Способ получения сложных оксидов урана и элементов первой и пятой групп

 

Использование: при создании экологически безопасных и безотходных технологий переработки радиоактивных отходов - продуктов топливно-ядерного цикла за счет синтеза сложных оксидов урана и элементов первой и пятой групп. Сущность изобретения: для получения сложных оксидов урана и элементов первой и пятой групп общей формулы Me^IMe^VUO₆, где M^I - K, Rb, Cs; Me^V -Nb, Ta, Sb, нагревают смесь оксида элемента пятой группы, нитрата элемента первой группы и нитрата урана. Смесь берут при атомном соотношении Me^I:Me^V: и нагрев осуществляют при 400-500°С в течение 1-2 ч и при 800-1000°С в течение 1-3 ч. 1 табл.

Изобретение относится к способу получения сложных оксидов состава M^IM^VUO₆, где M^IK, Rb, Cs, M^V Nb, Ta, Sb, и может быть использовано при создании экологически безопасных, безотходных технологий переработки радиоактивных отходов продуктов топливно-ядерного цикла. Последние содержат химические элементы, используемые в предлагаемом изобретении и, в частности наиболее экологически опасные радионуклиды цезия, ниобия и урана.

Известен способ получения двойных оксидов урана физико-химическим взаимодействием оксидов пятивалентных металлов M₂^VO₅ и оксидов урана U₃O₈, взятых в соотношении M^V U 1:1, при длительном нагревании в интервале 1000-1400^оС [1] Недостатком этого способа является высокая температура, большая длительность синтеза, большие затраты энергии, а также трудности стабилизации урана в определенных валентных состояниях (IV, VI). Последний фактор является существенным, поскольку вследствие высоких температур могут получаться нестехиометрические соединения, содержащие уран в различных степенях окисления. Вероятность последнего возрастает при получении больших количеств продуктов, поскольку в условиях реакций, протекающих в твердой фазе, затрудняется поступление традиционного окислителя кислорода воздуха в объем реакционной смеси. Все это требует создания условий, стабилизирующих окисление урана до шестивалентного состояния.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сложного оксида формулы KNbUO₆(RbNbUO₆), заключающийся в нагревании смеси карбоната калия K₂CO₃(Rb₂CO₃), оксида ниобия Nb₂O₅ и оксида урана U₃O₈ в соотношении K(Rb):Nb:U6:1:1 при 1300^оС в течение 15 ч [2] К недостаткам данного способа относится необходимость использования избытка соединения щелочного элемента, что приводит к необходимости стадии отделения и отмывания целевого продукта, дополнительным затратам времени и реактивов. Следует отметить высокую температуру и длительность синтеза, а также его плохую воспроизводимость ввиду образования соединений урана разной валентности.

Целью данного изобретения является упрощение процесса и улучшение воспроизводимости синтеза.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения сложных оксидов состава M^IM^VUO₆ в качестве соединения первой группы используют нитрат элемента первой группы, в качестве соединения урана используют нитрат уранила при соотношении атомов M^I:M^V:U (0,5-1,5):(0,5-1,5):(0,5-1,5) и нагревают их при 400-500^оС в течение 1-2 ч и 800-1000^оС в течение 1-3 ч.

Полученная твердая фаза представляет собой конечный продукт состава M^IM^VUO₆, где M^I-K, Rb,Cs; M^I-Nb, Ta, Sb (анализ химический, рентгенографический, ИК-спектроскопический).

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ отличается тем, что в реакцию вступают нитраты элементов первой группы и урана при атомном соотношении элементов M^I:M^V:U (0,5-1,5): (0,5-1,5):(0,5-1,5) при более низкой температуре. При этом уменьшается общее время синтеза, исключаются стадии разделения и отмывания продукта, осуществляется экономия исходных реагентов щелочных элементов. Улучшается воспроизводимость синтеза за счет стабилизации окислительной среды вследствие равномерного распределения во всем объеме окислителей в виде расплава нитратов и выделяющихся оксидов азота. Кроме того, исключаются примеси урана в низших степенях окисления в целевом продукте.

Примеры конкретного выполнения представлены в табл. 1.

Использование заявляемого изобретения позволяет получить новые сложные оксиды состава M^ITaUO₆ и M^ISbUO₆ общей формулы M^IM^VUO₆.

По данному способу соединения получаются в виде поликристаллической керамики, выдерживающей температуры 1300-1400^оС и устойчивой в агрессивных средах. Состав и строение керамики не изменяется при длительном контактировании с водными растворами. Важной особенностью соединений является их строение, аналогичное ряду широко распространенных природных минералов группы метаотенита, cтенита, карнотита и пирохлора (см. табл.).

В табл. 2 приведены параметры элементарной ячейки соединений состава M^IM^VUO₆.

Данные минералы выдержали экстремальные геологические условия в течение многих миллионов лет. Поэтому их синтетические аналоги могут включать отходы высокого уровня активности на длительный период, необходимый для их радиоактивного распада до безопасного уровня.

Предлагаемый способ получения и сами соединения могут быть использованы для связывания радиоактивных отходов в виде минералоподобной керамики с последующим захоронением в геологические формации с целью иммобилизации и охраны среды обитания человека. Данную устойчивую форму образуют радионуклиды К, Rb, Cs, Nb, Ta, Sb и U, а также других I, V и VI валентных элементов, которые, в свою очередь, могут имитировать поведение различных радионуклидов высокого уровня активности Полученная керамика может быть использована для различных целей и, в частности, как резерв ценных радиохимических продуктов для последующих поколений. Ранее не была известна возможность использования сложных оксидов урана в виде минералоподобной керамики с целью расширения арсенала средств иммобилизации радиоактивных отходов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ОКСИДОВ УРАНА И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРВОЙ И ПЯТОЙ ГРУПП общей формулы M^IM^VUO, где M^I K, Rb, Cs; M^V Nb, Ta, Sb, включающий нагревание смеси оксида элемента пятой группы, соединения элемента первой группы и соединения урана, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и улучшения воспроизводимости синтеза, в качестве соединения элемента первой группы используют нитрат, в качестве соединения урана нитрат уранила, смесь берут в атомном соотношении M^I M^V U (0,5 1,5) (0,5 1,5) (0,5 1,5) и нагрев осуществляют при 400 - 500^oС в течение 1 2 ч и затем при 800 1000^oС в течение 1 3 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2