способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения

Классы МПК:C01G43/06 фториды 
G21F9/00 Обработка материалов с радиоактивным заражением; устройства для устранения радиоактивного заражения таких материалов
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-01-24
публикация патента:

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов, а именно к способам очистки гексафторида урана от фторидов рутения, и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов. Способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения включает взаимодействие газообразного гексафторида урана с сорбентом, причем в качестве сорбента используют пористые гранулы из спеченного металлического порошка никеля или никеля, содержащего до 10 мас.% меди. Изобретение обеспечивает эффективную очистку гексафторида урана от фторидов рутения при невысоких температурах, безопасность и простоту в технологическом отношении, а также позволяет использовать сорбент повторно после его регенерации. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

Формула изобретения

1. Способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, включающий взаимодействие газообразного гексафторида урана с сорбентом, отличающийся тем, что гексафторид урана пропускают через пористые гранулы из спеченного металлического порошка никеля или никеля, содержащего до 10 мас.% меди.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют гранулы из спеченного металлического порошка, которые представляют собой пластинки или отрезки лент толщиной (0,05-0,15)·10-3 м, размер пор в которых равен (0,5-5,0)·10-6 м.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве гранул используют лом пористых фильтрующих насадок от машин диффузионного обогащения урана.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что взаимодействие газообразного гексафторида урана с гранулами осуществляют при температуре 22-25°С и давлении (3,9-40,0)·103 Па в течение 10-150 с при плотности засыпки гранул сорбента (0,28-0,70) кг/дм3.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы после загрузки в адсорбер обрабатывают фтором или неорганическими фторокислителями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов, а именно к способам очистки гексафторида урана (ГФУ) от фторидов рутения, и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.

Сырьевой урановый регенерат содержит остаточное количество нуклидов, образовавшихся в результате ядерных превращений: трансурановые элементы (нептуний, плутоний), продукты деления (рутений, церий, сурьма и др.), технеций. Временная выдержка, повторная радиохимическая очистка и конверсия регенерированного урана в гексафторид позволяют понизить содержание части радиационно опасных примесей до незначимого уровня.

Но и после упомянутых операций гексафторид регенерированного урана остается заметно загрязненным остаточным количеством фторидов рутения (106RuF5, 106RuF 6), что связано с многовалентностью этого элемента.

Известен способ очистки гексафторида урана от примесей в виде фторидов на гранулированных (таблетированных) сорбентах - фторидах натрия, кальция, магния и лития (Химическая технология облученного ядерного горючего. Под ред. В.Б.Шевченко. - М.: Атомиздат, 1971, с.338). Процесс осуществляют при температуре 100-500°С. В способе указывается на возможность образования при повышенной температуре легкоплавких комплексных соединений, которые забивают поры гранулированных сорбентов и препятствуют полному использованию их сорбционной емкости.

Известна очистка газообразного гексафторида урана от примесей, в том числе от RuF5 , на сорбенте СаСО3 (Патент US № 4364906, C01G 43/06, опубл. 1982). Очистку также осуществляют при высоких температурах 150-600°С.

Использование гранулированного фторида бария, избирательно поглощающего примесные фториды и обеспечивающего достижение коэффициента очистки от 3,2 до 6,9, описано в (Шаталов В.В. и др. Газофторидная технология переработки отработавшего оксидного топлива. - Атомная энергия, 2001, т.90, вып.3, с.215). Здесь же показано, что применение гранулированного NaF при 400°С снижает содержание продуктов деления в 4,6 раза. Однако при повышенной температуре наряду с основным процессом сорбции на фториде натрия примесей происходит реакция термического разложения гексафторида урана.

Общим недостатком указанных способов является высокая температура процесса.

Известен способ очистки гексафторида урана от соединений рутения при комнатной температуре (Патент RU № 2068287, МПК A62D 1/00, опубл. 27.10.1996). Способ включает контактирование газообразного гексафторида урана, содержащего фториды рутения, при давлении 56,6 мм рт.ст. и температуре 24,72°С с неорганическим сорбентом - фторидом трехвалентного железа (FeF 3). Способ обеспечивает извлечение на сорбенте 106 RuF5 из потока гексафторида регенерированного урана на 36-37 мас.% при высоте слоя сорбента около 0,40 м и времени контакта около 10 секунд. При высоте слоя трифторида железа 1,10 м и времени контакта 20 с извлечение соединений рутения составило 73,2%. Этот способ выбран за прототип.

