способ отделения ценных компонентов, содержащихся в твердофазном продукте радиоактивных материалов, от примесей

Формула изобретения

Способ отделения ценных компонентов, содержащихся в твердофазном продукте радиоактивных материалов, от примесей, включающий растворение продукта и многоступенчатую экстракцию, отличающийся тем, что ценные компоненты и часть экстрагента поступают в многоступенчатый экстрактор в виде экстракта, полученного предварительной экстракцией ценных компонентов из растворенного продукта, водная фаза после которой возвращается на операцию растворения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для очистки ценных компонентов от примесей в процессах, на первой стадии которых проводят растворение твердой фазы с переходом ценных компонентов и примесей в водную фазу, с последующей очисткой ценных компонентов многоступенчатой экстракцией.

Экстракционный передел является важной частью технологических схем переработки твердофазного сырья, от удачного решения которого зависит успешная работа всего завода. В ряде существующих экстракционных методов переработки твердофазного сырья применяют многоступенчатые экстракторы, состоящие из двух зон: первая зона - “зона извлечения” - для перевода ценных компонентов в органическую фазу из водного раствора, полученного после растворения твердофазного продукта, и вторая зона - “зона промывки” - для достижения требуемых коэффициентов очистки от примесей с помощью промывок экстракта водными растворами. Общим для таких технологических схем является подача в последнюю ступень “зоны извлечения” экстрактора водного раствора, содержащего ценные компоненты и примеси. Поток рафината, содержащий примесные компоненты, включает в себя поток поступающего в экстрактор водного раствора и потоки промывных растворов. Следствием такой организации процесса является присутствие в рафинате компонентов примесей и компонентов промывных растворов. Сложный химический состав и значительные объемы рафинатов являются серьезными препятствиями для эффективной утилизации водно-хвостовых растворов и регенерации используемых реагентов.

Снижение технико-экономических затрат, связанных с утилизацией и регенерацией водно-хвостовых отходов, является одной из наиболее актуальных задач перерабатывающих заводов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности существенных признаков является первый цикл экстракционного способа переработки облученного ядерного топлива [1], технологическая схема которого приведена на фиг.1.

Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) растворяют в аппарате для растворения. Полученный раствор, содержащий ценные компоненты и примеси, направляют на первый цикл экстракции в последнюю ступень "зоны извлечения" экстрактора. В первую ступень "зоны извлечения" экстрактора подают оборотный экстрагент, а в "зону промывки" подают водные промывные растворы. Экстракт, содержащий уран, плутоний и нептуний, поступает на следующий цикл экстракции, где происходит разделение ценных компонентов. Рафинат первого цикла содержит остаточные концентрации ценных компонентов (урана, плутония и нептуния) и примеси, в том числе радионуклиды, являющиеся основными источниками ионизирующих излучений. Расход промывных вод поддерживают в пределах 15-30% от расхода исходного водного раствора, чтобы не увеличивать объемы высокоактивных рафинатов.

Недостатками данного способа являются:

- высокая радиационная активность рафината, обусловленная переходом в него высокоактивных продуктов деления из аппарата-растворителя;

- большой объем и сложный солевой состав рафината, усложняющий процессы регенерации реагентов и утилизации примесей.

Технической задачей изобретения является локализация и концентрирование примесей, в том числе и радиоактивных, в головной части технологической схемы переработки твердофазного продукта, снижение объемов водно-хвостовых растворов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе отделения ценных компонентов, содержащихся в твердофазном продукте радиоактивных материалов, от примесей, включающем растворение продукта и многоступенчатую экстракцию, ценные компоненты и часть экстрагента поступают в многоступенчатый экстрактор в виде экстракта, полученного предварительной экстракцией ценных компонентов из растворенного продукта, водная фаза после которой возвращается на операцию растворения.

Новизной заявляемого способа является:

1) поступление ценных компонентов в многоступенчатый экстрактор в составе органической фазы;

2) концентрирование примесей на операции растворения твердофазного продукта.

Изобретательский уровень способа состоит в подаче ценных компонентов в многоступенчатый экстрактор в виде экстракта, максимально насыщенного ценными компонентами и очищенного от примесей, и в возвращении реагентов и примесей на операцию растворения твердофазного продукта.

Способ отделения ценных компонентов, содержащихся в твердофазном продукте радиоактивных материалов, от примесей, поясняется технологической схемой (фиг.2) и примером его осуществления.

Пример.

