Способ получения разбавителя для переработки оружейного высокообогащенного урана в низкообогащенный уран

Изобретение относится к ядерному топливному циклу и может быть использовано при производстве топлива ядерных реакторов путем переработки высокообогащенного урана (ВОУ), извлекаемого при демонтаже ядерного оружия, в низкообогащенный уран (НОУ) для топлива атомных станций, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана в гексафторид низкообогащенного урана. Изобретение касается способа получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана в гексафторид низкообогащенного урана, включающего обогащение гексафторида урана с низким содержанием 235U и 234U, поступающего на питание каскада газовых центрифуг, до заданной концентрации 235U для разбавителя, причем разбавитель получают в промежуточном отборе каскада, нарабатывающего в основном отборе гексафторид низкообогащенного урана с более высокой концентрацией 235U по отношению к разбавителю. Использование заявленного способа позволяет получать разбавитель при меньших затратах работы разделения для его наработки, поскольку для этого не требуется выделения отдельного каскада для производства разбавителя, а его наработка идет в каскаде, нарабатывающем в основном отборе низкообогащенный уран, используемый в качестве топлива, а разбавитель получают в промежуточном отборе. Таким образом, возможна наработка сразу двух целевых продуктов на одном каскаде разделения: разбавителя и низкообогащенного урана. 6 з.п. ф-лы, 11 табл., 9 ил.

 

Изобретение относится к ядерному топливному циклу и может быть использовано при производстве топлива ядерных реакторов путем переработки высокообогащенного урана (ВОУ), извлекаемого при демонтаже ядерного оружия, в низкообогащенный уран (НОУ) для топлива атомных станций, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана в гексафторид низкообогащенного урана.

Ядерное топливо для АЭС производят путем обогащения гексафторида урана на разделительных каскадах обогатительных заводов. В качестве питания на каскад может поступать гексафторид, содержащий природный уран с концентрацией 235U 0,711%, или обедненный уран - отвальный продукт разделительного процесса с концентрацией 235U 0,1÷0,4%, или слегка обогащенный (а возможно, и обедненный) уран - регенерат облученного урана, прошедшего переработку и очистку на радиохимическом заводе [Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1987. 480 с.]. Под термином «концентрация» здесь и далее авторы подразумевают массовую долю того или иного изотопа урана именно в смеси изотопов урана. Каскады разделительного завода могут иметь несколько точек питания для подачи гексафторида урана с различной концентрацией 235U и несколько точек для отбора продукта с различной степенью обогащения по 235U.

Настоящее изобретение относится к способам получения ядерного топлива для АЭС путем переработки оружейного ВОУ.

Известны способы переработки ВОУ в НОУ [Oleg Bukharin. Understanding Russia's Uranium Enrichment Complex. Science and Global Security, 2004, Volume 12, pp.193-218.], предусматривающие в качестве основной операции для снижения концентрации 235U до значений 2÷5%, используемых в ядерном топливе, смешение гексафторида перерабатываемого ВОУ с концентрацией 235U 85÷97% с разбавителем требуемой концентрации по основному изотопу 235U, как правило с разбавителем с концентрацией по основному изотопу 235U 1,5%, причем получаемое ядерное топливо может содержать находящиеся в ВОУ и разбавителе вредные изотопы 232U, 234U, 236U. Повышение концентрации вредного изотопа 232U приводит к затруднениям при дальнейшем изготовлении ядерного топлива (порошка, таблеток, твэлов) из-за мощного и вредного излучения продуктов его распада. Повышение концентрации вредного изотопа 234U приводит к затруднениям при дальнейшем изготовлении ядерного топлива (порошка, таблеток, твэлов) из-за загрязнения воздуха в рабочем помещении и поверхностей рабочего помещения вредными альфа-частицами. Повышение концентрации вредного изотопа 236U приводит к повышению паразитного захвата нейтронов в ядерном реакторе и, в свою очередь, требует повышения концентрации делящегося изотопа 235U, что ухудшает экономические показатели ядерного реактора.

Независимо от способа получения НОУ его технические характеристики по вредным изотопам 232U, 234U, 236U должны соответствовать требованиям стандартной спецификации ASTM C996-04 [Стандартные технические условия на гексафторид урана с обогащением менее 5% по изотопу 235U, ASTM C996-04], что создает дополнительные трудности и затраты при использовании разбавителя в процессе получения ядерного топлива.

Известен способ переработки оружейного высокообогащенного урана и его сплавов в топливный материал для атомных реакторов [Патент RU №2057377, G21C 19/42, G21C 19/48, 1993.08.23], в котором гексафторид оружейного высокообогащенного урана смешивают с разбавителем, причем для обеспечения соответствия требованиям ASTM перед операцией смешения с разбавителем выполняется операция уменьшения содержания вредных примесей в гексафториде ВОУ. Для этого в способе введена специальная операция разделения гексафторида ВОУ на каскаде газовых центрифуг. Известное изобретение может быть применено для изготовления гексафторидов урана с различными степенями обогащения по 235U применительно к топливу атомных реакторов как энергетических, так и транспортных для подводных лодок и космоса. При этом концентрация 235U в разбавителе может меняться в широких пределах и определяется концентрацией 235U в ВОУ и получаемом НОУ и технологическими параметрами процесса смешения с разбавителем, как описано в Патенте RU №2057377 по формулам:

G1·C1+G2·С2=G3·С3;

G1+G2=G3, где:

G1 - расход гексафторида урана с высокой степенью обогащения, г/с;

C1 - концентрация 235U в гексафториде урана с высокой степенью обогащения;

G2 - расход гексафторида урана разбавителя с низкой степенью обогащения, г/с;

C2 - концентрация 235U в гексафториде урана разбавителя с низкой степенью обогащения;

G3 - расход гексафторида урана, полученного после смешения, г/с;

С3 - концентрация гексафторида урана, полученного после смешения.

