способ фторирования оксидов актинидных элементов до гексафторидов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ фторирования оксидов актинидных элементов до гексафторидов, характеризующийся тем, что он включает расплавление оксидов актинидных элементов во фтористых солях, бабротирование расплава газообразным фторирующим агентом и окислителем с последующим удалением газообразных гексафторидов из зоны реакции при постоянной циркуляции расплава из зоны обработки в зону расплавления, при этом процесс фторирования осуществляют в пеножидкостном слое, а в качестве фторирующего агента используют четырехфтористый углерод в смеси с кислородом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление актинидных элементов в виде гексафторидов в газовую фазу из расплава фтористых солей в зоне их обработки реакционными газами может быть частичным или полным.

3. Устройство фторирования оксидов актинидных элементов до гексафторидов, характеризующееся тем, что оно содержит узел загрузки фтористых солей и оксидов актинидных элементов, реактор для расплавления оксидов в расплаве фтористых солей и реактор для обработки полученного расплава газами, устройства ввода газов, отбойник жидкой фазы, при этом реактор для расплавления и реактор для обработки расплава размещены в едином корпусе с разделением их перегородкой по принципу сообщающихся сосудов.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к неорганической химии, в частности к способам получения соединений актинидных элементов, и может быть использовано в атомной промышленности при переработке облученного ядерного топлива, а также в технологии разделения изотопов.

Известны способы фторирования оксидов актинидных элементов путем использования элементарного фтора (см. Б.В.Громов, Б.Н.Судариков, Э.Г Раков и др. Химическая технология облученного ядерного горючего, Атомиздат, М., 1971 г., стр.324-330), при осуществлении которых прямое фторирование оксидов актинидных элементов проводят в реакторах с кипящим слоем инертных теплопроводных частиц, чаще всего оксида алюминия. Недостатками известных способов является то, что, применяя их, трудно обеспечить режим устойчивой работы из-за образования оксифторида урана (UO ₂F₂) и тетрафторида урана (UF₄). Кроме того, продукты фторирования актинидных элементов склонны к адсорбции на инертных теплопроводных частицах, что также снижает эффективность процесса фторирования. Использование инертных теплопроводных частиц усложняет процесс утилизации отходов и, в определенной мере, увеличивает объем отходов, подлежащих к захоронению. Проведение процесса в аппаратах кипящего слоя требует довольно тонкого дробления исходного сырья при строгом контроле тонины дробления.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленного способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ фторирования оксидов актинидных элементов, в котором процесс производят в расплаве фтористых солей (см. Б.В.Громов, Б.Н.Судариков, Э.Г Раков и др. Химическая технология облученного ядерного горючего, Атомиздат, М., 1971 г., стр.313-324), который был выбран заявителем как прототип. Процесс проводят при барботировании расплава фторирующими агентами, причем с целью снижения расхода элементарного фтора актинидные элементы переводят сначала в оксифториды или тетрафториды обработкой фтористым водородом в отдельном аппарате, а затем в другом аппарате элементарным фтором, который служит как в качестве фторирующего агента, так и в качестве окислителя.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ имеет сложную технологическую схему. В свою очередь сложность технологической схемы определена необходимостью использования двух барботажных процессов с разными фторирующими агентами и, соответственно, газоочистных систем. Кроме того, при осуществлении барботажного процесса наблюдаются сравнительно низкие скорости химических реакций фторирования, а элементарный фтор (фторирующий агент) имеет высокую стоимость, обладает высокой агрессивностью и экологической опасностью.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений по совокупности признаков является устройство для фторирования оксидов актинидных элементов, включающее двухкорпусной агрегат, один из корпусов которого предназначен для приготовления расплава оксидов актинидных элементов и низших фторидов актинидных элементов в расплаве фтористых солей при обработке исходных соединений актинидных элементов фтористым водородом с последующим фторированием из полученного расплава актинидов при воздействии на расплав элементарного фтора во втором корпусе (см. Б.В.Громов, Б.Н.Судариков, Э.Г Раков и др. Химическая технология облученного ядерного горючего, Атомиздат, М., 1971 г., стр.316, принято за прототип).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известное устройство не обеспечивает необходимой производительности процесса. Это обусловлено тем, что первый корпус имеет в верхней части устройство ввода фтористых солей и соединений актинидных элементов для последующего их расплавления и обработки газообразным фтористым водородом в реакционной зоне. В нижней части реакционной зоны имеются устройства для ввода фтористого водорода в качестве газообразного фторирующего реагента и вывода расплава фторидов актинидных компонентов во фтористых солях во второй корпус. В верхней части выполнен газоход для отвода газов. Второй корпус содержит камеру фторирования, в нижнюю часть которой поступает расплав фторидов актинидных элементов во фтористых солях из первого корпуса; устройство для подачи в нижнюю часть камеры фторирования элементарного фтора; устройство вывода расплава фтористых солей с верхнего уровня расплава камеры фторирования, газоход для отвода газообразных продуктов.

