Способ разделения плутония и нептуния

 

Изобретение относится к химии трансурановых элементов и может быть использовано при разделении плутония и нептуния. Результат способа: упрощение процесса разделения плутония и нептуния за счет исключения использования на стадии сорбции и промывки концентрированной соляной кислоты и их предварительного восстановления и стабилизации в соответствующих валентных формах, увеличение степени очистки плутония от примесей нептуния и ускорение проведения процесса разделения. Солянокислый раствор, содержащий 1,5-2,0 моль/л соляной кислоты, плутоний и нептуний в присутствии восстановителя пропускают через фитосорбент Фитосорб-728. При этом нептуний (IV) сорбируется на сорбенте, а плутоний (III) уходит в сорбат. Колонку промывают и проводят десорбцию нептуния. Использование способа позволит обеспечить очистку плутония от нептуния в одном сорбционном цикле. Содержание нептуния в конечном растворе плутония составит менее 2·10^-3% мас. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к химии трансурановых элементов и может быть использовано при разделении плутония и нептуния, а также при проведении глубокой очистки плутония от нептуния для получения особо чистого плутония, который используется в различных областях науки и техники, например, при изготовлении индивидуальных альфа-источников, в медицине и др.

В современном радиохимическом производстве, а также в лабораторной и аналитической практике при разделении плутония и нептуния широко используются методы ионного обмена, в частности методы разделения на анионообменных смолах.

Разработан анионообменный аффинаж плутония и нептуния из восстановительного реэкстракта плутония с использованием сильноосновных анионитов АВ-23М и ВП-1АП. В этом случае из-за высокой активности концентрата плутония и нептуния аффинаж производится по двухцикличной схеме. В цикле I осуществляется совместная сорбция плутония (IV) и нептуния (IV) из раствора 7,5 моль/л азотной кислоты. Для корректировки валентности в исходный раствор вводятся железо (II) и гидразин. Десорбция плутония и нептуния проводится раствором азотной кислоты 0,7 моль/л. В подкисленный до 7,5 моль/л по азотной кислоте десорбат вводится нитрит натрия, что приводит к образованию системы плутоний (IV)-нептуний (V, IV) перед вторым циклом ионного обмена. Во втором цикле плутоний (IV) сорбируется на анионите, а нептуний количественно остается в фильтрате [Землянухин В.И., Ильенко Е.И. и др. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 114].

Известен анионообменный способ разделения плутония и нептуния, включающий совместную сорбцию этих элементов в виде гексанитратных комплексов на анионите из растворов (5-7) моль/л азотной кислоты и последующую восстановительную десорбцию плутония в трехвалентном состоянии. После восстановления плутония и его вымывания из слоя сорбента нептуний элюируют из смолы, разбавленной азотной кислотой. В качестве селективных восстановителей для плутония, сорбированного в виде гексанитратного комплекса в слое анионита, используются ронгалит, аскорбиновая кислота, сульфамат железа (II) и другие восстановители [Парамонова В.И. Радиохимия, 1975, 17, №6, с. 944-947].

Известен способ разделения плутония и нептуния, включающий пропускание кислых гидразинсодержащих растворов через анионит с одновременной сорбцией нептуния (IV), последующую промывку сорбента кислотой и десорбцию нептуния разбавленным раствором кислоты. По данному способу в кислые (6-7,5 моль/л азотнокислые) растворы плутония и нептуния добавляют гидразин-нитрат и аскорбиновую кислоту для перевода и стабилизации строго определенных валентных форм: плутония (III) и нептуния (IV). Затем полученный раствор пропускают через анионит преимущественно сильноосновного типа на стиролдивинилбензольной или винилпиридиновой основе, при этом нептуний (IV) сорбируется, а плутоний (III) проходит в фильтрат. Затем осуществляют промывку сорбента (6-7,5) моль/л растворами азотной кислоты. Для лучшей очистки нептуния от плутония в промывные растворы иногда добавляют гидразин и аскорбиновую кислоту. Далее проводят десорбцию нептуния (IV) (0,5-0,7) моль/л азотнокислым раствором кислоты [Егоров Е.В., Макарова С.Б. Ионный обмен в радиохимии. - М.: Атомиздат, 1971, с. 122-125; Парамонова В.И. Радиохимия, 1975, 17, №6, с. 944-947 ].