Задавая необходимую концентрацию 235U в готовом гексафториде НОУ и количество готового продукта, по концентрации 235U в ВОУ подбирается концентрация 235U в разбавителе и расход исходных потоков гексафторидов урана. Поскольку разбавитель нарабатывается в другом технологическом процессе, разбавитель для использования в этом известном изобретении должен быть получен с этой заданной процессом смешения концентрацией 235U.

Недостаток известного способа состоит в том, что он предполагает выделение в составе разделительного завода отдельного каскада газовых центрифуг, предназначенного для снижения содержания только вредных примесей в гексафториде ВОУ, в то время как вредные изотопы 232U, 234U, 236U, находящиеся в ВОУ и разбавителе, могут значительно ухудшать качество получаемого ядерного топлива. В результате сокращаются разделительные мощности, которые можно использовать для получения гексафторида НОУ более высокого качества из природного урана.

Известны способы получения разбавителя для ВОУ, используемые для изотопного восстановления регенерированного урана, в котором сырьевой урановый регенерат обогащают до ВОУ, повышая содержание изотопа 235U до уровня 21,0-90,0% в одинарном (Патент RU №2236053, G21C 19/42, B01D 59/20, 2004.09.10) или двойном (Патент RU №2242812, G21C 19/42, B01D 59/20, 2004.12.20) газоцентрифужном каскаде, и снижают концентрацию изотопа 235U разбавителем до уровня 2,0-7,0%, получая НОУ для топливного материала ядерных реакторов. Разбавление ведут ураном с содержанием 232U 0,1-5,0 мас.%. Наработку разбавителя заданной концентрации, например, из гексафторида урана природного происхождения выполняют параллельно в отдельном ординарном газоцентрифужном каскаде, подавая на питание гексафторид урана с концентрацией изотопа 235U 0,711% и получая на выходе поток отбора, содержащий 2,0-5,0% 235U, и поток отвала, содержащий 0,1-0,3% 235U.

Недостатком способа являются большие затраты работы разделения на получение разбавителя с требуемым содержанием 234U и 235U. Кроме того, если концентрация изотопа 234U имеет в ВОУ регенерата повышенный уровень, то требования ASTM C996-04 не могут быть выполнены.

Наиболее близким к изобретению является способ получения гексафторида низкообогащенного урана из оружейного высокообогащенного урана, применяемый в российской промышленной переработке ВОУ в гексафторид НОУ с использованием разбавителя [Патент RU №2225362, C01G 43/06, 2001.06.13]. Для выполнения требований по вредным изотопам, лимитирующим из которых по требованиям ASTM C996-04 является 234U, наряду с уменьшением содержания вредных изотопов в гексафториде ВОУ на отдельном каскаде газовых центрифуг, разбавитель нарабатывают в другом ординарном каскаде газовых центрифуг, на питание которого поступает обедненный гексафторид урана с низким содержанием 235U и 234U, а из отбора путем его обогащения по изотопу 235U до концентрации 1,5% получают разбавитель. В качестве обедненного урана на питании каскада используют отвальный продукт разделительного процесса с концентрацией 235U 0,1÷0,3%, полученный при обогащении природного урана, или природный уран, или коммерческий натуральный уран, или слабообогащенный уран, получаемый из природного урана. При этом предельное содержание вредных изотопов в ВОУ рассчитывают исходя из требований ASTM для гексафторида НОУ и состава выбранного разбавителя. Параметры каскада газовых центрифуг, необходимые для уменьшения содержания вредных изотопов в ВОУ, определяют по известным методикам расчетов процессов разделения многокомпонентных изотопных смесей.

Недостатки способа-прототипа, кроме необходимости уменьшения содержания вредных изотопов в ВОУ на отдельном каскаде газовых центрифуг, связаны с необходимостью предотвращения самопроизвольной ядерной реакции гексафторида ВОУ в каскаде газовых центрифуг, а также с концентрированием в отборе этого каскада большого количества радиоактивного изотопа 234U, что требует разработки специальных мер радиационной безопасности и затрудняет дальнейшую переработку и хранение полученного продукта. Осуществление способа требует больших затрат работы разделения на получение разбавителя с требуемым содержанием 234U и 235U.

Настоящее изобретение направлено на решение следующих задач:

- снижение затрат работы разделения на наработку разбавителя с требуемым качеством по содержанию вредных изотопов урана;

- снижение содержания вредных изотопов урана в разбавителе и повышение качества гексафторида НОУ, получаемого из ВОУ;

- обеспечение требуемого качества гексафторида НОУ, получаемого из ВОУ даже при повышенном содержании в нем вредных изотопов урана.

