинамические функции празеодима и неодима в двухфазных (Ж+ИМС) сплавах с индием и висмутом.
2. Впервые изучено влияние концентрации индия в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% In, на растворимость редкоземельных металлов (на примере неодима) в интервале 427-973 K. Обнаружено, что в исследованном температурном интервале растворимость неодима в галлий-индиевых сплавах не описывается линейной зависимостью lgX=/(1/T) и закономерно уменьшается с увеличением доли индия в сплавах Ga-In.
3. На основании полученных и имеющихся в литературе термодинамических данных рассчитаны значения коэффициентов разделения пар элементов «Nd/Pr»», «Nd/U»»на эвтектических сплавах Ga-Inи Ga-Sn. Проведена верификация КР в системе «хлоридный солевой расплав - жидкий эвтектический сплав Ga-Sn»».Доказано, что на обоих эвтектических сплавах внутригрупповое разделение 4/-элементов (празеодима и неодима) невозможно. Тогда как, межгрупповое разделение 4/- и 5/- элементов (неодима и урана) на эвтектическом сплаве Оа-Тп проходит весьма результативно с КР ~ 105 - 106.
Теоретическая и практическая значимость
Теоретическая значимость работы заключается в получении фундаментальных данных о термодинамических свойствах лантанидов цериевой подгруппы (Рг, .'д) в бинарных сплавах Оа-1п и Оа-Тп. в формировании адекватной модели поведения некоторых компонентов ОЯТ (на примере Рг. ЫР. Ц) в солевых хлоридных расплавах на жидкометаллических подложках.
Практическая значимость заключается в экспериментальной проверке и подтверждении целесообразности экстракционного извлечения делящихся материалов галлийсодержащими жидкометаллическими сплавами из солевых хлоридных расплавов. Достигнутые значения КР ~ 105- 106 позволяют обеспечить практически полное межгрупповое разделение 4/- и 5/-элементов в одностадийном процессе.
Методология и методы исследования
Активность празеодима и неодима в сплавах определяли методом электродвижущих сил (ЭДС) с использованием современного оборудования: универсального потенциостата/гальваностата Аи1о1аЬ Р0В1а1 302Ы и прецизионного вольтметра Актаком АМ-1038. Растворимость РЗМ в галлийсодержащих сплавах определяли методом высокотемпературного отбора проб после длительного изотермического отстаивания в комбинации с методом высокотемпературной фильтрации. Верификацию внутригруппового разделения (Рг и N6) и межгруппового разделения (N6 и и) /-элементов в системе «солевой хлоридный расплав - галлиевый эвтектический сплав» проводили методом восстановительной экстракции по обменной реакции (в качестве восстановителя использовали более электроотрицательный металл в паре разделяемых элементов). Исследования шлифов кристаллов ИМС проводили на оптическом микроскопе Olympus 0X71 в комплекте с встроенной цифровой видеокамерой. Рентгенофазовый анализ ИМС проводили на 11 дифрактометре PANanalytical X'PERT PRO MPD. Химический состав сплавов контролировали на масс-спектрометре ELAN 9000.
На защиту выносятся:
1. Температурные зависимости активности, коэффициентов активности, растворимости празеодима и неодима в сплавах с галлием, индием, эвтектическими композициями галлий-индий и галлий-олово, расчет термодинамических функций РЗМ в сплавах, сопоставление с данными других исследователей и анализ полученных данных.
2. Температурные зависимости растворимости неодима в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% индия, анализ процессов образования интерметаллических соединений (ИМС), равновесных с этими сплавами.
3. Термодинамическое обоснование возможности разделения продуктов деления (ПД) и делящихся материалов (ДМ) на галлий-оловянных сплавах в хлоридных расплавах и результаты верификации коэффициентов разделения.
