Como funciona o reprocessamento de combustível nuclear?

Até onde eu sei, as células de combustível empobrecidas são esmagadas e resolvidas em ácido nítrico.

O que virá depois disso? Esse ácido nítrico provavelmente deve conter um espectro muito amplo de sais diferentes (praticamente todos os elementos entre 35-65 e ainda muitos transuranos e muito urânio (ambos 235 e 238) e plutônio).

Para alcançar um reprocessamento eficiente, o urânio (ou, pelo menos, os elementos actinídeos) deve ser de alguma forma separado dessa solução. Mas, AFAIK, eles têm propriedades químicas muito diferentes. Como é possível separar apenas os materiais transurânicos?

Extração de produtos de fissão

A separação de plutionium e urânio dos outros produtos de fissão é feita com a molécula orgânica tributil fosfato por extração líquido-líquido . Você tem duas fases, uma orgânica e uma aquosa. Os produtos de fissão resolverão na fase aquosa e o urânio / plutônio resolverá na fase orgânica com o tributil fosfato.

Separação de urânio / plutônio

Para separar o urânio do plutônio, você deve reduzir o plutônio com nitrato de urânio. Novamente, você tem duas correntes: uma com o urânio / plutônio de antes e uma corrente aquosa com nitrato de urânio (U4 +). O plutônio será reduzido e solucionado na solução aquosa.

Para realizar os processos químicos mencionados acima, a extração líquido-líquido pode ser usada com as seguintes desginas:

Liquidificador-misturador

( fonte )

Coluna de pulso

( fonte )

O princípio é sempre: a fase orgânica é mais leve que a fase aquosa. Ambas as fases são primeiro separadas, depois misturadas e depois novamente separadas. Durante a mistura ocorrem as reações químicas.

Por favor, consulte a fonte mencionada para mais informações.

Você pode tentar a Wikipedia , mas eles observam que o artigo pode não atender aos padrões de qualidade, por isso vou ficar longe como fonte. A Associação Nuclear Mundial parece mais credível, de qualquer maneira. A página deles discute o processo. Citando a seção intitulada "Reprocessando hoje - PUREX" (grifo meu):

Todas as plantas comerciais de reprocessamento usam o comprovado processo PUREX hidrometalúrgico (extração de urânio plutônio). Isso envolve a dissolução dos elementos combustíveis no ácido nítrico concentrado. C separação hemical de urânio e plutónio é então realizada por passos de extracção de solvente (neptúnio - que podem ser utilizados para a produção de Pu-238 para termo-eléctricos geradores de sonda - também podem ser recuperados, se necessário). O Pu e o U podem ser devolvidos ao lado de entrada do ciclo de combustível - o urânio na planta de conversão antes do enriquecimento e o plutônio diretamente na fabricação de combustível MOX.

$\to$

Mais abaixo, a WNA observa

O combustível usado é picado e dissolvido em ácido nítrico concentrado a quente. A primeira etapa separa o urânio e o plutônio na corrente aquosa de ácido nítrico dos produtos de fissão e dos actinídeos menores por um processo de extração por solvente em contracorrente, usando fosfato de tributil dissolvido em querosene ou dodecano. Em uma coluna pulsada, urânio e plutônio entram na fase orgânica, enquanto os produtos de fissão e outros elementos permanecem no refinado aquoso.

Numa segunda coluna pulsada, o urânio é separado do plutónio por redução com excesso de U4 + adicionado à corrente aquosa. O plutônio é então transferido para a fase aquosa enquanto a mistura de U4 + e U6 + permanece na fase orgânica. É então retirado do solvente orgânico com ácido nítrico diluído.

O nitrato de plutônio é concentrado por evaporação e depois sujeito a um processo de precipitação com oxalato seguido de calcinação para produzir PuO2 na forma de pó. O nitrato de urânio é concentrado por evaporação e calcinado para produzir UO3 na forma de pó. É então convertido em produto UO2 por redução de hidrogênio.

$U^{4+}$

Essa é a parte química. Não consegui encontrar muita informação sobre os métodos mecânicos específicos (ou seja, a engenharia pura que você estava procurando). De fato, a patente original do PUREX não cobre os processos mecânicos, levando-me a acreditar que a configuração exata pode variar.

Este pdf é um pouco útil. Ele diz que os materiais de entrada são picados primeiro. Cestas perfuradas são então usadas para separar esse maquinário do restante da solução; um "dissolvedor de rodas" pode ser usado.

Eu tenho algumas informações, embora para um método não PUREX. Para reprocessamento aquoso (consulte a página 12), os decantadores (câmaras de mistura com câmaras de decantação), colunas e centrífugas são os principais equipamentos.