Published November 15, 1991 | Version v1
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Study of the dissolution of uranium nitrides in nitric acid by measuring the isotope ratios, 15N/14N, of the formed products

Description

The aim of this study was to investigate the dissolution behavior of nitride fuels in nitric acid. The use of nitride fuels in nuclear reactor has many advantages compared with the oxide fuels. One problem in employing nitrides as fuels is the formation of radio-toxic 14C upon irradiation of natural nitrogen (14N:99.64 pc, 15N:0.36 pc) in a nuclear reactor (14N (n,p) 14C reaction). The use of 15N-enriched fuels avoids these drawbacks. This study was undertaken so as to better understand the mechanisms of the dissolution process and also to follow the distribution of the expensive nitrogen isotope 15N from the point of view of its behaviour during the recycling process. This study is based on previous work, where the evolution of the nitrogen compounds formed during the dissolution was measured as a function of time for different dissolution parameters. Using 15N-enriched uranium nitrides or 15N-enriched nitric acid, two methods were developed to study the influence of the dissolution parameters, nitric acid temperature and concentration, on the 15N/14N ratios of the nitrogen, nitrogen oxides and ammonium ions utilising a coupled gas-chromatograph/mass spectrometer. The main results are: - similar isotopic composition for NH4+ and UN; - mixed 14N/15N composition for N2 and N2O; - similar isotopic composition for NO, NO2 and HNO3; - no influence of the dissolution parameters on the isotopic composition of the products; an exception maybe made for the N2 case, which contains more 15N with increasing acidity and temperature. This work confirms that the first dissolution step is the oxidation of UN with HNO3 to form NH4+ and HNO2 and that HNO2 has a catalytic role in the dissolution to form other products. And we can conclude that to recycle 15N, the ammonium ions must be recycled, at least for the case where nitrides are dissolved directly in HNO3. (author)

Abstract (French)

Le but de ce travail est l'etude du comportement des combustibles nucleaires du futur, a base de nitrure, lors de leur dissolution dans l'acide nitrique. Ces combustibles presentent en effet de nombreux avantages en comparaison avec ceux utilises: les oxydes. Mais les nitrures de composition isotopique en azote naturelle, (14N:99.64 pc, 15N:0.36 pc), produisent du 14C radiotoxique suivant la reaction 14N (n,p) 14C. L'utilisation de nitrures fortement enrichis en 15N permet d'eviter ce probleme. Cette etude a donc ete entreprise pour ameliorer notre comprehension des reactions chimiques se produisant lors de la dissolution et en vue de recuperer 15N, isotope couteux, en etudiant son comportement lors du retraitement. Elle fait suite a une etude dans laquelle l'evolution des produits de dissolution a ete mesuree en fonction du temps pour differents parametres. En effectuant ces dissolutions avec soit des nitrures d'uranium, soit de l'acide nitrique, fortement enrichis en 15N, deux methodes ont ete developpees pour mesurer l'influence des parametres de dissolution, temperature et concentration de l'acide nitrique, sur les rapports isotopiques 15N/14N des oxydes et du gaz d'azote et de l'ammonium, par un spectrometre de masse couple a un appareil de chromatographie en phase gazeuse. Les resultats principaux sont: - composition isotopique identique pour UN et NH4+; - composition isotopique moyenne de UN et HNO3 pour N2 et N2O - composition isotopique identique pour NO, NO2 et HNO3 - aucune influence des parametres de dissolution sur la composition isotopique des produits, sauf pour N2 dont l'enrichissement en 15N augmente avec la temperature ou l'acidite. Ce travail confirme l'hypothese que la premiere etape de la dissolution est l'oxydation de UN par HNO3 avec formation de NH4+ et HNO2 et que HNO2 a un role de catalyseur et forme les autres produits de dissolution. Et nous pouvons conclure que la recuperation de 15N ne pourra etre effectuee, dans le cas d'une dissolution directe, que par le retraitement de l'ammonium. (auteur)

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Original title (French)
Etude de la dissolution des nitrures d'uranium dans l'acide nitrique par la mesure des rapports isotopiques, 15N/14N, des produits formes

Publishing Information

Imprint Pagination
114 p.
Report number
FRNC-TH--9163

Optional Information

Notes
73 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/