Технический результат, достигаемый при осуществлении способа, заключается в получении более качественного разбавителя для ВОУ с меньшим содержанием лимитирующих вредных изотопов при меньших затратах работы разделения для его наработки.

Достижение указанного технического эффекта от предложенного изобретения обеспечивается тем, что в способе получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана в гексафторид низкообогащенного урана, заключающемся в обогащении гексафторида урана с низким содержанием 235U и 234U, поступающего на питание каскада газовых центрифуг, до заданной концентрации 235U для разбавителя, разбавитель получают в промежуточном отборе каскада, нарабатывающего в основном отборе гексафторид низкообагащенного урана с более высокой концентрацией 235U, чем концентрация разбавителя.

Дополнительно, обогащение гексафторида урана выполняют на каскаде с одной или несколькими дополнительными точками питания.

Кроме того, наработку разбавителя производят до концентрации 235U 0,7÷2,0%, и подают его на одну из точек питания дополнительного каскада с одним отбором разбавителя требуемой концентрации.

Дополнительно, требуемую концентрацию разбавителя получают путем смешения отбора разбавителя с отбором дополнительного каскада с одним отбором.

Кроме того, на питании каскада используют отвальный продукт разделительного процесса с концентрацией 235U 0,10÷0,45%, полученный при обогащении природного урана.

Кроме того, на питании каскада используют гексафторид природного урана.

Кроме того, на питании каскада используют гексафторид урана с концентрацией 235U 0,46÷0,95%, полученный повторным обогащением отвального продукта, полученного в разделительном процессе при обогащении природного урана.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показана известная схема наработки разбавителя в ординарном каскаде;

на фиг.2 показана схема наработки разбавителя в каскаде с промежуточным отбором разбавителя и основным отбором гексафторида низкообагащенного урана с более высокой концентрацией 235U по отношению к разбавителю;

на фиг.3 показана схема наработки разбавителя с использованием дополнительного каскада с одним отбором;

на фиг.4 показана схема получения разбавителя путем смешения отбора разбавителя с отбором дополнительного каскада с одним отбором;

на фиг.5-9 показаны зависимости концентраций вредных изотопов от параметров процесса обогащения при наработке разбавителя.

В известном способе получения разбавителя по схеме, показанной на фиг.1, в ординарном каскаде 1 на вход каскада 1 подается поток 2 питания и отбирается поток 3 отбора разбавителя и поток 4 отвала. Каскад 1 может быть выполнен с одной дополнительной точкой питания с дополнительным потоком 5 питания или иметь несколько таких дополнительных точек и соответственно дополнительных потоков питания. Полученный разбавитель затаривают в емкость 6 для последующего использования, а обедненный отвал затаривают в емкость 7 для хранения.

В заявленном способе получения разбавителя по схеме, показанной на фиг.2, на вход каскада 8 подается поток 9 питания в виде переведенного в газовую фазу гексафторида урана с концентрацией 0, 0,711% 235U. На выходе каскада получают два потока отбора (поток 10 отбора разбавителя из промежуточного отбора каскада 8 с концентрацией 235U 1,5% и поток 11 основного отбора НОУ с более высоким содержанием 235U, в пределах 2-5%) и поток 12 отвала. Каскад 8 может быть выполнен с одной дополнительной точкой питания с дополнительным потоком 13 питания или иметь несколько таких дополнительных точек и соответственно дополнительных потоков питания. Полученный разбавитель с концентрацией 235U 1,5% десублимируют и затаривают в контейнер 14 для последующего использования в переработке ВОУ. Полученный из потока 11 в основном отборе каскада 8, настроенного на обогащение 235U до заданной концентрации в диапазоне 2-5%, НОУ десублимируют, затаривают в контейнер 15 и отправляют заказчику для изготовления ядерного топлива. Поток 12 отвала с концентрацией 235U 0,1-0,3% десублимируют, затаривают в контейнер 16 и направляют на хранение.

В варианте осуществления способа по схеме на фиг.3 в каскаде 8 полученный в промежуточном отборе поток 10 гексафторида урана разбавителя с концентрацией 235U 0,7-2,0%, обусловленной дискретностью реальных ступеней каскада на разделительном заводе, подают (непосредственно или через операцию десублимации и затаривания в контейнер 14) на дополнительную точку питания дополнительного ординарного каскада 17 в виде потока 18. Дополнительный каскад 17 выполнен с одним отбором потока 19 разбавителя с концентрацией 235U 1,5% и одним потоком 20 отвала. На основное питание дополнительного каскада 17 подают поток 21 гексафторида обедненного урана с концентрацией 235U 0,10-0,45%. Полученный в потоке 19 разбавитель с концентрацией 235U 1,5% десублимируют и затаривают в контейнер 22 для последующего использования в переработке ВОУ. Отвал из потока 20 с концентрацией 235U 0,1-0,3% десублимируют, затаривают в контейнер 23 и направляют на хранение.

