В двух исследовательских работах изучались сплавы, образующиеся в двух различных видах ядерного топлива – широко распространенном 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 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 6 дней растворилось не более 10–15% от исходной массы сплава. Скорость выщелачивания в присутствии технеция оказалась значительно ниже. Технеций действовал как ингибитор коррозии.
«При проведении экспериментов в лабораторных условиях радиоактивный технеций часто заменяют на рений – элемент из той же подгруппы марганца, похожий 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 заменён 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 № 24-73-00335), были рассмотрены более экзотические объекты – сплавы урана с рутением, родием и палладием, которые образуются в смешанном нитридном уран-плутониевом топливе реакторов 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.
По материалам:
U(Ru, Rh, Pd)3 mixed intermetallics: Structural features and chemical activity. Volgin M.I., Shiryaev A.A., Toropov A.S., Yapaskurt V.O., Gerber E.A., Kulyukhin S.A., Nevolin I.M. Journal of Nuclear Materials, 2026, V. 618, 156219. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2025.156219
Epsilon phase simulants behavior during air oxidation and dissolution in nitric acid. Volgin M., Shiryaev A.A., Toropov A., Kulyukhin S., Dvoeglazov K., Nevolin I. Journal of Nuclear Materials, 2026, V. 620, 156346. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2025.156346
Материал подготовлен: Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН