Способ переработки высокообогащенного урана

 

Изобретение относится к технологии переработки высокообогащенного урана (ВОУ), особенно оружейного, в низкообогащенный уран (НОУ) энергетического назначения путем разбавления ВОУ. Способ включает окисление металлического урана, (фторирование полученных оксидов до гексафторида урана. (Остаточное содержание урана в огарках составляет 10-25% от поданного на фторирование), доочистку гексафторида урана от гексафторида плутония селективной сорбцией последнего на фториде натрия, получение из огарков от фторирования раствора уранилнитрата, его экстракционно-сорбционную очистку, денитрацию с получением оксидов урана и их возврат на стадию фторирования, при этом время и температуру процесса доочистки гексафторида урана от гексафторида плутония селективной сорбцией последнего на фториде натрия выбирают из условий, определяемых уравнением: где C_O и С- концентрация плутония в гексафториде урана до и после очистки, соответственно; τ - время контакта, гексафторида урана с сорбентом, с; Т - температура сорбента, К. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии переработки высокообогащенного урана (ВОУ), особенно оружейного, в низкообогащенный уран (НОУ) энергетического назначения путем разбавления ВОУ.

Известны способы разбавления высокообогащенного урана низкообогащенным ураном в виде оксидных порошков, полученных тем или иным способом [1]. Общим недостатком разбавления ВОУ и оксидных матриц в порошковой форме является то, что эти методы не могут привести к получению достаточно гомогенного продукта, поэтому ни один из вариантов, основанный на использовании подобного метода, не подходит для производства топлива на основе НОУ [1, с. 85].

Известен способ разбавления ВОУ в газовой фазе, заключающийся в том, что как ВОУ, так и НОУ вначале превращают в гексафторид урана, которые затем смешивают [1, с. 85]. Операции в этом способе выполняют в следующей последовательности: металлический ВОУ вначале преобразуют в диоксид урана: диоксид урана превращают в тетрафторид урана путем взаимодействия с плавиковой кислотой: UO₂ + 4 HF → UF₄ + 2H₂O тетрафторид урана сжигают в факеле фтора с образованием гексафторида ВОУ: UF₄ + F₂ → UF₆ высокообогащенный гексафторид урана разбавляют матрицей из низкообогащенного гексафторида урана.

Однако этот способ не учитывает, что в перерабатываемом реальном ВОУ содержатся плутоний и продукты распада урана - 232. Последние образуются по схеме [2]: При фторировании продукты распада накапливаются, в основном, в нелетучих остатках (огарках), а поскольку некоторые из них (особенно ²⁰⁸Tl и ²¹²Bi) обладают жестким γ - излучением, это создает неблагоприятные условия для работы обслуживающего персонала и выдвигает требования принятия достаточно сложных технических мер по обеспечению радиационной безопасности. Другим недостатком этого способа является отсутствие очистки ВОУ от плутония, часть которого при фторировании также остается в нелетучих остатках, а другая часть сопутствует гексафториду урана.

Наиболее близким к заявленному является способ переработки ВОУ, включающий следующие операции [3]: окисление ВОУ кислородом воздуха при температуре 700 - 1100^oC, фторирование оксидов элементарным фтором при его избытке сверх стехиометрии на 5 - 50%, переконденсацию полученного гексафторида урана, после чего гексафторид урана направляют на каскад газовых центрифуг, где подвергают очистке от фторидов элементов с молекулярной массой ниже молекулярной массы гексафторида урана, смешение газовых высоко- и низкообогащенного гексафторида урана и затаривание товарного продукта (прототип).

Однако и в прототипе не предусмотрена очистка высокообогащенного урана от плутония и продуктов распада урана - 232, которые содержатся в реальном ВОУ.

Задачей изобретения является переработка ВОУ в гексафторид урана, пригодный по чистоте для смешения с низкообогащенным гексафторидом урана для получения урана энергетического назначения.

Поставленную задачу решают тем, что в способе переработки высокообогащенного урана в гексафторид урана, пригодный для смешения с низкообогащенным гексафторидом урана для получения урана энергетического назначения, включающем окисление высокообогащенного металлического урана до оксидов, фторирование оксидов элементным фтором с получением гексафторида урана и остатков от фторирования и очистку гексафторида урана от примесей, процесс фторирования ведут до остаточного содержания урана в остатках, равного 10 - 25% от количества урана, поданного на фторирование, полученный гексафторид урана направляют на очистку от гексафторида плутония селективной сорбцией последнего на фториде натрия, при этом время контакта и температуру выбирают из условий, определяемых уравнением
где
C_o, C - концентрация плутония в гексафториде урана до и после очистки, соответственно;
τ - время контакта гексафторида урана с сорбентом, c;
T - температура сорбента, K,
а остатки от фторирования, содержащие уран в количестве 10 - 25% от поданного на фторирование, растворяют в азотной кислоте, полученный раствор уранилнитрата направляют на экстракционно-сорбционную очистку, очищенный раствор подвергают денитрации, полученные при этом оксиды урана возвращают на стадию фторирования.

Сорбцию PuF₆ ведут при температуре 653 - 773K.

Нами были проведены эксперименты, на основании которых были установлены вид и параметры указанного кинетического уравнения и проверена его корректность для решения задачи достижения очистки гексафторида урана до заданного значения.