Порошок фторида трехвалентного железа плохо поддается компактированию. Для повышения прочности таблеток из FeF3 в исходный порошок добавляют пластификаторы, выбор которых ограничен из-за необходимости химической инертности к среде ГФУ. Гранулы фторида трехвалентного железа неудобны в использовании - хрупкие, разрушаются при загрузке в адсорбер, пылят.

Задача изобретения - расширение арсенала способов эффективной очистки гексафторида урана от фторидов рутения при невысоких температурах.

Поставленная задача достигается тем, что в способе очистки гексафторида урана от фторидов рутения, включающем взаимодействие газообразного гексафторида урана с сорбентом, гексафторид урана пропускают через пористые гранулы из спеченного металлического порошка никеля или никеля, содержащего до 10 мас.% меди.

Используют гранулы из спеченного металлического порошка, которые представляют собой пластинки или отрезки лент толщиной (0,05-0,15)×10 -3 м, размер пор в которых равен (0,5-5,0)×10 -6 м.

В качестве гранул используют лом пористых фильтрующих насадок от машин диффузионного обогащения урана.

Взаимодействие газообразного гексафторида урана с гранулами осуществляют при температуре 22-25°С и давлении (3,9-40,0)×103 Па в течение 10-150 секунд при плотности засыпки гранул (0,28-0,70) кг/дм3.

Гранулы после загрузки в адсорбер обрабатывают (пассивируют) фтором или неорганическими фторокислителями.

Предлагаемый способ основан на способности поверхности металлического никеля и пленки фторида никеля на поверхности металлического никеля активно связывать летучие фториды рутения из газовой фазы гексафторида сырьевого уранового регенерата. Пленка фторида никеля на поверхности металлического никеля образуется при пассивации поверхности никеля перед контактом со средой гексафторида урана.

Поглотитель представляет собой гранулы в виде пластинок или кусков (отрезков, фрагментов) лент, утрамбованных в фильтре-адсорбере до заданной величины плотности засыпки. Ленты или пластинки изготовлены из спеченного порошка металлического никеля, никель может быть легирован медью (содержание меди до 10 мас.%), размер исходных частиц порошка (0,1-10)×10-6 м. Ленты или пластинки имеют толщину (0,05-0,15)×10-3 м и размер пор (0,5-5,0)×10-6 м. Поры являются сквозными. Поглощение примесей сорбентом происходит при пропускании через поры сорбента (по сути, фильтрующего материала) очищаемой среды (ГФУ). Площадь поверхности спеченного металлического порошка составляет 1,3-1,4 м2/г.

Способ изготовления фильтрующего материала для высокоэффективной очистки технологических сред, имеющего подобные толщину и поры, через которые фильтруют очищаемую среду и которые поглощают примеси, включает формирование подложки из порошка никеля, спекание, заполнение пор подложки ультрадисперсным порошком никеля, подпрессовку и последующее припекание ультрадисперсного порошка к подложке, при этом в грубопористом слое подложки создается селективный тонкопористый слой. Технология изготовления подобного фильтрующего материала (поглотителя микропримесей) описана, например, в патенте RU № 2055694, МПК B22F 3/10, опубл. 10.03.1996.

Наиболее целесообразно для достижения цели заявленного изобретения использовать в качестве вышеописанных гранул лом пористых фильтрующих насадок от машин диффузионного обогащения урана. Упомянутые пористые фильтрующие насадки изготовлены из лент толщиной (0,05-0,15)×10 -3 м из спеченного порошка металлического никеля; никель может быть частично легирован медью (до 10 мас.%). Эквивалентный диаметр пор в спеченном порошке никеля составляет (0,5-5,0)×10 -6 м. Ленты в насадках свернуты в рукава. Лом представляет собой куски (фрагменты, отрезки) лент, которые получают нарезанием насадок. Куски лент утрамбовывают в адсорбере для достижения необходимой плотности засыпки сорбента (0,28-0,70) кг/дм 3.

Толщина ленты и размер пор в ней, с одной стороны, наиболее благоприятны для диффузии ГФУ в пористую структуру ленты и адсорбции в ней фторидов рутения, а с другой, обеспечивают механическую прочность гранул (фрагментов лент).

Перед применением засыпку адсорбера обрабатывают фтором или неорганическими фторокислителями, например трифторидом хлора или гептафторидом йода, путем контактирования гранул с фторсодержащей средой в течение 15-60 минут.

Ниже приведены примеры осуществления способа.

