[发明专利]处理废物的方法

说明书

本发明涉及处理以锆为基的金属的废物，特别是(但不仅仅是)回收核燃料产生的废物的方法。

用于核设备的燃料棒包括一个富含铀材料的芯，芯有以锆为基的合金的外壳或包壳。目前，当回收使用过的燃料棒时，燃料棒被切割成较短的长度，并用硝酸处理以溶解使用过的燃料芯，剩下包壳，因为包壳不会被硝酸腐蚀。锆合金碎片构成了通常所说的中等水平废物，这种废物必须安全地保存许多年。目前处理这种废物的方法是粉碎这些片并作为混凝土浆中的金属被密封在罐筒中。

回收放射性燃料还有一个与核反应过程中产生的核裂变产物的隔离和处理有关的问题。通常，从核裂变产物分离铀和钚，这两种元素可以回收以进一步使用。但是，因为核裂变副产物构成了通常所说的高水平废物，必须安全地保存它们。处理这种废物的一种方法是通过玻璃化作用来密封。处理锆废物和处理核裂变产物的废物在目前的回收循环中构成两个分开的步骤，这两个步骤无论是设备费用和操作费用都极其昂贵。

本发明的目的是提供一种能更经济地处理锆废物的方法。还有一个目的是提供另一种费用经济的处理和保存核裂变产物的废物的方法。

根据本方面的第一方面，提供了一种处理以锆为基的金属废物的方法，所述的废物包括至少一定数量的溶液中的以锆为基的金属，该方法包括下列步骤：至少将所述金属的所述溶液转变成所述以锆为基的金属的氧化物；并烧结所述的氧化物形成固体制品。

目前使用的一种以锆为基的金属的合金称作“Zircalloy”(商品名)，它包括超过95％重量的锆。

通过化学或电化学手段使以锆为基的金属溶于溶液的方法在现有技术领域已众所周知，这种方法提供了稳定的溶液，例如含硝酸盐和氧化物残余物的溶液。

在本说明书中，经常使用术语“氧化锆”和“锆的氧化物”以及类似的术语。通过在此所述的方法产生的实际的化学组合物不能与纯的氧化锆或二氧化锆ZrO₂的化学组成完全相对应，因为上述的烧结材料会含有杂质和/或故意加入的材料和杂质，这些杂质和材料是需要用来密封和/或稳定晶相的，而且这些杂质和材料还能改善晶体结构。这些能稳定和改善性能的添加物的例子包括，例如金属氧化物，如氧化钇，Y₂O₃，以稳定氧化锆的晶相。而且，在下面所述的实施方案中，氧化锆粉末的颗粒包括在还含有铝和/或硅原子的基体中。所以，在此提及“氧化锆”或类似的术语时，可看作是包括在此所述的本发明所有的实施方案以及不论何种方式的修改中所得到的烧结产物或中间产物基体的通用术语。

以锆为基的金属可构成来自核设备的放射燃料棒的废物。

通过电化学溶解使以锆为基的金属溶入溶液，其中，使该金属在硝酸电解液中成为阳极性的，因此该金属可转变为硝酸盐。这种方法中，至少约85％的锆金属被直接转变为其氧化物，氧化物在溶解容器中形成浆状物。剩下的硝酸盐按照现有的方式经热处理分解为氧化物。

分离产生的氧化物，并干燥，如果需要再磨碾成碎的脆性薄片；在产生的粉末上施压、浇铸或挤出为压缩“坯件”，并按照已知的方式在高达约1800℃温度下烧结成固体。

可按要求采用陶瓷领域中通常的压制和烧结氧化物耐火材料的方法，方法包括这些合适的步骤：与树脂粘合剂和/或润滑蜡混合，和预燃烧处理除去这些树脂和蜡(如在烧结之前)。

还可以通过一种不同于通常所称“PUREX”法的路线使以锆为基的金属溶入溶液。例如，采用增强的氟化技术，如通过有氟化氢的流化床，锆金属废物可转变为ZrX₄，在此“X”是卤素。也可以使用其它的氟化剂，如硝基氟(NOF·3HF)。这样制成的锆卤化物能容易地转变为其氧化物。

本发明的一个实施方案中，以锆为基的金属构成了核燃料棒的包壳，整个燃料棒包括放射后的铀燃料，较好地溶于硝酸溶液。因此该溶液会含有铀、钚、锆的硝酸盐以及使用过的燃料中的核裂变产物。然后通过已知的所谓“PUREX”法从溶液分离铀和钚，该方法基本上属于溶剂萃取技术。这导致溶液中保留有核裂变副产物，这些副产物在现有技术中一般在单独的步骤中去除，并一般作为分开的废产物进行处理。产生的硝酸盐，包括至少部分核裂变产物的硝酸盐仍经热处理分解为其氧化物。然后例如通过压制转变为坯料并烧结，使产生的氧化物按照前面的方法处理转变为固体制品。

还可以分开处理核裂变产物的氧化物，随后与氧化锆粉末以较好的比例混合。