Полученные результаты экспериментов приведены в таблице.

Как можно видеть из таблицы, результаты экспериментов адекватно описываются предлагаемым уравнением.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Порцию закись-окиси урана, полученную окислением металлического ВОУ (100 кг по U), фторировали при температуре 400 - 450^oC (673 - 723K). Контроль за степенью фторирования осуществляли по величине γ - фона в реакторе от продуктов распада урана - 232. По мере фторирования γ - фон нарастал вследствие уменьшения эффекта экранирования (поглощения) γ - излучения остающимся в реакторе ураном. Процесс прекращали, когда γ - фон достигал 6 - 8 мкР/с, т.е. величины, допустимой для работы обслуживающего персонала в течение времени, достаточного для выполнения ручных операций без принятия дополнительных мер радиационной защиты. Оставшееся в реакторе количество урана составляло 10 кг, т.е. 10% от поданного на фторирование, поэтому величина 10% является нижним пределом количества оставляемого в реакторе недофторированного урана.

Гексафторид урана, полученный на стадии фторирования, был загрязнен гексафторидом плутония в количествах (1 - 8) · 10²/мкг Pu/кг U. Для доочистки UF₆ от PuF₆ газовую смесь после фторатора пропускали через адсорбционную колонну, заполненную гранулами фторида натрия и нагреваемую до 450 - 500^oC. Скорость пропускания газов через сорбент поддерживали таким образом, чтобы время контакта составляло 18 - 22 с.

Как показали замеры содержания плутония в выходящем из сорбционной колонны газовом потоке, соблюдение указанных условий обеспечивало получение гексафторида урана с остаточным содержанием плутония на уровне 1,0 - 7,0 мкг Pu/кг U, что удовлетворяет требованиям технических условий на очищенный ВОУ.

Пример 2. Опыты проводили по методике, аналогичной описанной в примере 1.

Исходную закись-окись ВОУ, содержащую 10² - 10⁴ мкг Pu/кг U, фторировали до достижения γ -фона от огарков на уровне 3 - 4 мкР/с. Количество урана, оставленного при этом в реакторе, составляло 25 кг, т.е. 25% от поданного на фторирование сырья.

Величина 25% является верхним пределом количества оставляемого в реакторе недофторированного урана, и ее увеличение нецелесообразно вследствие чрезмерного увеличения нагрузки на операции гидрометаллургического передела огарков.

Процесс сорбционной доочистки гексафторида урана от гексафторида плутония вели при температуре (400 ± 10)^oC и времени контакта 40 - 50 с. После очистки UF₆ от PuF₆ получали продукт - гексафторид ВОУ, содержащий примесь плутония не более 0,1 мкг Pu/кг U.

В примерах 1 и 2 оставшуюся в реакторе смесь нелетучих фторидов (огарки), содержащую оксифториды урана, фториды плутония и продукты распада урана - 232, направляли на растворение, экстракционную очистку урана, сорбционное улавливание плутония и тория и после денитрации очищенного уранилнитратного раствора полученную закись-окись урана возвращали на фторирование.

Таким образом, осуществление предлагаемого способа позволяет получать чистый по требованиям спецификаций ASTM гексафторид ВОУ, пригодный для получения из него гексафторида урана энергетического назначения, сократить при этом в 5 - 10 раз необходимую мощность гидрометаллургического передела, уменьшить объемы сбросных радиоактивных растворов, упростить аппаратурное оформление процессов за счет сокращения единиц оборудования по сравнению с технологией, предусматривающей гидрометаллургический передел всего количества ВОУ, поступающего на переработку, а также улучшить условия ядерной безопасности.

Источники информации
1. А.Макхиджани, Э.Макхиджани. Ядерные материалы сквозь тусклое стекло? - IEEP PRESS, 1995.

2. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К.Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976.

3. Патент РФ N 2057377, G 21 C 19/42, 19/48, опубл. 27.03.96 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ переработки высокообогащенного урана в гексафторид урана, пригодный для смешения с низкообогащенным гексафторидом урана для получения урана энергетического назначения, включающий окисление высокообогащенного металлического урана до оксидов, фторирование оксидов с получением гексафторида урана и огарков от фторирования и очистку гексафторида урана, отличающийся тем, что процесс фторирования ведут до остаточного содержания урана в огарках, равного 10 - 25% от количества урана, поданного на фторирование, полученный гексафторид высокообогащенного урана направляют на очистку от гексафторида плутония селективной сорбцией последнего на фториде натрия, при этом время контакта и температуру процесса выбирают из условий, определяемых уравнением:

где C_o, C - концентрация плутония в гексафториде урана до и после очистки соответственно;
τ - время контакта гексафторида урана с сорбентом, с;
T - температура сорбента, K,
а огарки от фторирования, содержащие уран в количестве 10 - 25% от поданного на фторирование, содержащие уран в количестве 10 - 25% от поданного на фторирование, растворяют, полученный раствор уранилнитрата направляют на экстракционно-сорбционную очистку, очищенный раствор подвергают денитрации, полученные при этом оксиды урана возвращают на стадию фторирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию гексафторида плутония ведут при 653 - 773 K.

РИСУНКИ

Рисунок 1