способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком

Классы МПК:G21C19/48 безводные способы 
G21F9/04 обработка жидких радиоактивных отходов
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-11-26
публикация патента:

Изобретение относится к области создания пирохимических технологий переработки облученного ядерного топлива, а именно к способу извлечения редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком. Предлагаемый способ включает погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления. При этом окисление редкоземельных элементов осуществляют в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используют ионы цинка из расплава. Способ обеспечивает большой выход по массе среди продуктов деления. 2 табл., 2 пр.

Формула изобретения

Способ извлечения редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком, включающий погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления, отличающийся тем, что окисление редкоземельных элементов осуществляют в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используют ионы цинка из расплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания пирохимических технологий переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ).

В качестве рабочих сред для пирохимической переработки ОЯТ наиболее перспективно использование расплавленных смесей хлористых солей. В основе процессов переработки лежит селекция компонентов ОЯТ в системе «солевой расплав - металл». В качестве металлов целесообразно применять легкоплавкие, например цинк. Распределение компонентов между жидкими солевыми и металлическими фазами можно осуществлять электролизом, либо обменными окислительно-восстановительными процессами. Бестоковые методы значительно проще в технологическом плане. Одной из важных операций при организации технологических схем является извлечение редкоземельных продуктов деления, имеющих большой выход по массе в ОЯТ и высокую суммарную радиоактивность, из жидких сплавов с цинком. На создание такого способа, отличающегося эффективностью и простотой, направлено предлагаемое изобретение.

Анализ уровня техники в данной области свидетельствует о том, что наиболее близким к заявляемому способу является способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком, включающий погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в солевой расплав путем окисления (А.В. Ковалевский, В.А. Лебедев и

И.Ф. Ничков "Анодное растворение сплавов иттрия и редкоземельных металлов с цинком в расплавленной смеси хлоридов калия и лития", в кн.: Физическая химия и электрохимия солевых расплавов. Сб. трудов УПИ им. СМ. Кирова, № 220, 1973, с.73-76). Извлечение иттрия и редкоземельных металлов (РЗМ) из цинковых сплавов за счет их окисления электрическим током осуществлялось при 500, 600 и 700°С в инертной среде при плотностях тока 0.010-0.015 А/см2 в расплаве KaCl-LiCl.

Основными недостатками этого способа являются: необходимость использования в качестве катода газодиффузионного электрода, омываемового химически агрессивным газом - хлором; сложность управления электрохимическим процессом при создании оптимальных режимов растворения; частичное растворение цинка совместно с РЗМ. Данные факторы приводят к удорожанию и усложнению всей технологии извлечения редкоземельных элементов из облученного ядерного топлива.

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного и простого в технологическом оформлении бестокового способа извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком, имеющего большой выход по массе среди продуктов деления.

Указанная задача решается тем, что извлечение редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком, включающее погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления, осуществляется в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используются ионы цинка из расплава.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что редкоземельные металлы могут быть извлечены из жидкометаллических сплавов с цинком в солевую фазу ZnCl2 в результате обменных реакций непосредственно с ионами цинка, содержащимися в расплаве ZnCl2,

способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов   с цинком, патент № 2522905

Для успешного извлечения РЗМ из жидких сплавов на основе цинка, контактирование солевой и металлической фаз необходимо проводить при температурах от 420 до 550°С. Нижний температурный предел обусловлен температурами плавления сплавов, а верхний - высокой летучестью паров хлорида цинка.

В качестве расплава необходимо использовать индивидуальный хлорид цинка, что позволит достичь максимально эффективного извлечения РЗМ и не вызовет загрязнения солевого расплава и жидкого сплава посторонними компонентами.

Результатом рассматриваемой технологической операции является получение хлорида цинка, обогащенного хлоридами редкоземельных элементов, и металлического цинка с низким остаточным содержанием РЗМ, пригодного для вторичного использования в качестве растворителя металлического топлива либо жидкометаллических электродов.

Пример 1

Сплавы Zn-La готовили сплавлением индивидуальных металлов, исходное содержание лантана в сплаве варьировали от 0.2 до 5 мас.%. Выдержку образцов сплавов в расплаве проводили внутри кварцевой ячейки, в которую помещали алундовый тигель с солью и образцами. Расплав в ячейке находился под атмосферой очищенного аргона при 450°С. Время контакта сплавов с расплавленным хлоридом цинка составляло 10 часов. Исходная масса электролита ZnCl2 была равна 15 г, масса сплавов около 3 г. После испытаний в расплав опускали капилляр и производили отбор пробы электролита. Далее расплав охлаждали до комнатной температуры, извлекали образцы сплавов, отмывали и сушили их. В отобранной пробе электролита определяли концентрации лантана, перешедшего в расплав из образцов сплава Zn-La при контакте с хлоридом цинка. Солевой плав и образцы сплавов анализировали методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. В ходе каждого эксперимента определяли содержание лантана в сплавах до и после их выдержки в расплаве ZnCl2.

В процессе контакта сплава Zn-La с расплавом ZnCl2 идет процесс обменного вытеснения РЗМ в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции

способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов   с цинком, патент № 2522905

В ходе протекающей реакции образуется лантансодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl2 . Результаты химического анализа сплавов до и после контакта с хлоридом цинка приведены в табл.1. Там же представлены данные о концентрации лантана в полученном солевом плаве и величины степени извлечения лантана из сплава. Согласно полученным результатам в результате 10 часов выдержки в расплаве хлорида цинка исходный сплав Zn-La обогащается по цинку и значительно обедняется по лантану. Содержание лантана в полученном электролите ZnCl 2- ZnCl3 варьируется в зависимости от исходного содержания РЗМ в сплаве.

