МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ
ОТРАБОТАВШЕГО ТОПЛИВА И ПРИ ОБРАЩЕНИИ
С РАДИОАКТИВНЫМИ ОТХОДАМИ
- Материалы, используемые в процессах переработки топлива. Материалы, вовлеченные в процессы переработки, делятся на материалы топлива и оболочек отработавших твэлов; механические устройства и химические растворы для разделки и растворения отработавших твэлов; основное оборудование переработки топлива, а также материалы трубопроводных систем, разделительные колонны для U и Pu, испарители, тугоплавкие тигли и т. п.
Материалы топлив и оболочек различных отработавших твэлов реакторов деления приведены в первых двух столбцах табл. 13.1. Основными материалами оболочек служат сплав циркония или циркалой, алюминий или его сплав и аустенитная нержавеющая сталь. Относительно реже используются в качестве оболочек топливных элементов сплав магния - магнокс для английских газоохлаждаемых реакторов (GCR) и сплав никеля для материала покрытия топлива из карбидов.
Механические средства удаления покрытия из магнокса и оболочек из алюминия широко применяются для разделения отработавших твэлов газоохлаждаемых (GCR) и легководных исследовательских реакторов. Основными материалами для изготовления машин и инструментов для прокатки, резки и других механических операций служат углеродистые стали (как с низким, так и с высоким содержанием углерода), стальные сплавы и др.
Химические средства удаления оболочек и растворения отработавших твэлов большинства энергетических реакторов приведены в третьем столбце табл. 13.1 и 13.2. Такие химические растворители, как HNO3, NaNO3 и NH4F, применяются также при разделении топлива.
Основное оборудование системы переработки топлива, такое как трубопроводы, растворные емкости, экстракционные колонны, колонны разделения урана и плутония, изготавливается из нержавеющих сталей, никелевых и некоторых специальных сплавов. К основным требованиям, предъявляемым к этим материалам, относятся химическая стойкость к применяемым растворителям и растворам и высокая коррозионная стойкость к водным растворам.
Нужно отметить, что после жидкостной экстракции полезные продукты деления и радионуклиды, такие как 90Sr,137Cs и 238Pu, помещаются в капсулы из нержавеющей стали или никелевых сплавов, которые химически инертны и обладают коррозионной стойкостью.
Оборудование, применяемое в процессе фракционной перегонки фторидов, - трубопроводы, растворные емкости, фтораторы, емкости для очистки урана - также изготавливаются из нержавеющей стали, никелевых и специальных сплавов. Нелетучие фториды плутония и продуктов деления удаляются промывкой и растворением фторидов в соответствующем водном растворе по методу жидкостной экстракции. Оборудование и материалы, применяемые для регенерации плутония и полезных продуктов деления по фторидному методу, аналогичны тем, которые используются в процессе жидкостной экстракции. Так как в процессе перегонки фторидов выделяют UF6, который служит питанием заводов по обогащению, например газодиффузионных, то материалы, применяемые в этих процессах, сходны с материалами, используемыми в газодиффузионных процессах.
В пирометаллургическом процессе, связанном с реактором, такое оборудование, как система обращения с топливом (загрузка, выгрузка и транспортировка), тугоплавкие тигли, система трубопроводов, изготавливается из обычных или специальных материалов. Тигли делаются из ZrO2 или другого тугоплавкого материала. Манипуляторы и трубопроводы соответственно из обычных и нержавеющих сталей и никелевых сплавов.
- Материалы, используемые в процессах обработки и хранения радиоактивных отходов. Материалы, применяемые для обработки и хранения радиоактивных отходов, к которым предъявляются требования химической инертности и высокой коррозионной стойкости, делятся на: 1) материалы контейнеров для хранения жидких радиоактивных отходов; 2) материалы контейнеров для транспортировки радиоактивных отходов; 3) материалы для обработки жидких отходов; 4) материалы для промежуточного хранения твердых отходов; 5) материалы контейнеров для окончательного захоронения отходов.
Жидкие радиоактивные отходы высокой, средней и низкой активности и материалы контейнеров для их хранения приведены в табл. 13.4 [33, 34].
Различные типы нержавеющих сталей используются для изготовления контейнеров (или канистр) для радиоактивных отходов.
Коррозия трубопроводов для жидких отходов может привести к образованию трещин и утечке этих отходов, а значит, и радиоактивному заражению окружающей среды. Поэтому такие линии обычно помещаются в двойную оболочку из нержавеющей стали. Катодная защита применяется для предотвращения гальванической коррозии трубопровода во время истечения жидких отходов.
Таблица 13.4. Жидкие радиоактивные отходы и материалы для их хранения
Таблица 13.5. Процессы и материалы для прокаливания жидких отходов с получением тугоплавких продуктов
Материалы, применяемые при обращении с жидкими отходами в процессах выпаривания, ионного обмена, выжигания и прокаливания, меняются от процесса к процессу. Используемые в процессе выпаривания испарители обычно изготавливаются из нержавеющих сталей 304ELC, 309SCb, 304L или инконель-825, титана 75А и сплавов нитроник-50. Для сооружения ионообменных колонн обычно применяются нержавеющие стали 304L и 347. Поток жидких отходов проходит через ионообменный слой неорганических соединений, состоящий из титанатов, ниобатов или цирконатов, которые поглощают катионные радионуклиды. В процессе выжигания горючие отходы окисляются горением в атмосфере воздуха или действием смеси горячих серной и азотной кислот. Печь для выжигания обкладывается огнеупорным кирпичом или другим жаростойким материалом.
Жидкие радиоактивные отходы обычно подвергают отверждению в форме оксидов или стекла. Для этой цели применяются методы кальцинации или прокаливания: прокаливание в форсунке, прокаливание в тигле, прокаливание во вращающейся печи, прокаливание в кипящем слое. Материалы, применяемые для различных процессов прокаливания, приведены в табл. 13.5 [4, 33, 34].
Для промежуточного хранения высокоактивных твердых отходов (после прокаливания) применяются контейнеры из нержавеющих сталей 304, 310 или инколой-800.
Захоронение отвержденных высокоактивных отходов, помещенных в канистры из нержавеющей стали или никелевого сплава, производится в подземных штольнях или зонах геологических формаций на глубине около 1000 м.
Основными материалами, используемыми при переработке отработавшего топлива и обращении с радиоактивными отходами, являются нержавеющие стали и сплавы никеля (см. § 10.7) в сочетании с углеродом, бетоном (или битумом), боросиликатным стеклом, полиэтиленом и т. д.