Недостатками указанных способов являются: многостадийность вследствие обязательного проведения стадии подготовки исходного раствора для стабилизации плутония и нептуния в определенных валентных формах; окислительное растворение, при котором исходное валентное состояние плутония и нептуния в растворе будет разным, что значительно затрудняет их анионообменное разделение; многоцикличность, т.к. за один цикл сорбция-десорбция не удается получить необходимую очистку плутония от нептуния или получения концентрата нептуния, содержащего плутоний; высокая температура; применение концентрированных растворов азотной кислоты для получения гексанитратных комплексов плутония и нептуния; применение дорогостоящих анионитов.

Также известен метод разделения плутония и нептуния, включающий пропускание при температуре 60°С кислых гидразинсодержащих растворов через анионит, содержащий платину. При этом нептуний переходит в четырехвалентное состояние и сорбируется анионитом, а плутоний переходит в трехвалентное состояние и остается в фильтрате. Этот способ обладает теми же недостатками, указанными выше, за исключением проведения стадии подготовки исходного раствора для стабилизации строго определенных валентных форм плутония и нептуния, но требует расхода драгоценного металла - платины [Авторское свидетельство СССР №1067662, кл. В 01 J 41/04, С 01 G 56/00, 1982].

Известны способы очистки плутония от нептуния, включающие применение солянокислых сред.

Так, в способе разделения плутония (IV) и нептуния (IV) сначала проводят их сорбцию из азотнокислых растворов на анионите в виде гексанитратных комплексов, последующую промывку анионита раствором соляной кислоты 12 моль/л для перевода гексанитратных комплексов в гексахлоридные комплексы, восстановительную десорбцию плутония соляной кислотой, содержащей восстановитель, например, иодистоводородную кислоту или гидрохинон, а затем нептуний (IV) десорбируют разбавленной соляной кислотой [F.Nelson, et. al, I. Chromatogr, 1964,14, №2; Авторское свидетельство СССР №997309, кл. В 01 J 41/04, С 01 G 56/00, 1983].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является анионообменный способ очистки, включающий применение солянокислых сред. Он заключается в сорбции на дауэкс-1 (в Cl-форме) плутония (IV) и нептуния (V) или нептуния (VI) из раствора 12 моль/л соляной кислоты. Затем раствор в колонне замещают смесью 12 моль/л соляной кислоты и 0,1 моль/л иодистоводородной кислоты, которая восстанавливает плутоний (IV) до плутония (III) и нептуний (V) до нептуния (IV). Плутоний (III) удаляют промыванием колонны концентрированной соляной кислотой. При этом нептуний (IV) прочно удерживается анионитом и может быть десорбирован раствором 0,5 моль/л соляной кислоты [Милюкова М.С., Гусев Н.И. и др. Аналитическая химия плутония. - М.: Наука, 1965, с. 365]. Недостатком данного способа является его многостадийность, т.к. за один цикл не удается получить необходимую очистку плутония от нептуния, использование концентрированной соляной кислоты и дорогостоящих анионитов.

Технической задачей, решаемой изобретением, является упрощение процесса разделения плутония и нептуния за счет исключения использования на стадии сорбции и промывки концентрированной соляной кислоты и их предварительного восстановления и стабилизации в соответствующих валентных формах, увеличение степени очистки плутония от примесей нептуния и ускорение проведения процесса разделения.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе разделения плутония и нептуния, включающем сорбцию нептуния из солянокислых растворов в присутствии восстановителя, промывку сорбента, десорбцию нептуния, сорбцию проводят из 1,5-2,0 моль/л солянокислых растворов на фитосорбенте на основе фосфорилированной древесины. В качестве фитосорбента используют Фитосорб-728. Сорбцию проводят со скоростью 10-20 мин/колоночный объем при температуре 19-25 °С.

