Способ получения нитратов актинидов (варианты)
Владельцы патента RU 2295789:
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU)
Государственное унитарное предприятие Научно-производственное объединение "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие Горно-химический комбинат (RU)
Изобретение относится к неорганической химии, в частности к способу получения азотнокислых солей урана и актинидов, и предлагает альтернативный путь преобразования исходных материалов, содержащих оксиды урана и других ядерных материалов в гидратированные нитраты, т.е. продукты, удобные для дальнейшей переработки. Получение гидратированных нитратов актинидов проводят путем непосредственной реакции оксида актинида со смесью тетраоксид азота - вода в герметичной емкости при избыточном давлении 0,5-1,0 МПа и температуре 100-140°С или с жидкой смесью тетраоксид азота - вода - диоксид углерода при давлении 7,0 МПа и температуре 10-75°С. Предложенный способ обеспечивает простое и удобное превращение окислов с высокой степенью конверсии. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к неорганической химии, в частности к способу получения азотнокислых солей урана и актинидов, и предлагает альтернативный путь преобразования исходных материалов, содержащих оксиды урана, и других ядерных материалов в гидратированные нитраты, т.е. продукты, удобные для дальнейшей переработки.
Известны способы получения азотнокислых солей актинидов, например растворением диоксида урана или его оксидов в азотной кислоте. В результате получают раствор нитрата уранила с большим избытком кислоты. Для получения соли гидратированного нитрата уранила проводились операции выделения солей обычным способом: фильтрация, упаривание, охлаждение, отфильтровывание выпавших кристаллов, промывка и сушка.
Известен способ растворения оксидов урана с получением нитрата уранила, с помощью диоксида азота, растворенного в трибутилфосфате и тетрахлорэтилене (Кузнецов А.Ю., Бучихин Е.П., Шаталов В.В. "Совмещенное нитрование и экстракция урана и его оксидов" XIII Всероссийская конференция по экстракции, тезисы докладов, часть 2, с.202, М., 2004)). Недостатком данного метода является то, что для получения нитрата в виде гидратированной соли необходимо проведение дополнительных процессов реэкстракции и отгонки растворителя, применение водной химии.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения нитратов уранила путем взаимодействия безводных оксидов урана с тетраоксидом азота при температуре 25°С, взятый в качестве прототипа (А.Н.Мурин, В.Д.Нефедов "Радиохимия и химия ядерных процессов" ГНТИ химической литературы, с. 517. Л., 1960). Продуктом взаимодействия является аддукт нитрата уранила и диоксида азота UO2(NO3)2·NO2. Нагревание его до температуры 163°С в вакууме приводит к образованию безводного нитрата уранила. Недостатками прототипа являются высокая температура плавления получаемого аддукта, а также безводного нитрата уранила (400°С, с разложением). Поэтому по прототипу при получении продукта из окисла частицы окисла покрываются слоем твердого аддукта UO2(NO3)2·2NO2 и реакция не доходит до конца. Для того чтобы реакция прошла полностью, требуется предварительное измельчение оксида до тонкодисперсного порошка. Кроме того, для получения конечного продукта - гексагидрата нитрата уранила - полученный безводный нитрат уранила нужно обработать водой. Это приводит к появлению дополнительных стадий, усложняющих процесс. Надо также учитывать, что обращение с тонкодисперсными порошками радионуклидов создает дополнительные трудности.
Задачей данного изобретения является сокращение числа стадий и операций при получении гидратированных нитратов из оксидов актинидов.
Поставленная задача достигается тем, что получение гидратированных нитратов актинидов проводят путем непосредственной реакции металла или оксида актинида со смесью тетраоксид азота - вода (в стехиометрическом количестве) в герметичной емкости при избыточном давлении 0,5-1,0 МПа и температуре 100-140°С. Вариантом способа является проведение процесса при температуре 10-70°С и избыточном давлении 7,0-15 МПа в смеси тетраоксид азота - вода (в стехиометрическом количестве) - диоксид углерода. Низкая температура плавления получаемых гидратированных нитратов актинидов позволяет легко их отделять от непрореагировавших продуктов или нитратов, имеющих более высокую температуру плавления.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных способа решают одну и ту же задачу - получение нитратов актинида принципиально одним и тем же путем - введением стехиометрического количества воды и поддержанием требуемых режимов проведения процесса, которые являются равноценными для решения задачи и не могут быть объединены обобщающим параметром.
Следующие примеры иллюстрируют возможности применения данного способа.
Пример 1
Навеску 500 мкг (UO2) помещают в ячейку для сверхкритической экстракции объемом 5 мл, куда добавляют двукратный по отношению к стехиометрическому соотношению избыток двуокиси азота (N2O4), содержащий стехиометрическое количество воды из расчета образования гексагидрата нитрата уранила. Ячейку герметизируют, выдерживают при заданной температуре, после чего определяют процент конверсии, т.е. процент превращения двуокиси урана в нитрат уранила. Данные приведены в табл.1.