Целью настоящего изобретения является осуществить фторирование оксидов актинидных элементов более технологичными способами.

Единый технический результат для данной группы изобретений - повышение скорости фторирования и исключение элементарного фтора из технологического процесса.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту способ достигается тем, что в известном способе, включающем расплавление оксидов актинидных элементов во фтористых солях при барботировании расплава газообразными фторированными агентами, обработку расплава окислителями и последующее удаление газообразных гексафторидов из зоны реакции, согласно изобретению обработку расплава окислителями проводят дополнительно с использованием четырехфтористого углерода при постоянной циркуляции расплава из зоны обработки в зону расплавления.

Учитывая специфические условия эксплуатации, удаление актинидных элементов в виде гексафторидов в газовую фазу из расплава фтористых солей в зоне их обработки реакционными газами может быть частичным или полным.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту устройство достигается тем, что в известном устройстве для фторирования актинидных элементов, содержащем узел загрузки фтористых солей и соединений актинидных элементов, реакторы для расплавления и для обработки расплава актинидных элементов, а также устройства для ввода газов и вывода отработанных газов (газоход), согласно изобретению реактор для расплавления и реактор для обработки расплава размещены в едином корпусе с разделением их перегородкой по принципу сообщающихся сосудов по жидкой фазе.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий и поиск по патентным научно - техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта - способа, так и для объекта - устройства, позволил установить, что заявителем не было обнаружено аналогов как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений.

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений критерию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений по имеющимся у него источникам информации и не выявил признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений.

Использование четырехфтористого углерода резко снижает коррозионную агрессивность и повышает экологическую безопасность процесса. Совмещение процессов растворения и фторирования до гексафторидов за одну стадию в одном аппарате существенно упрощает технологическую схему, исключает необходимость двух независимых систем газоудаления и, соответственно, газоочистки. Проведение процесса фторирования в пеножидкостном слое существенно увеличивает скорости химических реакций и полноту отгонки гексафторидов ввиду значительного увеличения поверхности взаимодействия в системе газ-жидкость. В едином корпусе объединены операции расплавления и обработки газовыми фторирующими агентами с организацией двух потоков расплава (восходящего и нисходящего). Восходящий поток организуется за счет интенсивного барботажа расплава (вплоть до образования пенно-жидкостного слоя) газовыми фторирующими агентами, а нисходящий поток циркулирующим расплавом фтористых солей через перегородку, разделяющую восходящий и нисходящий потоки. Расплавление актинидных соединений проводится в нисходящем потоке, а фторирование в восходящем потоке. При этом возможно проведение процесса отгонки гексафторидов в восходящем потоке как полностью, так и частично с поддержанием высоких концентраций фторируемых форм актинидных элементов во всем объеме фторирующего пространства за счет возможного возвращения расплава в зону обработки фторирующими газами. При этом за счет поддержания сравнительно высокой концентрации фторидов актинидных элементов во всем объеме фторирующего пространства поддерживается оптимальная скорость реакций образования гексафторидов и максимальная концентрация гексафторидов актинидных элементов в отходящих газах при оптимальном расходе фторирующих газов.