Степень достоверности и апробация результатов
Полученные в диссертации температурные зависимости термодинамических характеристик празеодима и неодима в сплавах с легкоплавкими металлами очень хорошо согласуются с данными, найденными другими авторами в существенно более узких температурных интервалах. Исследования проводили с использованием современного лабораторного оборудования в инертной атмосфере. Результаты измерений термодинамических величин, коэффициентов разделения, рентгенофазовых исследований получены на современном поверенном оборудовании. Они хорошо воспроизводимы и статистически достоверны. Элементный контроль сплавов проводили в аккредитованной лаборатории «Аналитический испытательный центр - Российская арбитражная лаборатория испытаний материалов ядерной энергетики», г. Екатеринбург. Поэтому достоверность полученных в работе данных и термодинамических зависимостей сомнений не вызывает.
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих научных конференциях:
1) «222nd Meeting of the Electrochemical Society», 7-12 октября 2012 г., Гонолулу, США;
2) «NuMat 2012: The Nuclear Materials Conference», 22-25 октября 2012 г., Осака, Япония;
3) XVI Российская конференция (с международным участием) «Физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов», 16-20 сентября 2013 г., Екатеринбург, Россия;
4) «44th Journées des Actinides», 24-28 апреля 2014 г., Эйн-Геди, Израиль;
5) II Международная конференция «Исследования основных направлений технических и физико-математических наук», 10 мая 2014 г., Волгоград, Россия;
6) «226th Meeting of the Electrochemical Society», 5-9 октября 2014 г., Канкун, Мексика;
7) «NuMat 2014: The Nuclear Materials Conference», 27-30 октября 2014 г., Клеаруотер Бич, США;
8) «1st SACSESS International Workshop», 22-24 апреля 2015 г., Варшава, Польша.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них в научных журналах, входящих в перечень ВАК и представленных в базах цитирования РИНЦ, - 5 статей; в иностранных журналах, представленных в базах цитирования Scopus и Web of Science, - 6 статей. В прочих изданиях опубликованы тезисы 4-х докладов.
Под эгидой Организации объединенных наций в 2000 году состоялся «саммит тысячелетия». Одним из важнейших событий саммита стал доклад Президента России. В докладе был сформулирован посыл мировому сообществу о недопустимости в новом тысячелетии распространения потоков ядерных материалов (обогащенного урана и плутония) и необходимости вовлечения в ядерный топливный цикл (ЯТЦ) высокоактивных минорных актинидов (МА). Вовлечение минорных актинидов в ЯТЦ, в свою очередь, обусловлено технической возможностью их использования в качестве делящихся материалов (ДМ) при введении в состав ядерного топлива. Реализация тезисов доклада Президента должна способствовать противодействию экстремизму, исключить попадание оружия массового уничтожения, в том числе ядерного, в руки террористов, открывая перспективы для новой и безопасной жизни [1]. Поэтому инициативы Президента РФ были широко поддержаны в МАГАТЭ и лидерами индустриально развитых стран. Так был предопределен на несколько десятилетий тренд развития атомной энергетики в России и в мире.
Развитие современной российской атомной энергетики неразрывно связано с прогрессом в сфере научно-технических разработок, обеспечивающих безопасное обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом (ОЯТ). Поэтому в 2011 году эта отрасль научно-технического развития была объявлена Президентом Российской Федерации приоритетным направлением развития науки, техники и технологий [2].
Для достижения поставленной задачи модернизации атомной отрасли, необходимо в обозримом будущем разработать и внедрить в промышленность принципиально новую технологию переработки ОЯТ. Она позволит замкнуть ядерно-топливный цикл реакторов «4 поколения», максимально снизить сроки выдержки отработавшего топлива и ускорить конверсию делящихся материалов в ядерно-топливном цикле. Обращение с высокоактивным отработавшим ядерным топливом подразумевает создание неводных методов его переработки, например, в системах «расплавленная соль - жидкий металл».