В варианте осуществления способа по схеме на фиг.4 в каскаде 8 полученный в промежуточном отборе поток 10 гексафторида урана разбавителя с концентрацией 235U 0,7-2,0%, обусловленной дискретностью реальных ступеней каскада на разделительном заводе, подают (непосредственно или через операцию десублимации и затаривания в контейнер 14) на смешение в виде потока 18 с потоком 19 отбора ординарного дополнительного каскада 17. Дополнительный каскад 17 выполнен с одним потоком 19 отбора и одним потоком 20 отвала. На основное и дополнительное питание дополнительного каскада 17 подают поток 21 и поток 24, соответственно, гексафторида обедненного урана с концентрацией 235U 0,10-0,45%. Значение концентрации 235U в потоке 19 отбора выбирают исходя из соотношений концентраций 235U в смешиваемых потоках 18 и 19 и требуемого содержания этого изотопа в разбавителе. Полученный в потоке 19 продукт с концентрацией 235U 1,2-1,4% смешивают с потоком 18 разбавителя и регулируют концентрацию 235U в потоке 25 разбавителя до 1,5% расходной шайбой 26 для потока 18 и расходной шайбой 27 для потока 19. Гексафторид урана разбавителя с концентрацией 235U 1,5% из потока 25 десублимируют и затаривают в контейнер 28 для последующего использования в переработке ВОУ. Отвал из потока 20 с концентрацией 235U 0,1-0,3% десублимируют, затаривают в контейнер 23 и направляют на хранение.

Параметры работы каскадов 8 и 17 газовых центрифуг в схемах с одним или двумя этапами наработки разбавителя, а именно количество питающих потоков, концентрации 235U в потоках, количества получаемых продуктов устанавливают в соответствии с планируемой наработкой разбавителя и НОУ и техническими возможностями разделительного производства.

Параметры режима работы ступеней каскадов газовых центрифуг определяют по заданным параметрам на его питании, выбранным концентрациям 235U и количествам продуктов в отбираемых потоках с помощью известных методик оптимизации каскадов на обогащение изотопа 235U [В.А.Палкин, Р.С.Комаров «Оптимизация параметров каскада центрифуг при разделении регенерированного урана»//Сборник докладов Х Международной научной конференциии «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», г.Звенигород, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005, с.50-55].

Уровень содержания вредных изотопов в разбавителе регулируют выбором концентрации 235U в одновременно нарабатываемом гексафториде НОУ и изменением отношения количества получаемого разбавителя к соответствующему количеству отбираемого НОУ, выражаемого величиной s. На Фиг.5 показана зависимость содержания 234U и 235U в промежуточном отборе разбавителя, получаемого в соответствии с настоящим изобретением. При большом содержании 235U в гексафториде НОУ и малых значениях s, близких или меньших единицы, достигается наибольший эффект снижения содержания лимитирующего изотопа 234U в разбавителе по сравнению с его наработкой в каскаде без промежуточного отбора, т.е. при s=∞.

Осуществимость заявленного способа получения разбавителя и достигаемый при получении разбавителя по заявленному способу технический результат подтверждается нижеследующими примерами.

В приведенных примерах содержание изотопа 234U в отвалах разделительного производства определяли по формулам известной методики [Израилевич А.И. Формулы для расчета содержания минорных изотопов для трехпоточных каскадов.//Сб. докладов VIII всероссийской (международной) научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул", М.: ЦНИИатоминформ, 2003, с.40-42].

Предельные значения концентрации 234U в разбавителе рассчитывали согласно соотношению:

где В4 - предельное содержание вредного изотопа 234U в гексафториде разбавителя, %;

C4 - предельное содержание вредного изотопа 234U в гексафториде НОУ, получаемом при смешении гексафторида ВОУ и гексафторида разбавителя, %;

А4 - содержание в гексафториде ВОУ вредного изотопа 234U, %;

А5, В5, С5 - концентрации 235U в гексафториде ВОУ, гексафториде разбавителя и гексафториде НОУ, соответственно, %.

Пример 1. Получение разбавителя из гексафторида природного урана

Заданные концентрации изотопов в ВОУ, разбавителе и получаемом при их смешении НОУ,%: А5=90; B5=1,5; C5=4,0; А4=1,02.

Содержание 234U в гексафториде НОУ при отсутствии предварительного соглашения с заказчиком не должно превышать 10000 мкг/г 235U. В соответствии с этим C4=0,04%, а предельное содержание 234U в разбавителе по вышеприведенной формуле равно B4=0,0115%.

Разбавитель с концентрацией 235U 1,5%, удовлетворяющий указанному требованию по 234U, нарабатывали в каскаде 8 (фиг.2) газовых центрифуг, оптимизированном на обогащение 235U, в режиме с одновременным получением гексафторида НОУ с концентрацией 3,6% (таблица 1).

