ES2219963T3 - Procedimiento para la fabricacion de pastillas de combustible nuclear de tipo mox. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de pastillas de combustible nuclear de tipo MOX (mezcla de óxidos de plutonio y uranio), que comprende las etapas siguientes - preparación de una mezcla en polvo de óxidos de U-Pu, siendo su contenido en Pu superior al valor finalmente deseado, - preparación de un polvo de óxido de uranio, - mezcla de cantidades apropiadas de dichos dos polvos para alcanzar el contenido deseado de plutonio, y - compactación y sinterización de la mezcla para obtener dichas pastillas, caracterizado porque la etapa de preparación del polvo de óxido de uranio implica la siguiente secuencia de subetapas: a) preparación de una solución acuosa de nitrato de uranilo a la que se agregan entre 0, 5 y 2% en peso de espesadores orgánicos para que la viscosidad de la solución adquiera un valor comprendido entre 20 y 100 centipoise, b) dispersión de la solución en gotitas, c) introducción de dichas gotitas en un baño de hidróxido, d) lavado de las perlas resultantes, e) secado de las perlas por destilación azeotrópica utilizando un disolvente orgánico inmiscible, f) tratamiento térmico de las perlas en una atmósfera oxidante, y g) tratamiento térmico en una atmósfera reductora.

Description

Procedimiento para la fabricación de pastillas de combustible nuclear de tipo MOX.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de pastillas de combustible nuclear de tipo MOX (óxido mixto), que comprende las etapas siguientes:

- preparación de una mezcla en polvo de óxidos de U-Pu, siendo su contenido en Pu superior al valor finalmente deseado,

- preparación de un polvo de óxido de uranio,

- mezcla de cantidades apropiadas de dichos dos polvos para alcanzar el contenido deseado en plutonio,

- compactación y sinterización de la mezcla para obtener dichas pastillas.

Dicho procedimiento se conoce por MIMAS ("MIcronized MASter Blend" - véase, por ejemplo, D. Haas, M. Lippens "MOX FUEL FABRICATION AND IN-REACTOR PERFORMANCE", Proc. of the Internat. Conference on Future Nuclear Systems, GLOBAL 97, p. 489-494). Esta preparación separada de un polvo libre de plutonio, reduce el volumen del polvo con plutonio que ha de molerse y permite la fabricación de pastillas de combustible dotadas con diversos contenidos de plutonio con una sola cadena de tratamiento de plutonio, variando únicamente el porcentaje de polvo de uranio mezclado.

Sin embargo, los polvos comerciales que se utilizan actualmente proporcionan un producto final que es heterogéneo, es decir, que contiene partículas de gran tamaño ricas en óxido de plutonio que se encuentran dispersadas en una matriz de óxido de uranio cuyo tamaño de grano es inferior a los 10 \mum. Esta hetereogeneidad adolece principalmente de dos inconvenientes:

Durante la irradiación, las concentraciones mayores de material fisible localizado implican una mayor destrucción local, daños por fisión y pérdidas de gas. Para reducir estas pérdidas de gas se recomienda utilizar UO_{2} de grano grande, siempre que se haya producido sin aditivos que puedan perjudicar el comportamiento del combustible durante la irradiación e implicar dificultades durante el reprocesamiento.

Durante el reprocesamiento, las zonas ricas en plutonio, cuya insolubilidad es bien conocida, impiden la disolución del combustible en ácido nítrico.

El objetivo de la presente invención es superar estos inconvenientes y proponer un procedimiento como el mencionado anteriormente que proporcione pastillas de combustible de tipo MOX dotadas de una distribución de plutonio sustancialmente más homogénea.

Este objetivo se alcanza mediante el procedimiento definido en la reivindicación 1. Por lo que respecta a las formas de realización preferidas de este procedimiento, se hace referencia a las reivindicaciones subordinadas.

A continuación, se describe detalladamente la presente invención por medio de unas formas de realización preferidas.

En concordancia con el conocido procedimiento MIMAS referido anteriormente, el procedimiento según la presente invención implica, por una parte, la preparación por separado de un polvo de óxido de Pu-U y, por otra parte, de un polvo de óxido de uranio libre de plutonio.

Según una primera forma de realización, el polvo de óxido de Pu-U se prepara de manera convencional moliendo mecánicamente PuO_{2} e ingredientes de UO_{2}, mientras que el polvo de UO_{2} se prepara de la forma siguiente:

A una solución acuosa de nitrato de uranilo se agregan pequeñas cantidades, es decir, cantidades comprendidas entre 0,5 y 2% en peso, de espesadores orgánicos, tales como metocel, dextrano, alcohol polivinílico, ajustándose de esta forma la viscosidad de la solución a valores comprendidos entre 20 y 100 centipoise. A continuación, se dispersa esta solución en gotitas que se introducen en un baño de amoníaco. Debido a la red de polímeros orgánicos de cadena larga, en estas gotitas originales inmersas en el baño se produce un fenómeno de precipitación, formándose de este modo perlas casi esféricas. El tamaño de tales perlas depende del tamaño de las gotitas obtenidas durante la dispersión. En una forma de realización preferida, estas gotitas presentan diámetros comprendidos entre 20 y 50 \mum. A continuación, estas perlas se lavan para eliminar las sales de nitratos (sales de nitrato de amonio en el ejemplo mencionado anteriormente) y los polímeros orgánicos, y se someten a una destilación azeotrópica utilizando un disolvente orgánico inmiscible, como C_{2}Cl_{4}, para eliminar el agua.