Внедрение новых технологий переработки ОЯТ требует комплексного подхода в рамках технологической платформы атомной энергетики: проекта «Прорыв». Комплексный подход заключается в проработке и реализации в технологии следующих направлений [3]:
1) Создание энергетического комплекса в составе реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ-ОД-300 и натриевым теплоносителем типа БН-1200 с пристанционным ЯТЦ;
2) Разработка и обоснование возможности применения смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) топлива, его паспортизация. Создание промышленных технологий изготовления СНУП-топлива стартовых загрузок с использованием складских запасов плутония;
3) Создание промышленных технологий изготовления СНУП топлива из регенерированных материалов в условиях замкнутого ядерно-топливного цикла (ЗЯТЦ);
4) Разработка технологий переработки СНУП ОЯТ с минимальным временем выдержки и соблюдением требований проекта «Прорыв», включающих в себя:
а) отсутствие потоков выделенного плутония;
б) возврат в цикл на фабрикацию максимальной доли урана и плутония с минимальными потерями при переработке и попаданием их в радиоактивные отходы (РАО) не более 0,1 мас.%;
в) подпитку цикла только за счёт обеднённого урана;
г) возврат в цикл нептуния без его выделения;
д) фракционирование америция и кюрия с направлением кюрия на длительное хранение;
е) вовлечение америция в топливный цикл.
5) Разработка комплекса технологий обращения с РАО.
Обращение с маловыдержанным ОЯТ требует применения неводных методов его переработки, например, в системах «расплавленная соль - жидкий металл». Настоящая работа посвящена поиску перспективных жидкометаллических сред для пирохимической переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах, которые могут использоваться в пирохимической технологии переработки ОЯТ в расплавах солей и металлов, позволяющих замкнуть ЯТЦ, тем самым решить актуальную проблему атомной энергетики.
Известно [4], что системы «солевой расплав - жидкий металлический сплав» являются наиболее подходящими для переработки высокоактивного маловыдержанного топлива реакторов на быстрых нейтронах. В качестве жидкометаллических сред наиболее перспективными являются как легкоплавкие индивидуальные металлы 111А - УЛ подгрупп периодической таблицы, так и их сплавы. Достоинствами таких систем являются термическая и радиационная устойчивость, жидкотекучее состояние легкоплавких металлов и их сплавов, позволяющие проводить в расплавленных средах физико-химические процессы при пониженных температурах в интервале 573-823 К.
Диссертационная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения» - проект «Прорыв» в рамках государственных контрактов Н.4х.46.90.11.1158, Н.4х.45.90.11.1097 и Н.4х.44.90.13.1096; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», а также при финансовой поддержке фонда молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.
Степень разработанности темы исследования
Разделение лантанидов и актинидов пирохимическими методами в системах «солевой расплав - жидкий металл» привлекает пристальное внимание ученых, работающих в России, США, ФРГ, Франции, Японии и других странах, начиная с 60-х годов прошлого века по настоящее время. Лучше всего изучены и разработаны процессы разделения 4/- и 5/-элементов при использовании жидкого кадмия в качестве металлического расплава. Однако, применение жидкого кадмия в одностадийных процессах переработки ОЯТ не позволяет достичь высоких значений коэффициентов разделения (КР) близких по свойствам 4/- и 5/-элементов. Достигаемые значения КР при межгрупповом разделении актинидов и лантанидов на кадмии не превышают 103.
Исследования, посвященные разделению /-металлов на жидком галлии, к настоящему времени единичны и проводились только при повышенных температурах 773-1073 К (КР ~ 100). Упоминаний где-либо о возможности применения эвтектических сплавов на основе галлия в пирохимических технологиях переработки ОЯТ нами не обнаружено.
Важной и необходимой предпосылкой для разработки пирохимических технологий переработки ОЯТ, фракционирования ядерных отходов и получения «чистого топлива» является термодинамическое обоснование целесообразности разделения продуктов деления и делящихся материалов, входящих в состав ядерного топлива, в системах «солевой расплав - жидкий металлический сплав». Сведения о термодинамических свойствах лантанидов и актинидов в жидкометаллических эвтектических сплавах Оа-1п и Оа-Зп в отечественной и зарубежной литературе отсутствовали. Это не позволяет оценить возможность использования данных сплавов в пирохимических технологиях переработки ОЯТ, а также фракционирования ядерных отходов.
Целью настоящей работы является изучение процессов разделения некоторых продуктов деления (Рг, N6) и делящихся материалов (И) на биметаллических жидких сплавах Оа-1п и Оа-8п в системе «хлоридный расплав - жидкий металл». Для достижения поставленной цели были поставлены и реализованы следующие задачи:
1) найти, систематизировать и обобщить сведения о термодинамических характеристиках некоторых редкоземельных металлов (РЗМ) (Рг, N6) и урана в сплавах с легкоплавкими металлами (Оа, 1п, 8п, В1);
2) изучить термодинамические свойства празеодима и неодима в жидких галлии, индии, а также в эвтектических сплавах галлий-индий и галлий-олово;
3) установить влияние концентрации второго легкоплавкого металла в сплавах Ga-Inна растворимость лантанидов (на примере неодима);
4) по термодинамическим данным рассчитать коэффициенты разделения неодима и празеодима, неодима и урана на эвтектических сплавах Ga-In и Ga-Sn и рекомендовать наиболее перспективный сплав для эффективного разделения /-элементов в одностадийном процессе;
5) экспериментально проверить возможность внутригруппового (для пары Pr/Nd) и межгруппового (для пары Nd/U) разделения /-элементов в расплавах солей и металлов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Температурные зависимости активности, коэффициентов активности, растворимости празеодима и неодима в расплавах Ga-In и Ga-Sn эвтектического состава в интервале 573-1073 K получены впервые. Определены изменения парциальных и избыточных парциальных энтальпии, энтропии, энергии Гиббса празеодима и неодима в двухфазных и гомогенных эвтектических сплавах Ga-Inи Ga-Sn.В интервале 573-1073 K уточнены термодинамические функции празеодима и неодима в двухфазных (Ж+ИМС) сплавах с индием и висмутом.
2. Впервые изучено влияние концентрации индия в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% In, на растворимость редкоземельных металлов (на примере неодима) в интервале 427-973 K. Обнаружено, что в исследованном температурном интервале растворимость неодима в галлий-индиевых сплавах не описывается линейной зависимостью lgX=/(1/T) и закономерно уменьшается с увеличением доли индия в сплавах Ga-In.
3. На основании полученных и имеющихся в литературе термодинамических данных рассчитаны значения коэффициентов разделения пар элементов «Nd/Pr»», «Nd/U»»на эвтектических сплавах Ga-Inи Ga-Sn. Проведена верификация КР в системе «хлоридный солевой расплав - жидкий эвтектический сплав Ga-Sn»».Доказано, что на обоих эвтектических сплавах внутригрупповое разделение 4/-элементов (празеодима и неодима) невозможно. Тогда как, межгрупповое разделение 4/- и 5/- элементов (неодима и урана) на эвтектическом сплаве Оа-Тп проходит весьма результативно с КР ~ 105 - 106.
Теоретическая и практическая значимость
Теоретическая значимость работы заключается в получении фундаментальных данных о термодинамических свойствах лантанидов цериевой подгруппы (Рг, .'д) в бинарных сплавах Оа-1п и Оа-Тп. в формировании адекватной модели поведения некоторых компонентов ОЯТ (на примере Рг. ЫР. Ц) в солевых хлоридных расплавах на жидкометаллических подложках.
Практическая значимость заключается в экспериментальной проверке и подтверждении целесообразности экстракционного извлечения делящихся материалов галлийсодержащими жидкометаллическими сплавами из солевых хлоридных расплавов. Достигнутые значения КР ~ 105- 106 позволяют обеспечить практически полное межгрупповое разделение 4/- и 5/-элементов в одностадийном процессе.