Таблица 1

Получение разбавителя из природного урана в каскаде с промежуточным отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (промежуточный отбор)НОУ (основной отбор)Отвал
Количество UF6, т1005,7110,3883,91
235U, %0,7111,53,60,3
234U, %0,00540,01150,03430,00141
Работа разделения, тыс. ЕРР3,5631,8

В потоке 9 питания каскада использовали 100 т гексафторида природного урана, содержащего 0,711% 235U и 0,0054% 234U. Параметры режима ступеней каскада устанавливали исходя из заданной концентрации отвала 0,3% по 235U и отношения количества получаемого гексафторида разбавителя к количеству отбираемого гексафторида НОУ s=0,55. Данное значение выбирали на основании зависимостей содержания 234U от s для разбавителя и НОУ, представленных на фиг.6а и фиг.6б соответственно, для рассматриваемого примера, и из условия получения концентрации 234U 0,0115% в разбавителе и выполнения требований ASTM С996-04 по 234U для НОУ - не более 0,036%. Работа разделения, затраченная на получение 5,71 т гексафторида разбавителя, составила 3,56 тыс. ЕРР. Это существенно меньше, чем в аналогичной наработке разбавителя в способе-прототипе, предусматривающем получение разбавителя в каскаде 1 с одним отбором.

В таком каскаде 1 в данном случае требуемое содержание 234U в разбавителе можно получить только при использовании обедненного урана. В таблице 2 для сравнения приведены данные по наработке разбавителя в способе-прототипе из гексафторида обедненного урана с концентрацией U235 0,44%, полученного при переработке природного урана и имеющего содержание 234U 0,00262% согласно расчету по приведенной выше методике. Соотношение концентраций изотопов 234U и 235U в отвалах при питании каскада природным ураном для этого варианта показано на фиг.7.

Таблица 2

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,44% в каскаде с одним отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т48,935,7143,22
235U, %0,441,50,3
234U, %0,002620,01150,00145
Работа разделения, тыс. ЕРР6,53

Величина работы разделения, затраченной на получение 5,71 т разбавителя известным способом, в данном случае составляет 6,53 тыс. ЕЕР, а предложенным в изобретении способом составляет 3,56 тыс. ЕЕР, т.е. в 1,8 раза меньше, чем в известном способе.

Пример 2. Получение разбавителя из гексафторида обедненного урана с концентрациями 0,26% 235U и 0,00115% 234U для ВОУ с повышенным содержанием 234U Заданные концентрации изотопов в ВОУ, разбавителе и получаемом при их смешении НОУ, %: А5=90; В5=1,5; С5=5,0; А4=1,10.

Предельное содержание 234U в гексафториде НОУ с концентрацией 5,0% 235U согласно ASTM C996-04 составляет С4=0,05%. В соответствии с этим предельное содержание 234U в разбавителе равно B4=0,00676%. Гексафторид обедненного урана с заданным содержанием изотопов представляет собой отвал прошлых лет, полученный при переработке природного урана. Соотношение концентраций изотопов 234U и 235U в отвалах при питании каскада природным ураном для этого варианта показано на фиг.7. При использовании гексафторида обедненного урана с концентрациями 0,26% 235U и 0,00115% 234U для получения разбавителя в известном способе прототипе невозможно удовлетворить требования по содержанию 234U в разбавителе ни при какой малой концентрации 235U в отвале каскада.

Для выполнения указанных требований по содержанию 234U получение 2,73 т гексафторида разбавителя в каскаде 8 (фиг.2) газовых центрифуг с промежуточным потоком 10 отбора производили одновременно с получением гексафторида НОУ с концентрацией 5,0% по 235U (таблица 3).

Таблица 3

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,26% в каскаде с промежуточным отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (промежуточный отбор)НОУ (основной отбор)Отвал
Количество UF6, т1002,732,4994,78
235U, %0,261,55,00,1
234U, %0,001150,006760,02970,00024
Работа разделения, тыс. ЕРР10,543,0

Параметры режима ступеней каскада устанавливали по методикам оптимизации на обогащение 235U при заданной концентрации этого изотопа на отвале 0,1% и выбранном отношении количеств получаемых продуктов s=1,1, обеспечивающим требования по содержанию 234U. Данное значение s выбирали на основании зависимостей содержания 234U от s для разбавителя и НОУ, представленных на фиг.8а и фиг.8б соответственно, для рассматриваемого примера, и из условия получения концентрации 234U 0,00676% в разбавителе и выполнения требований ASTM C996-04 по содержанию 234U в НОУ - не более 0,036%.

Получение разбавителя для рассмотренного примера известным способом невозможно.

Пример 3. Сравнительное получение разбавителя из гексафторида обедненного урана с концентрациями 235U 0,36% и 234U 0,00192% в каскаде с промежуточным отбором или в известном каскаде с одним отбором по способу-прототипу

Заданные концентрации изотопов, %: А5=9 0; В5=1,5; С5=5,0; С4=0,05.

Гексафторид обедненного урана, поступающий в поток 2 питания каскада 1 (фиг.1) или в поток 9 питания каскада 8 (фиг.2), с заданным содержанием изотопов представляет собой отвал прошлых лет, полученный при переработке природного урана. Соотношение концентраций изотопов 234U и 235U в отвалах при питании каскада природным ураном для этого варианта показано на фиг.7.

При использовании такого гексафторида урана для получения разбавителя с концентрацией 235U 1,5% по известному способу-прототипу с концентрацией 235U в потоке 4 отвала каскада 1, составляющей 0,1%, содержание 234U в потоке отбора 3 разбавителя составит 0,00924% (таблица 4). Такой разбавитель можно использовать для переработки ВОУ с концентрацией 235U 90% в НОУ при содержании 234U в ВОУ не более 1,04%.