Пример 1.

Газовую фазу гексафторида урана, содержащую фториды рутения в количестве 1,94×10 2 БкRu-106/гU, пропускали при давлении 3,9×10 3 Па и температуре 23,0°С через две последовательно соединенные адсорбционные колонки, заполненные гранулами из пористого металлического никеля. Гранулы представляют собой лом фильтрующих пористых насадок от машин диффузионного обогащения урана в виде фрагментов лент, из которых изготовлены насадки, фрагменты имеют длину (40-80)×10-3 м. Ленты имеют размер пор (0,5-5,0)×10-6 м, толщина лент (0,05-0,15)×10 -3 м. Суммарный объем засыпки лома - 40 дм3, масса лома - 11,4 кг, плотность засыпки лома - 0,285 кг/дм 3, высота слоя лома насадки в каждой колонке - 0,50 м. Время контакта ГФУ с сорбентом ~10 секунд.

В ходе эксперимента отбирались пробы гексафторида урана «до» и «после» адсорбционных колонок для определения содержания радионуклидов, в том числе рутения-106. Измерение содержания способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -излучающих нуклидов в пробах проводили способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -спектрометром. По результатам анализа проб эффективность очистки гексафторида урана от нуклида Ru-106 (количество нуклида Ru-106, задержанное сорбентом, относительно первоначального содержания нуклида рутения в очищаемой среде, выраженное в процентах) составила 24,9%.

Пример 2.

Очистку гексафторида урана от нуклида Ru-106 проводили по условиям примера 1, только время контакта ГФУ с ломом насадок было увеличено до 25 секунд. Эффективность очистки гексафторида урана от Ru-106 составила 47,6%.

Пример 3.

Гексафторид урана с содержанием фторидов рутения в количестве 0,65×10 2 БкRu-106/гU при давлении 40,0×103 Па и температуре 24,0°С пропускали через две последовательно соединенные адсорбционные колонки, заполненные ломом насадок от машин диффузионного обогащения урана, нарезанным на фрагменты длиной (5-8)×10-3 м. Суммарный объем лома - 40 дм3, масса лома - 24,8 кг, плотность засыпки лома - 0,62 кг/дм3, высота слоя лома в каждом адсорбере ~0,50 м. Время контакта ГФУ с сорбентом в эксперименте ~30 секунд. По результатам анализа проб гексафторида урана «до» и «после» адсорбционного узла эффективность очистки ГФУ от нуклида Ru-106 составила 75,2%.

Пример 4.

Гексафторид урана, находящийся в твердом состоянии в исходной технологической емкости с равновесным давлением паров над твердой поверхностью (10,7-12,0)×103 Па, очищали от нуклида Ru-106 путем переконденсации в пустую (приемную) технологическую емкость через адсорбер, заполненный ломом фильтрующих насадок от машин диффузионного обогащения урана в виде лент, нарезанных на фрагменты длиной (20-40)×10-3 м. Приемная емкость была заморожена до температуры жидкого азота. Суммарный объем лома - 11,5 дм3, масса лома - 7,9 кг, плотность засыпки лома - 0,69 кг/дм3, высота слоя лома в адсорбере ~0,30 м.

Наличие нуклидов рутения в гексафториде урана определяли обмером технологических емкостей переносным гамма-спектрометром. Измерения гамма-излучения производили в энергетическом диапазоне от 50 до 1500 кэВ.

Условия переконденсации: давление (10,7-12,0)×103 Па; температура - 22,0°С, время контакта ГФУ с сорбентом ~130 секунд.

Коэффициент очистки гексафторида урана от фторидов рутения определяли как отношение двух величин: первая величина - это отношение интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -излучения Ru-106 (энергия пика 621,7 кэВ) к интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -излучения U-235 (энергия пика 185,6 кэВ) от исходной емкости, а вторая величина - отношение интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -излучения Ru-106 к интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -излучения U-235 от приемной технологической емкости. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1
Нуклид Интенсивность способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -квантов, имп./с
Технологическая емкость
ИсходнаяПриемная
Рутений-106 12,3 (низ)

13,9 (середина)

среднее 13,1
5,14 (низ)

6,69 (середина)

среднее 5,92
Уран-235 71,0 (низ)

141,0 (середина)

среднее 106,0
88,7 (низ)

125,0 (середина)

среднее 106,9
Отношение интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -квантов Ru-106/U-235, среднее 13,1:106,0=0,124 5,92:106,9=0,055
Коэффициент очистки 0,124:0,055=2,25
Эффективность очистки (0,124-0,055):0,124×100%=55,6%

После переконденсации из адсорбера была отобрана проба лома. Удельная активность изначально «чистого» сорбента после контакта с ГФУ составила 5,67×103 БкRu-106/кгNi (или 2,09×10-6 мкгRu-106/кгNi).