Методология и методы исследования
Активность празеодима и неодима в сплавах определяли методом электродвижущих сил (ЭДС) с использованием современного оборудования: универсального потенциостата/гальваностата Аи1о1аЬ Р0В1а1 302Ы и прецизионного вольтметра Актаком АМ-1038. Растворимость РЗМ в галлийсодержащих сплавах определяли методом высокотемпературного отбора проб после длительного изотермического отстаивания в комбинации с методом высокотемпературной фильтрации. Верификацию внутригруппового разделения (Рг и N6) и межгруппового разделения (N6 и и) /-элементов в системе «солевой хлоридный расплав - галлиевый эвтектический сплав» проводили методом восстановительной экстракции по обменной реакции (в качестве восстановителя использовали более электроотрицательный металл в паре разделяемых элементов). Исследования шлифов кристаллов ИМС проводили на оптическом микроскопе Olympus 0X71 в комплекте с встроенной цифровой видеокамерой. Рентгенофазовый анализ ИМС проводили на 11 дифрактометре PANanalytical X'PERT PRO MPD. Химический состав сплавов контролировали на масс-спектрометре ELAN 9000.
На защиту выносятся:
1. Температурные зависимости активности, коэффициентов активности, растворимости празеодима и неодима в сплавах с галлием, индием, эвтектическими композициями галлий-индий и галлий-олово, расчет термодинамических функций РЗМ в сплавах, сопоставление с данными других исследователей и анализ полученных данных.
2. Температурные зависимости растворимости неодима в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% индия, анализ процессов образования интерметаллических соединений (ИМС), равновесных с этими сплавами.
3. Термодинамическое обоснование возможности разделения продуктов деления (ПД) и делящихся материалов (ДМ) на галлий-оловянных сплавах в хлоридных расплавах и результаты верификации коэффициентов разделения.
Степень достоверности и апробация результатов
Полученные в диссертации температурные зависимости термодинамических характеристик празеодима и неодима в сплавах с легкоплавкими металлами очень хорошо согласуются с данными, найденными другими авторами в существенно более узких температурных интервалах. Исследования проводили с использованием современного лабораторного оборудования в инертной атмосфере. Результаты измерений термодинамических величин, коэффициентов разделения, рентгенофазовых исследований получены на современном поверенном оборудовании. Они хорошо воспроизводимы и статистически достоверны. Элементный контроль сплавов проводили в аккредитованной лаборатории «Аналитический испытательный центр - Российская арбитражная лаборатория испытаний материалов ядерной энергетики», г. Екатеринбург. Поэтому достоверность полученных в работе данных и термодинамических зависимостей сомнений не вызывает.
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих научных конференциях:
1) «222nd Meeting of the Electrochemical Society», 7-12 октября 2012 г., Гонолулу, США;
2) «NuMat 2012: The Nuclear Materials Conference», 22-25 октября 2012 г., Осака, Япония;
3) XVI Российская конференция (с международным участием) «Физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов», 16-20 сентября 2013 г., Екатеринбург, Россия;
4) «44th Journées des Actinides», 24-28 апреля 2014 г., Эйн-Геди, Израиль;
5) II Международная конференция «Исследования основных направлений технических и физико-математических наук», 10 мая 2014 г., Волгоград, Россия;
6) «226th Meeting of the Electrochemical Society», 5-9 октября 2014 г., Канкун, Мексика;
7) «NuMat 2014: The Nuclear Materials Conference», 27-30 октября 2014 г., Клеаруотер Бич, США;
8) «1st SACSESS International Workshop», 22-24 апреля 2015 г., Варшава, Польша.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них в научных журналах, входящих в перечень ВАК и представленных в базах цитирования РИНЦ, - 5 статей; в иностранных журналах, представленных в базах цитирования Scopus и Web of Science, - 6 статей. В прочих изданиях опубликованы тезисы 4-х докладов.
В настоящей работе впервые независимыми методами определены температурные зависимости активности, коэффициентов активности и растворимости празеодима и неодима в эвтектических расплавах Ga-In и Ga-Sn в интервале 429-1073 K. Рассчитаны термодинамические характеристики празеодима и неодима в двухфазных и гомогенных эвтектических расплавах Ga-In и Ga-Sn. Уточнены термодинамические функции празеодима и неодима в двухфазных сплавах с индием и висмутом, а также растворимость неодима в галлии и индии. Обобщены и систематизированы сведения о термодинамических характеристиках празеодима, неодима и урана в сплавах с галлием, индием, оловом и висмутом.