Таблица 4

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,36% в каскаде с одним отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т53,851043,85
235U, %0,361,50,1
234U, %0,001920,009240,00025
Работа разделения, тыс. ЕРР28,5

При обогащении такого гексафторида урана с содержанием 235U 0,36% в каскаде 8 с промежуточным потоком 10 отбора для получения разбавителя с концентрацией 235U 1,5% по способу в соответствии с настоящим изобретением с концентрацией 235U в потоке 12 отвала каскада 8, составляющей 0,1%, содержание 234U в потоке промежуточного отбора 10 разбавителя составит 0,00780%. Такой разбавитель можно использовать для переработки ВОУ в НОУ при содержании 234U в ВОУ до 1,075%.

Для выполнения указанных требований по содержанию 234U получение 10 т гексафторида разбавителя в каскаде газовых центрифуг с промежуточным отбором производили одновременно с получением гексафторида с концентрацией 4,4% по 235U (таблица 5).

Таблица 5

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,36% в каскаде с промежуточным отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (промежуточный отбор)НОУ (основной отбор)Отвал
Количество UF6, т219,231010199,23
235U, %0,361,54,40,1
234U, %0,001920,007800,02950,00024
Работа разделения, тыс. ЕРР28,5118,9

Параметры режима ступеней каскада устанавливали по методикам оптимизации каскада 8 на обогащение 235U при заданной концентрации этого изотопа на отвале 0,1% и выбранном отношении количеств получаемых продуктов s=1,0, обеспечивающим требования по содержанию 234U. Данное значение s выбирали на основании зависимостей содержания 234U от s для разбавителя и НОУ, представленных на фиг.9а и фиг.9б соответственно, для данного примера, и из условия получения концентрации 234U 0,00780% в разбавителе и выполнения - требований ASTM C996-04 по 234U для НОУ с концентрацией 4,4% по 235U.

Сравнение результатов получения 10 т разбавителя из гексафторида обедненного урана с концентрациями 235U 0,36% и 234U 0,00192% в каскаде с промежуточным отбором и в известном каскаде с одним отбором по способу-прототипу показывает, что при одинаковых затратах работы разделения (по 28,5 тыс. ЕЕР) качество полученного разбавителя в способе по настоящему изобретению выше, что позволяет использовать его для переработки ВОУ в НОУ при содержании 234U в ВОУ до 1,075%, вместо содержания 234U в ВОУ 1,04%, приемлемого для разбавителя, полученного известным способом.

Пример 4. Получение разбавителя из гексафторида обедненного урана с концентрацией 235U 0,36% и концентрацией 234U 0,00192% по схеме с дополнительным каскадом, показанной на фиг.3

Заданные концентрации изотопов, %: A5=90; В5=1,5; C5=4,4; А4=1,12; С4=0,044.

Гексафторид обедненного урана представляет собой отвал прошлых лет, полученный при переработке природного урана с концентрацией 235U 0,36% и концентрацией 234U 0,00192% (фиг.7). Содержание 234U в разбавителе в соответствии с вышеприведенной формулой (1) не должно превышать В4=0,00754%.

Для наработки разбавителя, удовлетворяющего данному требованию, сначала на первом этапе в каскаде 8 газовых центрифуг (фиг.3) получали 11 т гексафторида урана (из потока 10 промежуточного отбора), обогащенного до концентрации 1,25%, и 13,75 т гексафторида НОУ (из потока 11 основного отбора), обогащенного до концентрации 5% (таблица 6).

Параметры режима ступеней каскада устанавливали по методикам оптимизации каскада 8 на обогащение 235U при заданной концентрации этого изотопа в потоке 12 отвала 0,1% и выбранном отношении количеств получаемых продуктов s=0,8, обеспечивающим требования по концентрации 234U в потоке 10 промежуточного отбора. Данное значение s выбирали на основании зависимостей содержания 234U от s для разбавителя и НОУ, как в предыдущих примерах, и из условия получения концентрации 234U 0,00614% в потоке 10 промежуточного отбора и выполнения требований ASTM C996-04 по 234U для НОУ с концентрацией 5,0% по 235U - не более 0,05%.

Таблица 6

Получение разбавителя по схеме с дополнительным каскадом.

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,36% в каскаде с промежуточным отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (промежуточный отбор)НОУ (основной отбор)Отвал
Количество UF6, т307,791113,75283,04
235U, %0,361,255,00,1
234U, %0,001920,006140,03320,00024
Работа разделения, тыс. ЕРР23,52190,09

Полученные 11 т гексафторида урана с концентрацией 235U 1,25% использовали в качестве дополнительного потока 18 питания дополнительного каскада 17 газовых центрифуг с одним потоком 19 отбора на втором этапе работы. На основном потоке 21 питания дополнительного каскада 17 газовых центрифуг использовали 8,44 т гексафторида урана с выбранной концентрацией 235U 0,26% и концентрацией 234U 0,00115%, обеспечивающей требуемое содержание 234U в разбавителе. Параметры каскада 17 газовых центрифуг устанавливали при заданной концентрации 235U в потоке 20 отвала 0,1% по методикам оптимизации на обогащение 235U. В результате в потоке 19 отбора каскада 17 получили 10 т разбавителя с необходимым содержанием 234U и 235U.