Полученный результат свидетельствует, что двуокись урана полностью превращается в гексагидрат нитрата уранила при температуре выше 100°С за 6 часов при наличии в системе стехиометрического количества воды.
| Таблица 1 Результаты опытов по конверсии UO2 в присутствии N2O4 и стехиометрического количества воды | |||||
| № | Число молей N2O4 на 1 моль UO2 | Число молей воды на 1 моль UO2 | Температура, °С | Время опыта, час | Степень конверсии, % |
| 1 | 4 | 6 | 140 | 6 | 100 |
| 2 | 4 | 6 | 120 | 6 | 100 |
| 3 | 4 | 6 | 100 | 6 | 100 |
| 4 | 4 | 6 | 80 | 6 | 87 |
| 5 | 4 | 6 | 80 | 1 | 13 |
Пример 2
Навеску 500 мкг закись-окиси урана (U3O8)помещают в ячейку для сверхкритической экстракции объемом 5 мл, куда добавляют двукратный по отношению к стехиометрическому соотношению избыток тетраоксида азота (N2O4), содержащий стехиометрическое количество воды из расчета на образование гексагидрата нитрата уранила, ячейку герметизируют, выдерживают при заданной температуре, после чего определяют процент конверсии. Данные приведены в табл.2.
| Таблица 2 Результаты опытов по конверсии U3O8 в присутствии N2O4 и стехиометрического количества воды | |||||
| № | Число молей N2O4 на 1 моль U3O8 | Число молей воды на 1 моль U3О8 | Температура, °С | Время опыта, час | Степень конверсии, % |
| 1 | 9 | 18 | 140 | 6 | 100 |
| 2 | 9 | 18 | 120 | 6 | 100 |
| 3 | 9 | 18 | 110 | 6 | 100 |
Пример 3
Навеску 500 мкг двуокиси урана (UO2) помещают в ячейку для сверхкритической экстракции объемом 5 мл и герметизируют, куда добавляют диоксид углерода, содержащий двукратный по отношению к стехиометрическому соотношению избыток двуокиси азота (N2O4), содержащий стехиометрическое количество воды из расчета на образование гексагидрата нитрата уранила; выдерживают при заданной температуре, затем диоксид углерода удаляют, после чего определяют процент конверсии, т.е. превращения оксида в нитрат. Данные приведены в табл.3.
| Таблица 3 Результаты опытов по конверсии U3O8 в присутствии N2O4, диоксида углерода и стехиометрического количества воды | ||||||
| № | Число молей N2O4 на 1 моль U3O8 | Число молей воды на 1 моль U3O8 | Число молей CO2 на 1 моль U3O8 | Температура, °С | Время опыта, час | Степень конверсии, % |
| 1 | 9 | 18 | 44 | 25 | 20 | 100 |
| 2 | 9 | 18 | 44 | 25 | 15 | 89 |
| 3 | 9 | 18 | 44 | 25 | 12 | 68 |
| 9 | 18 | 44 | 25 | 8 | 45 | |
| 9 | 18 | 20 | 25 | 20 | 99 | |
| 9 | 18 | 60 | 25 | 20 | 99 | |
| 9 | 18 | 60 | 15 | 40 | 97 | |
| 9 | 18 | 60 | 70 | 15 | 100 |
Пример 4
Порошок твердого раствора UO2-PuO2 помещают в экстракционную ячейку сверхкритической экстракции объемом 5 мл, куда добавляют двукратный по отношению к стехиометрическому соотношению избыток тетраоксида азота (N2O4), содержащий стехиометрическое количество воды из расчета образования гексагидрата нитрата уранила. Ячейку герметизируют, выдерживают при заданной температуре, после чего определяют процент конверсии оксидов урана и плутония в нитраты. Процент конверсии оксидов урана и плутония составляет 100% в диапазоне температур 100-140°С. Содержание плутония в исходной смеси оксидов составляет 2% (моль).
Пример 5
Порошок твердого раствора UO2-PuO2-Np3О8 помещают в экстракционную ячейку сверхкритической экстракции объемом 5 мл, куда добавляют двукратный по отношению к стехиометрическому соотношению избыток тетраоксида азота (N2О4), содержащий стехиометрическое количество воды из расчета образования гексагидрата нитрата уранила. Ячейку герметизируют, выдерживают при заданной температуре, после чего определяют процент конверсии оксидов урана, плутония и нептуния в нитраты. Процент конверсии оксидов урана, плутония и нептуния составляет 100% в диапазоне температур 100-140°С. Содержание плутония в исходной смеси оксидов составляет 20% (моль), нептуния - 2% (моль).
Приведенные в примерах данные свидетельствуют о том, что реализация предложенного способа позволяет получить предполагаемый технический эффект - превращение оксидов актинидов в гидраты нитратов актинидов. По сравнению с предлагаемыми ранее техническими решениями предложенный способ обеспечивает простое и удобное превращение окислов с высокой степенью конверсии.
1. Способ получения нитратов актинидов, включающий обработку оксидов актинидов тетраоксидом азота, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре 100-140°С, избыточном давлении 0,5-1,0 МПа и стехиометрическом количестве добавляемой воды.
2. Способ получения нитратов актинидов, включающий обработку оксидов актинидов тетраоксидом азота, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре 10-70°С и избыточном давлении 7,0-15 МПа в смеси тетраоксид азота-вода-диоксид углерода, при стехиометрическом количестве добавляемой воды.