Пример 5.

Условия проведения опыта соответствовали примеру 4. Время контакта ГФУ с сорбентом ~150 секунд; температура переконденсации ГФУ - 25,0°С; объем лома насадки в адсорбере - 25,4дм3; масса лома насадки - 17,5 кг; плотность засыпки лома насадки - 0,7 кг/дм3 ; высота слоя лома в адсорбере ~0,70 м.

Было переконденсировано 13,6 кг ГФУ. Эффективность очистки гексафторида урана от фторидов рутения определялась аналогично примеру 4. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2
Нуклид Интенсивность способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -квантов, имп./с
Технологическая емкость
ИсходнаяПриемная
Рутений-106 12,3 (низ)

13,9 (середина)

среднее 13,1
2,23 (низ)

2,78 (середина)

среднее 2,51
Уран-235 71,0 (низ)

141,0 (середина)

среднее 106,0
91,2 (низ)

125,4 (середина)

среднее 108,3
Отношение интенсивности способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения, патент № 2479490 -квантов Ru-106/U-235, среднее 0,1240,023
Коэффициент очистки 0,124:0,023=5,39
Эффективность очистки (0,124-0,023):0,124×100%=81,5%

Таким образом, предложенный сорбент в виде пористого металлического никеля (лент из лома фильтрующих пористых насадок от машин диффузионного обогащения урана) позволяет очистить гексафторид урана от микропримесей нуклида рутения-106 в форме его фторидов. Сорбент не обладает пылящими свойствами, а также поддается жидкостной регенерации для повторного использования.

Экономически важно то, что фильтрующие насадки от машин диффузионного обогащения урана выведены из эксплуатации, находятся в складском хранении и не требуют больших затрат для использования в технологии очистки гексафторида урана от радиоактивных микропримесей.

Способ прост и безопасен в технологическом отношении, не требует сложного аппаратурного оформления.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2479490

patent-2479490.pdf

Класс C01G43/06 фториды 

способ переработки гексафторида урана -  патент 2489357 (10.08.2013)
способ получения тетрафторида урана -  патент 2484020 (10.06.2013)
способ получения разбавителя для переработки оружейного высокообогащенного урана в низкообогащенный уран -  патент 2479489 (20.04.2013)
способ очистки гексафторида урана -  патент 2472710 (20.01.2013)
аппарат для гидролиза гексафторида урана -  патент 2465208 (27.10.2012)
способ получения тетрафторида урана -  патент 2456243 (20.07.2012)
способ получения гексафторида урана и реактор для осуществления способа -  патент 2456242 (20.07.2012)
способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран -  патент 2444475 (10.03.2012)
способ извлечения урана из сорбента фторида натрия -  патент 2422366 (27.06.2011)
сорбент на основе уранилфторида и способ его получения -  патент 2422199 (27.06.2011)

Класс G21F9/00 Обработка материалов с радиоактивным заражением; устройства для устранения радиоактивного заражения таких материалов

состав для отверждения жидких радиоактивных отходов -  патент 2529496 (27.09.2014)
способ подготовки карбидного оят к экстракционной переработке (варианты) -  патент 2529185 (27.09.2014)
способ переработки маслосодержащих жидких радиоактивных отходов -  патент 2528433 (20.09.2014)
нейтронно-активационный способ контроля выгорания отвс реакторов на тепловых нейтронах и устройство для его реализации -  патент 2527489 (10.09.2014)
композиция для долговременного хранения трансурановых элементов -  патент 2524930 (10.08.2014)
способ извлечения радионуклидов из водных растворов -  патент 2524497 (27.07.2014)
способ извлечения радионуклидов цезия из водных растворов -  патент 2523823 (27.07.2014)
алюмоборосиликатное стекло для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов и способ обработки радиоактивных жидких эфлюентов -  патент 2523715 (20.07.2014)
устройство для очистки радиоактивной парогазовой смеси при аварийном выбросе водо-водяного ядерного реактора -  патент 2523436 (20.07.2014)
способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком -  патент 2522905 (20.07.2014)
Наверх