Таблица 7

Получение разбавителя по схеме с дополнительным каскадом.

Получение разбавителя с концентрацией 235U 1,5% из обедненного урана с содержанием 235U 0,26% и разбавителя с содержанием 235U 1,25% в каскаде с одним отбором
ПараметрыОсновное питаниеДополнительное питаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т8,4411109,44
235U, %0,261,251,50,1
234U, %0,001150,006140,007520,00022
Работа разделения, тыс. ЕРР5,97

В таблице 8 для сравнения приведены данные по наработке разбавителя известным способом-прототипом. В этом случае в каскаде 1 газовых центрифуг при такой же концентрации отвала 235U 0,1% следует использовать гексафторид обедненного природного урана с содержанием 235U 0,21%, имеющий расчетную концентрацию 234U 0,000823% по вышеупомянутой методике (фиг.7).

Таблица 8

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,21% в каскаде с одним отбором
ПараметрыПитаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т127,2710117,27
235U, %0,211,50,1
234U, %0,0008230,007480,00026
Работа разделения, тыс. ЕРР45,81

Количество работы разделения, затраченной на получение 10 т разбавителя, в данном случаев составляет 45,81 тыс. ЕЕР, что в 1,6 раза больше, чем в сумме (23,52+5,97=29,49 тыс. ЕЕР) на двух этапах способа, предложенного в изобретении.

Пример 5. Получение разбавителя из гексафторидов урана с концентрациями 235U 0,711%, 235U 0,36% и 235U 0,26% по схеме смешения с отбором дополнительного каскада, показанной на фиг.4

Заданные концентрации изотопов, %: А5=90; B5=1,5; С4=4,95; А4=1,07; С4=0,0495.

Гексафториды урана с концентрациями 235U 0,36% и 235U 0,26% представляют собой отвалы прошлых лет, полученные при переработке природного урана, содержание 234U в которых соответствует отвалам обогащения природного урана (фиг.7). Гексафторид урана с концентрацией 235U 0,711% получен в каскаде газовых центрифуг обогащением обедненного урана с концентрацией 235U 0,36%.

Содержание 234U в разбавителе в соответствии с вышеприведенной формулой (1) не должно превышать В4=0,00810%.

Для наработки разбавителя, удовлетворяющего данному требованию, сначала в каскаде 8 (фиг.4) газовых центрифуг из потока 10 промежуточного отбора получили 5 т гексафторида урана, обогащенного до концентрации 1,62%, и из потока 11 основного отбора получили 5 т гексафторида НОУ, обогащенного до концентрации 4,4% (таблица 9). Параметры каскада 8 газовых центрифуг устанавливали исходя из заданных концентраций потоков питания, отборов и отвала 235U 0,1% по известным методикам оптимизации каскада 8 на обогащение 235U. Отношение количеств отборных продуктов s=1 выбирали исходя из условия получения концентрации 234U 0,00854 в потоке 10 промежуточного отбора.

Таблица 9

Получение разбавителя по схеме смешения с отбором дополнительного каскада.

Получение разбавителя из гексафторида урана с содержанием 235U 0,711% в каскаде с промежуточным отбором.
ПараметрыПитаниеРазбавитель (промежуточный отбор)НОУ (основной отбор)Отвал
Количество UF6, т47,635537,63
235U, %0,7111,624,40,1
234U, %0,004140,008540,02960,00018
Работа разделения, тыс. ЕРР7,1534,34

Полученные 5 т гексафторида урана с концентрацией 235U 1,62% в потоке 18 смешивали в пропорции 1:1 с потоком 19 отбора дополнительного каскада 17 с одним отбором с концентрацией 235U 1,38%, полученным на втором этапе работы. В основном потоке 21 питания этого дополнительного каскада 17 газовых центрифуг использовали 31,38 т гексафторида урана с концентрацией 235U 0,26% и с концентрацией 234U 0,115% и в дополнительном потоке 24 питания использовали 5,30 т гексафторида урана с концентрацией 235U 0,36% и с концентрацией 234U 0,00192%, обеспечивающих требования по содержанию 234U 0,00766% в потоке 19 отбора.

Таблица 10

Получение разбавителя по схеме смешения с отбором дополнительного каскада.

Обогащение обедненного урана с содержанием 235U 0,26% и 0,36% в каскаде с одним отбором до концентрации 235U 1,38%
ПараметрыОсновное питаниеДополнительное питаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т31,385,30531,68
235U, %0,260,361,380,1
234U, %0,001150,001920,007660,00025
Работа разделения, тыс. ЕРР16,10

Параметры дополнительного каскада 17 газовых центрифуг устанавливали исходя из заданных концентраций потоков питания, отборов и отвала 235U 0,1% по известным методикам оптимизации каскада 17 на обогащение 235U.

В результате смешения получали поток 25 разбавителя с концентрацией 235U 1,5% и концентрацией 234U 0,00810%.

В таблице 11 для сравнения приведены данные по наработке разбавителя известным способом-прототипом. В этом случае в каскаде 1 (фиг.1) газовых центрифуг при такой же концентрации отвала 235U 0,1% следует использовать гексафторид обедненного урана с содержанием 235U 0,25%, имеющим расчетную концентрацию 234U 0,00108% по вышеупомянутой методике, и гексафторид обедненного урана с содержанием 235U 0,3 6% и концентрацией 234U 0,00192%.