В интервале температур 427-1073 K независимыми экспериментальными методами впервые определена растворимость неодима в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% индия. Доказано закономерное существенное уменьшение растворимости неодима в двойных сплавах Ga-In с увеличением в них массовой доли индия, которое особенно проявляется в области температур ниже 600 K. Установлено, что в жидких сплавах Ga-In и Ga-Sn идет преимущественное взаимодействие празеодима и неодима с галлием. Индий и олово в сплавах участвуют, возможно, как синергетические добавки, увеличивающие коэффициенты межгруппового разделения актинидов и лантанидов.
По термодинамическим данным в интервале 723-823 K рассчитаны коэффициенты разделения пар химических элементов «Nd/Pr» и «Nd/U» на эвтектических жидкометаллических сплавах Ga-Sn в эвтектических хлоридных расплавах. Экспериментальные значения коэффициентов разделения элементов «Nd/Pr» на эвтектическом сплаве Ga-Sn в хлоридных расплавах при температурах 723, 773 и 823 K согласуются с результатами термодинамических расчетов. Это подтверждает надежность полученных в диссертационной работе термодинамических данных.
Экспериментально доказано, что разделение празеодима и неодима в хлоридных расплавах на Ga-In и Ga-Sn жидкометаллических сплавах не результативно (КР ~ 1). В тоже время, уран и неодим можно разделить на эвтектических сплавах Ga-Sn с очень высоким коэффициентом разделения (КР ~ 105 - 106). Рассматривая неодим (празеодим) как имитатор лантанидов, а уран как имитатор ДМ (и, Ри, Ыр), следует ожидать, что в реальной пирохимической технологии переработки ОЯТ при достигнутых КР ~ 106 можно будет селективно отделить ДМ от весьма близких по свойствам лантанидов в одну стадию и, тем самым, обеспечить возврат ДМ в ядерный топливный цикл, т.е. достичь показатели, заложенные программой «Прорыв».
Эвтектические сплавы Ga-Sn являются более перспективными для пирохимической технологии переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах в расплавленных средах, так коэффициенты разделения на них выше, чем на расплавах Ga-In.
Дальнейшее развитие темы настоящей работы может быть сосредоточено на следующих направлениях:
1) необходимо изучение парциальных и избыточных термодинамических характеристик редкоземельных элементов (Ьа, N6, Sm, Еи, Gd) и урана в эвтектических сплавах Ga-Al и Ga-Zn. Содержание галлия в этих эвтектических сплавах превышает 96,0 мас.%, а температуры плавления на несколько градусов выше комнатной температуры. Возможно, что значения коэффициентов разделения редкоземельных металлов и урана при использовании Ga-Al и Ga-Zn эвтектических сплавов будут выше, чем на Ga-Sn эвтектическом сплаве;
2) селективное извлечение компонентов ОЯТ из солевых хлоридных расплавов невозможно без изучения электрохимического поведения урана и редкоземельных металлов на жидких галлий-содержащих электродах. Для решения технологических задач по разделению /-элементов с участием галлиевых эвтектических сплавов в солевых хлоридных расплавах необходимо определить режимы и условия электролиза, предельные плотности токов и потенциалы выделения разделяемых металлов.
В лабораторных условиях рекомендуется провести моделирование некоторых процессов межгруппового разделения /-элементов: а) отделение галлиевых сплавов от кристаллов ИМС методом фильтрации; б) избирательное анодное растворение /-элементов, входящих в состав галлиевых эвтектических сплавов; в) изучение процессов восстановления урана электролизом из хлоридных расплавов на галлийсодержащих жидких электродах в присутствии ионов редкоземельных металлов. Это позволит выявить возможные недостатки в предполагаемых к использованию технологических операциях и дать заключение о возможности применения жидкометаллических галлиевых эвтектических сплавов в пироэлектрохимических технологиях переработки ОЯТ и РАО.