В качестве фторирующего газа используют четырехфтористый углерод, а в качестве окислительного газа - кислород. При этом на примере оксидов урана протекают реакции:

2UO₂+3CF₄+О ₂ 2UF₆+3СО₂

2U₃ O₈+9CF₄+O₂ 6UF₆+9СО₂

2UF ₄+CF₄+О₂ 2UF₆+CO₂

2UO₂ +CF₄+O₂ 2UO₂F₂+СО₂

UO₂F₂+CF₄ UF₆+CO₂

2UO₂ +CF₂=2UO₃

2UO₃ +3CF₄=2UF₆+3CO₂

Использование в качестве фторирующего агента четырехфтористого углерода, а в качестве окислителя кислорода снижает коррозионную и экологическую агрессивность реакционной среды. Проведение процесса фторирования в пеножидкостном слое и совмещение процесса фторирования и плавления исходного сырья для получения гексафторидов актинидных элементов в расплаве циркулирующих фтористых солей позволяет не только повысить эффективность и производительность процесса, но и снизить энергетические затраты. В предлагаемом способе и устройстве организован лишь один поток отходящих газов, легко поддающийся переработке. Кроме того, фторированные углеводороды в предлагаемом способе регенерируются при последующих операциях превращения гексафторидов актинидных элементов в оксиды при обработке их углеродом по реакции:

2UF₆+3С+2O ₂=2UO₂+3CF₄

ПРИМЕР

50 кг порошкообразного диоксида урана дозировали в циркулирующий расплав эквимолярной смеси фторидов натрия и циркония со скоростью 8 кг/ч. Одновременно через фурмы подавали смесь газообразных четырехфтористого углерода и кислорода при молярном соотношении 3:1 с расходом 7 нм³/ч. В течение эксперимента поддерживали температуру реакционной смеси 600°С. Газовую фазу направляли сначала в вихревой скруббер-холодильник, а затем в сорбционную колонну с порошкообразным фторидом натрия. В результате получили 65 кг гексафторида урана, слитого из скруббера и 0,1 кг в виде привеса к сорбенту. Остаточное количество урана в расплаве фтористых солей составило менее 1·10^-4 %. Газовая фаза после сорбционной очистки дополнительно очищалась от углекислоты и после корректирования состава использовалась для дальнейшего фторирования.

Предлагаемое устройство для фторирования актинидных элементов иллюстрируется чертежом.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на два сообщающихся сосуда с образованием нисходящего 3 и восходящего 4 потока циркулирующего расплава фтористых солей. Восходящий поток расплава фтористых солей образуется за счет подачи в нижнюю его часть через фурмы 5 газообразных фторирующих агентов. Организация барботажа обеспечивает подъем газожидкостного потока, разделение его на газовый и жидкостной потоки в расширителе 6 (газоотделительная камера). Жидкостной поток переливается через верхнюю часть перегородки 2 в нисходящий поток 3 и далее по перетоку 7 в подфурменное пространство 8 с организацией циркуляции. Газовый поток отделяется от газового пространства загрузочной зоны и удаляется в газоход 10. Подачу исходных актинидных соединений проводят в зону нисходящего потока через штуцер 11. Удаление отработанного расплава фтористых солей проводят через штуцер 12. Стабилизацию температурного процесса проводят с помощью нагревателя 13. Для исключения попадания газовой фазы в загрузочную зону устройство имеет перегородку 9, погруженную в нижней части в расплав.

Работа устройства для фторирования актинидных элементов осуществляется следующим образом. Расплав фтористых солей заливают в нагретый аппарат в зону загрузки через штуцер 11 до расчетного уровня при поддержании рабочей температуры нагревателем 13 и продувают его через фурмы 5 в период запуска газообразным кислородом (или сжатым воздухом) до достижения устойчивой циркуляции расплава вокруг перегородки 2. После достижения устойчивой циркуляции расплава в нисходящую зону через штуцер 11 подают с расчетной скоростью оксиды актинидов и одновременно в нижнюю часть восходящего канала через фурмы 5 фторирующие газы.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, так как один из заявленных объектов группы - устройство предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа фторирования оксидов актинидных элементов.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявленной группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленный способ и устройство для его осуществления при его применении, предназначено для использования в промышленности, а именно в атомной промышленности при переработке облученного ядерного топлива, а также в технологии разделения изотопов.

- для заявленной группы изобретений в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно: повысить скорость фторирования и исключить элементарный фтор из технологического процесса, что упрощает схему и делает способ получения гексафторидов актинидных элементов более технологичным и экономичным.