Таблица 11

Получение разбавителя из обедненного урана с содержанием 235U 0,25% и 235U 0,36% в каскаде с одним отбором
ПараметрыОсновное питаниеДополнительное питаниеРазбавитель (отбор)Отвал
Количество UF6, т58,66201068,66
235U, %0,250,361,50,1
234U, %0,001060,001920,008100,00030
Работа разделения, тыс. ЕРР35,60

Количество работы разделения, затраченной на получение 10 т разбавителя, в данном случаев составляет 35,60 тыс. ЕЕР, что в 1,5 раза больше, чем сумма работ разделения (7,15+16,10=23,25 тыс. ЕЕР) на двух этапах работы каскадов 8 и 17 для способа, предложенного в изобретении.

1. Способ получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана в гексафторид низкообогащенного урана, заключающийся в обогащении гексафторида урана с низким содержанием 234U и 234U, поступающего на питание каскада газовых центрифуг, до заданной концентрации 235U для разбавителя, отличающийся тем, что разбавитель получают в промежуточном отборе каскада, нарабатывающего в основном отборе гексафторид низкообогащенного урана с более высокой концентрацией 235U, чем концентрация разбавителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогащение гексафторида урана выполняют на каскаде с одной или несколькими дополнительными точками питания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наработку разбавителя производят до концентрации 235U 0,7-2,0% и подают его на один из входов дополнительного каскада с одним отбором разбавителя требуемой концентрации.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемую концентрацию разбавителя получают путем смешения отбора разбавителя с отбором дополнительного каскада с одним отбором.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на питании каскада используют отвальный продукт разделительного процесса с концентрацией 235U 0,10-0,45%, полученный при обогащении природного урана.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на питании каскада используют гексафторид природного урана.

7. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на питании каскада используют гексафторид урана с концентрацией 235U 0,46-0,95%, полученный повторным обогащением отвального продукта, полученного в разделительном процессе при обогащении природного урана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана и может быть использовано на предприятиях ядерно-топливного цикла, например на сублиматных или разделительных заводах.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу и может быть использовано в производстве топлива ядерных реакторов путем перевода высокообогащенного урана в энергетический низкообогащенный уран.

Изобретение относится к технологии получения и переработки гексафторида урана и направлено на исключение затрат тепла и потерь фтороводорода. .

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана в газовых центрифугах и может быть использовано для очистки, пассивации и восстановления проходимости трасс газовых центрифуг, работающих в среде гексафторида урана.
Изобретение относится к технологии переработки обедненного (отвального) гексафторида урана в уранилфторид. .

Изобретение относится к оборудованию для испарения гексафторида урана из твердой фазы в газообразную, из контейнеров в технологический каскад по разделению изотопов урана, и может быть использовано в атомной промышленности.

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана. .

Изобретение относится к ядерному топливному циклу и может быть использовано в производстве топлива ядерных реакторов путем переработки высокообогащенного урана, извлекаемого при демонтаже ядерных боеприпасов и имеющего повышенное содержание минорных изотопов урана.

Изобретение относится к технологии переработки смеси гексафторида урана с фторидом водорода, а именно к способу выделения гексафторида урана из его смеси с фторидом водорода.
Изобретение относится к переработке гексафторида урана и может быть использовано для извлечения гексафторида урана из баллонов различной вместимости. .

Изобретение относится к способу разделения изотопов, т.е. .
Изобретение относится к области получения радиоактивных изотопов, а более конкретно - к технологии получения радиоактивного изотопа никель-63 в реакторе из мишени. .
Изобретение относится к области разделения изотопов, а более конкретно к технологии разделения стабильных изотопов газовым центрифугированием. .

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смесей газов и изотопных смесей, в частности к конструкции агрегатов газовых центрифуг, установленных на опорных рамах, например промышленных групп газовых центрифуг заводов по разделению изотопов урана или многоагрегатных стендов по разделению стабильных изотопов.

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смесей газов и изотопных смесей, в частности к конструкции агрегатов газовых центрифуг, установленных на опорных рамах, например промышленных групп газовых центрифуг заводов по разделению изотопов урана или многоагрегатных стендов по разделению стабильных изотопов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу и может быть использовано в производстве топлива ядерных реакторов путем переработки высокообогащенного урана, извлекаемого при демонтаже ядерных боеприпасов и имеющего повышенное содержание минорных изотопов урана.

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смесей газов и изотопных смесей и, в частности, к конструкции агрегатов газовых центрифуг, установленных на опорных рамах в несколько ярусов по высоте, например, на заводах по разделению изотопов урана или на многоагрегатных стендах по разделению стабильных изотопов.

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смесей газов и изотопных смесей и, в частности, к конструкции агрегатов газовых центрифуг, установленных на опорных рамах, например, промышленных групп газовых центрифуг заводов по разделению изотопов урана или многоагрегатных стендов по разделению стабильных изотопов.

Изобретение относится к области переработки отработавшего ядерного топлива. .

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано в автоматизированной системе управления центрифужными каскадами
Наверх