В интервале температур 427-1073 K независимыми экспериментальными методами впервые определена растворимость неодима в сплавах Ga-In, содержащих 21,4; 40,0 и 70,0 мас.% индия. Доказано закономерное существенное уменьшение растворимости неодима в двойных сплавах Ga-In с увеличением в них массовой доли индия, которое особенно проявляется в области температур ниже 600 K. Установлено, что в жидких сплавах Ga-In и Ga-Sn идет преимущественное взаимодействие празеодима и неодима с галлием. Индий и олово в сплавах участвуют, возможно, как синергетические добавки, увеличивающие коэффициенты межгруппового разделения актинидов и лантанидов.
По термодинамическим данным в интервале 723-823 K рассчитаны коэффициенты разделения пар химических элементов «Nd/Pr» и «Nd/U» на эвтектических жидкометаллических сплавах Ga-Sn в эвтектических хлоридных расплавах. Экспериментальные значения коэффициентов разделения элементов «Nd/Pr» на эвтектическом сплаве Ga-Sn в хлоридных расплавах при температурах 723, 773 и 823 K согласуются с результатами термодинамических расчетов. Это подтверждает надежность полученных в диссертационной работе термодинамических данных.
Экспериментально доказано, что разделение празеодима и неодима в хлоридных расплавах на Ga-In и Ga-Sn жидкометаллических сплавах не результативно (КР ~ 1). В тоже время, уран и неодим можно разделить на эвтектических сплавах Ga-Sn с очень высоким коэффициентом разделения (КР ~ 105 - 106). Рассматривая неодим (празеодим) как имитатор лантанидов, а уран как имитатор ДМ (и, Ри, Ыр), следует ожидать, что в реальной пирохимической технологии переработки ОЯТ при достигнутых КР ~ 106 можно будет селективно отделить ДМ от весьма близких по свойствам лантанидов в одну стадию и, тем самым, обеспечить возврат ДМ в ядерный топливный цикл, т.е. достичь показатели, заложенные программой «Прорыв».
Эвтектические сплавы Ga-Sn являются более перспективными для пирохимической технологии переработки ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах в расплавленных средах, так коэффициенты разделения на них выше, чем на расплавах Ga-In.
Дальнейшее развитие темы настоящей работы может быть сосредоточено на следующих направлениях:
1) необходимо изучение парциальных и избыточных термодинамических характеристик редкоземельных элементов (Ьа, N6, Sm, Еи, Gd) и урана в эвтектических сплавах Ga-Al и Ga-Zn. Содержание галлия в этих эвтектических сплавах превышает 96,0 мас.%, а температуры плавления на несколько градусов выше комнатной температуры. Возможно, что значения коэффициентов разделения редкоземельных металлов и урана при использовании Ga-Al и Ga-Zn эвтектических сплавов будут выше, чем на Ga-Sn эвтектическом сплаве;
2) селективное извлечение компонентов ОЯТ из солевых хлоридных расплавов невозможно без изучения электрохимического поведения урана и редкоземельных металлов на жидких галлий-содержащих электродах. Для решения технологических задач по разделению /-элементов с участием галлиевых эвтектических сплавов в солевых хлоридных расплавах необходимо определить режимы и условия электролиза, предельные плотности токов и потенциалы выделения разделяемых металлов.
В лабораторных условиях рекомендуется провести моделирование некоторых процессов межгруппового разделения /-элементов: а) отделение галлиевых сплавов от кристаллов ИМС методом фильтрации; б) избирательное анодное растворение /-элементов, входящих в состав галлиевых эвтектических сплавов; в) изучение процессов восстановления урана электролизом из хлоридных расплавов на галлийсодержащих жидких электродах в присутствии ионов редкоземельных металлов. Это позволит выявить возможные недостатки в предполагаемых к использованию технологических операциях и дать заключение о возможности применения жидкометаллических галлиевых эвтектических сплавов в пироэлектрохимических технологиях переработки ОЯТ и РАО.
Подобные работы
- АЗДЕЛЕНИЕ ПРАЗЕОДИМА, НЕОДИМА, УРАНА НА СПЛАВАХ Ga-In И Ga-Sn ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА В ХЛОРИДНЫХ РАСПЛАВАХ
Авторефераты (РГБ), химия. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2015