Технология способа состоит в следующем. Плутоний металлический, содержащий нептуний, растворяется в растворе состава: (1,5-2,0) моль/л соляной кислоты и 0,1 моль/л гидразина солянокислого при температуре 19-30°С в течение 1 ч. В полученном растворе плутоний и нептуний находятся соответственно в трех- и четырехвалентном состояниях. Затем раствор пропускают через фитосорбент на основе фосфорилированной древесины (см. патент РФ №2098082, МПК В 01 J 20/20), например Фитосорб-728, с временем контакта фаз 15-20 мин/колоночный объем при температуре 19-30°С. При этом нептуний (IV) сорбируется на сорбенте, а плутоний (III) уходит в сорбат. Сорбцию ведут до начала проскока нептуния (IV) в сорбат более 0,2 мг/л, после чего колонку промывают 2 моль/л раствором соляной кислоты, содержащей 0,1 моль/л гидразина солянокислого для вытеснения плутония (III). После полного вымывания плутония (III) проводят десорбцию нептуния 6-8%-ным раствором карбоната аммония.

Предел концентрации соляной кислоты 1,0-2,0 моль/л обусловлен тем, что при концентрации ее менее 1,0 моль/л возможны процессы гидролиза нептуния и плутония, а при повышении концентрации соляной кислоты выше 4,0 моль/л образуются не сорбируемые фитосорбентом гексахлоридные комплексы нептуния.

Приведенные выше режимы являются оптимальными для достижения поставленной задачи - проведения полной очистки плутония от нептуния в одном сорбционном цикле. Степень очистки плутония от нептуния предложенным методом была высокой и во всех случаях содержание нептуния в конечном растворе плутония составляло менее 2-2·10^-3% маc.

Пример осуществления способа

Проводят разделение плутония и нептуния на хроматографической колонне. Колоночный объем подготовленного сорбента к сорбции составляет 2 мл. В качестве сорбента используют фитосорбент Фитосорб-728 фракции 0,25-1,0 мм. Содержание нептуния и плутония в различных фракциях определяют с точностью до 3%. Берут 600 мл раствора, содержащего 2,0 моль/л соляной кислоты и 0,1 моль/л гидразина солянокислого и в нем растворяют 6 г металлического плутония, содержащего нептуний. Полученный раствор пропускают при температуре 19-25°С со скоростью 15±5 мин/колоночный объем через фитосорбент. При этом более 99% нептуния (IV) переходит в слой сорбента, а плутоний (III) количественно остается в фильтрате. Содержание нептуния в образцах очищенного плутония составляет менее 2·10^-3% маc.

Использование в качестве фитосорбентов на основе фосфорилированной древесины Фитосорба-511 и Фитосорба-706 позволило получить аналогичные результаты по степени разделения плутония и нептуния.

Использование предлагаемого способа разделения плутония и нептуния обеспечивает по сравнению с известным способом (базовым объектом) следующие технико-экономические преимущества:

- достигается ускорение процесса разделения плутония и нептуния в одну стадию;

- увеличивается глубина очистки плутония от примесей нептуния;

- в 2-3 раза сокращается объем растворов, подлежащих дополнительной очистке и регенерации вследствие уменьшения числа стадий процесса;

- сокращается расход соляной кислоты в 5-7 раз.

Формула изобретения

1. Способ разделения плутония и нептуния, включающий сорбцию нептуния из солянокислых растворов, содержащих восстановитель с последующей промывкой сорбента и десорбцией нептуния, отличающийся тем, что сорбцию проводят из 1,5-2,0 моль/л солянокислых растворов на фитосорбенте фитосорб-728.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию проводят со скоростью 10-20 мин/колоночный объем при температуре 19-25°C.