Una vez secadas, las perlas se encuentran en forma de hidróxido, a partir de la cual se transforman en óxidos sometiéndolas a un tratamiento térmico en aire de 2 a 6 horas de duración a aproximadamente 400ºC. Mediante este tratamiento se pirolizan los polímeros orgánicos residuales. A continuación, se someten las perlas nuevamente a un tratamiento térmico de 4 a 8 horas de duración, pero esta vez a aproximadamente 800ºC y en una atmósfera reductora de Ar/5%H_{2} a fin de convertir el U_{3}O_{8} en UO_{2}.

Las perlas pueden producirse en instalaciones convencionales para la elaboración del uranio (sin contaminación \alpha). Su fluencia es libre, están libres de polvo y no requieren ningún tratamiento mecánico adicional, como una molienda previa a su mezcla con el polvo que contiene plutonio. La homogeneidad del combustible obtenido finalmente puede aumentarse cribando las perlas y conservando únicamente las que presentan diámetros comprendidos en la gama de 20 a 50 \mum. También puede obtenerse este resultado utilizando un dispositivo de dispersión de gotas que produce gotitas de tamaño bien definido, encontrándose los diámetros de las perlas en dicha gama, siendo entonces la criba innecesaria.

Una vez mezclado el polvo MOX, se procede a comprimirlo en pastillas utilizando una prensa que proporciona presiones comprendidas entre 200 y 600 MPa. A continuación, se sinterizan estas pastillas a una temperatura elevada, siendo ésta preferentemente de 1.700ºC, y en una atmósfera humedecida de Ar/H_{2}, cuyo contenido en hidrógeno oscila entre 1% y 6%, introduciéndose el vapor de agua en una cantidad tal que el cociente de la presión parcial de H_{2} por la presión parcial de vapor de agua oscila entre 20 y 60. El agua permite controlar el potencial de oxígeno de la atmósfera de gas, obteniéndose así una mayor difusión y un combustible más homogéneo, provocando un consumo de mayor duración en el reactor.

Según una variante del procedimiento, el polvo que contiene plutonio en exceso puede prepararse del modo descrito anteriormente para el polvo de óxido de uranio, pero utilizando al principio nitrato de uranilo y plutonio en lugar de nitrato de uranilo.

El procedimiento de la invención puede realizarse en instalaciones convencionales para la fabricación de MOX y mantiene todas las ventajas del procedimiento MIMAS, sin adolecer de los inconvenientes mencionados anteriormente.

Claims (10)

1. Procedimiento para la fabricación de pastillas de combustible nuclear de tipo MOX (mezcla de óxidos de plutonio y uranio), que comprende las etapas siguientes

- preparación de una mezcla en polvo de óxidos de U-Pu, siendo su contenido en Pu superior al valor finalmente deseado,

- preparación de un polvo de óxido de uranio,

- mezcla de cantidades apropiadas de dichos dos polvos para alcanzar el contenido deseado de plutonio, y

- compactación y sinterización de la mezcla para obtener dichas pastillas,

caracterizado porque la etapa de preparación del polvo de óxido de uranio implica la siguiente secuencia de subetapas:

a) preparación de una solución acuosa de nitrato de uranilo a la que se agregan entre 0,5 y 2% en peso de espesadores orgánicos para que la viscosidad de la solución adquiera un valor comprendido entre 20 y 100 centipoise,

b) dispersión de la solución en gotitas,

c) introducción de dichas gotitas en un baño de hidróxido,

d) lavado de las perlas resultantes,

e) secado de las perlas por destilación azeotrópica utilizando un disolvente orgánico inmiscible,

f) tratamiento térmico de las perlas en una atmósfera oxidante, y

g) tratamiento térmico en una atmósfera reductora.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de preparación de una mezcla en polvo de óxidos de U-Pu consiste en la molienda y mezcla de cantidades apropiadas de óxido de uranio y óxido de plutonio.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de preparación de la mezcla en polvo de óxidos de U-Pu implica la siguiente secuencia de subetapas:

a) preparación de una solución acuosa de nitrato de uranilo y plutonio a la que se agregan pequeñas cantidades de espesadores orgánicos para que la viscosidad de la solución adquiera un valor comprendido entre 20 y 100 centipoise,

b) dispersión de la solución en gotitas,

c) introducción de dichas gotitas en un baño de hidróxido,

d) lavado de las perlas resultantes,

e) sometimiento de las perlas a una destilación azeotrópica utilizando un disolvente orgánico inmiscible,

f) tratamiento térmico de las perlas en una atmósfera oxidante, y

g) tratamiento térmico en una atmósfera reductora.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espesador orgánico de la subetapa a) se selecciona de entre metocel, dextrano y alcohol polivinílico.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el baño de hidróxido de la subetapa c) consiste en amoníaco.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tratamiento térmico de la subetapa f) en atmósfera oxidante se realiza a 400ºC y en aire.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tratamiento térmico en atmósfera reductora de la subetapa g) se realiza a aproximadamente 800ºC, conteniendo la atmósfera reductora un gas inerte con un contenido en hidrógeno que oscila entre 1 y 6%.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la compactación de la mezcla en polvo para obtener las pastillas se realiza aplicando una presión comprendida entre 200 y 600 MPa.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la sinterización de las pastillas se realiza a una temperatura superior a 1.200ºC y preferentemente comprendida entre 1.600 y 1.700ºC, y en una atmósfera humidificada de Ar/H_{2}, situándose el contenido de hidrógeno entre 1% y 6% y siendo seleccionada la relación entre la presión parcial de hidrógeno y la presión parcial de vapor de agua entre 20 y 60.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque antes de mezclar las cantidades apropiadas de los dos polvos, se criba el polvo de UO_{2} para conservar únicamente las perlas que presentan diámetros comprendidos entre 20 y 50 \mum.