Для осуществления предлагаемого способа в качестве твердофазного продукта рассматривается отработанное топливо атомных электростанций (АЭС). ОЯТ, изготовленное из диоксида урана, обогащенного радионуклидом ²³⁵U, растворяют в азотной кислоте в аппарате-растворителе. В аппарат-растворитель либо непрерывно, либо периодически подают ОЯТ и азотную кислоту. Концентрацию урана в растворе поддерживают в интервале от 15 до 300 г/дм³, концентрацию азотной кислоты - от 0,5 до 6 моль/дм³. Часть конденсата, образующегося в процессе растворения ОЯТ, отводят из аппарата-растворителя, например, в зону извлечения экстрактора для поддержания постоянного объема раствора в аппарате-растворителе. Из аппарата-растворителя производят отбор части раствора для циркуляции в контуре “аппарат-растворитель аппарат для извлечения ценных компонентов из водной фазы в органическую (“А1”) аппарат - растворитель”. В аппарат “А 1” направляют также часть оборотного экстрагента (от 50 до 90%) для извлечения ценных компонентов в органическую фазу. Величину расхода циркуляционного потока водной фазы устанавливают такой, чтобы обеспечить соотношение потоков органической и водной фаз в диапазоне от 0,1 до 1. В аппарате “А 1” происходит максимальное насыщение экстрагента ураном, близкое к теоретическому, обеспечивающее достижение максимальных коэффициентов очистки от примесей [2]. В случае использования в качестве экстрагента раствора трибутилфосфата (ТБФ) с объемной долей 30% в предельных углеводородах концентрация урана в экстракте составляет примерно 120 г/дм³. Максимальное насыщение органической фазы ураном достигается за счет регулирования соотношения потоков фаз и концентраций урана и азотной кислоты в растворе.

Аппарат “А 1” представляет собой экстрактор пленочного типа без диспергирующих устройств или одну или несколько экстракционных ступеней любой конструкции.

Полученный экстракт направляют в одну из ступеней многоступенчатого экстрактора, например в девятую. При такой организации процесса места ввода и расходы промывных растворов остаются без изменения. Оставшуюся часть оборотного экстрагента (от 10 до 50%) направляют в первую ступень многоступенчатого экстрактора для извлечения ценных компонентов из промывных растворов.

Сравнительные характеристики прототипа и заявляемого способа представлены в таблице. Данные приведены из расчета внесения минимальных изменений в существующую технологическую схему переработки ОЯТ, а именно:

- экстракт из аппарата “А 1” поступает в последнюю ступень “зоны извлечения” экстрактора;

- в аппарат “А 1” направляют 80% оборотного экстрагента, а 20% - в первую ступень многоступенчатого экстрактора;

- величины потоков и места введения промывных растворов в многоступенчатом экстракторе не меняются;

- ОЯТ и азотную кислоту вводят в аппарат-растворитель периодически;

- количество циклов растворения перед выдачей концентрата примесных элементов на дальнейшую переработку выбрано равным десяти. Критерием окончания одного цикла и начала следующей загрузки ОЯТ в аппарат-растворитель служит снижение массовой концентрации урана в аппарате-растворителе до 15-50 г/дм³. После растворения десятой порции ОЯТ продолжают извлечение ценных компонентов до целесообразных значений, например до 3 г/дм³ (безвозвратные потери урана при этом составляют 0,1% по отношению к урану, содержащемуся в десяти порциях раствора с концентрацией урана 300 г/дм³ [1, 2]). После десятого цикла водный концентрат из аппарата “А 1” направляют на переделы по извлечению радионуклидов и утилизации.

Таблица
Показатель	Прототип	Заявляемый способ
1 Объем рафината, %	100	60 [1,2]
2 Радиационная активность рафината, %	100	< 0,0005 [2]
3 Объем высокоактивных отходов, %	100	6
4 Концентрация радионуклидов в растворе, поступающем на переделы по извлечению радионуклидов или утилизацию, %	100	1600
5 Расход азотной кислоты на операцию растворения	100	50

Результаты, представленные в таблице, свидетельствуют о несомненных преимуществах заявляемого способа:

- в отличие от прототипа, характеризующегося образованием высокоактивных рафинатов сложного солевого состава, в заявляемом способе рафинаты становятся среднеактивными;

- в заявляемом способе рафинаты содержат только азотную кислоту и следовые количества ценных компонентов и примесей, что существенно упрощает технологию обращения с ними.

Технический результат заключается в локализации и концентрировании примесей, в том числе и радиоактивных, в головной части технологической схемы переработки ОЯТ, снижении объемов водно-хвостовых растворов, что приводит к снижению технико-экономических затрат, связанных с утилизацией и регенерацией водно-хвостовых отходов.

Литература

1. Громов Б.В., Савельева В.И., Шевченко В.Б. Химическая технология облученного ядерного топлива. М.: Энергоатомиздат, 1983, с.160 (прототип).

2. Розен А.М. Экстракция радионуклидов как раздел радиохимии и радиохимической технологии. Российский химический журнал, 1996, т. 40, №6, с.42-52.