Таблица 1
Результаты опытов по извлечению лантана из сплавов Zn-La при 450°С в течение 10 часов
Начальное содержание La в сплаве, мас.% Конечное содержание La в сплаве, мас.% Содержание La в плаве ZnCl2-LaCl3, мас.% Степень извлечения La, %
0.16<0.001 0.03>99
0.370.0060.08 98
0.86 0.170.17 87
4.62 0.531.0189

Средняя скорость растворения лантана из сплава Zn-La 5 мас.% составляет 4.22 мг/(см2·ч), для сплава Zn-La 0.5 мас.% - 0.35 мг/(см2·ч). Потери лантана в процессе обменного вытеснения составляют меньше 0.3%, что соответствует допустимым погрешностям химического анализа.

Пример 2

Сплавы Zn-Nd готовили сплавлением индивидуальных металлов, исходное содержание неодима в сплаве варьировали от 0.2 до 5 мас.%. Выдержку образцов сплавов в расплаве проводили внутри кварцевой ячейки, в которую помещали алундовый тигель с солью и образцами. Расплав в ячейке находился под атмосферой очищенного аргона при 450°С. Время контакта сплавов с расплавленным хлоридом цинка составляло 10 часов. Исходная масса электролита ZnCl2 была равна 15 г, масса сплавов около 3 г. После испытаний в расплав опускали капилляр и производили отбор пробы электролита. Далее расплав охлаждали до комнатной температуры, извлекали образцы сплавов, отмывали и сушили их. В отобранной пробе электролита определяли концентрации неодима, перешедшего в расплав из образцов сплава Zn-Nd при контакте с хлоридом цинка. Солевой плав анализировали методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. В ходе каждого эксперимента определяли содержание неодима в сплавах до и после их выдержки в расплаве ZnCl2.

В процессе контакта сплава Zn-Nd с расплавом ZnCl 2 идет процесс обменного вытеснения неодима в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции

способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов   с цинком, патент № 2522905

В ходе протекающей реакции образуется неодимсодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl2 . Результаты химических анализов сплавов до и после контакта с хлоридом цинка приведены в табл.1. Там же представлены данные о концентрации неодима в полученном солевом плаве и величины степени извлечения неодима из сплава.

Таблица 2
Результаты опытов по извлечению неодима из сплавов Zn-Nd при 450°С в течение 10 часов
Начальное содержание Nd в сплаве, мас.% Конечное содержание Nd в сплаве, мас.% Содержание Nd в плаве ZnCl2- NdCl3, мас.% Степень извлечения Nd, %
0.18<0.001 0.04>99.5
0.470.0020.11 99.6
0.88 0.0070.21 99.2
4.72 0.060.1698.7

Согласно полученным результатам после 10 часов выдержки в расплаве хлорида цинка исходный сплав Zn-Nd обогащается по цинку и значительно обедняется по неодиму. Содержание неодима в полученном электролите ZnCl2-NdCl 3 варьируется в зависимости от исходного содержания РЗМ в сплаве.

Таким образом, показана возможность глубокого извлечения редкоземельных продуктов деления из сплавов на основе цинка в ходе обменной реакции с расплавленным хлоридом цинка.

Технический результат заключается в том, что глубина извлечения лантана и неодима из сплавов с цинком в расплавленный хлорид цинка при температурах 420-550°С составляет свыше 99%.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2522905

patent-2522905.pdf

Класс G21C19/48 безводные способы 

способ и установка для переработки отработанного ядерного топлива -  патент 2371792 (27.10.2009)
применение раствора или водяной пасты, содержащих полимеры для улавливания рутения, содержащегося в газовых выбросах, и устройство для его осуществления -  патент 2331121 (10.08.2008)
способ и аппарат для объемной кристаллизации диоксида плутония -  патент 2257625 (27.07.2005)
способ неводного растворения урана и урансодержащих материалов -  патент 2238600 (20.10.2004)
усовершенствования в области переработки материалов -  патент 2230130 (10.06.2004)
способ сухой переработки скрапа ядерного топлива из смешанного оксида (u, pu) o2 -  патент 2225047 (27.02.2004)
аппарат для непрерывного "сухого" хлорирования диоксида плутония -  патент 2217822 (27.11.2003)
способ и система очистки газообразного гексафторида урана -  патент 2131846 (20.06.1999)
способ пирохимической регенерации ядерного топлива -  патент 2079909 (20.05.1997)
способ переработки оружейного высокообогащенного урана и его сплавов в топливный материал для атомных реакторов -  патент 2057377 (27.03.1996)

Класс G21F9/04 обработка жидких радиоактивных отходов

способ селективного извлечения радионуклидов из радиоактивных азотнокислых растворов (варианты) -  патент 2522544 (20.07.2014)
способ отверждения жидких высокоактивных отходов -  патент 2522274 (10.07.2014)
способ утилизации сбросных растворов в производстве тетрафторида урана -  патент 2521606 (10.07.2014)
способ переработки радиоактивных отходов фильтроперлита -  патент 2518382 (10.06.2014)
способ переработки технециевых растворов -  патент 2513724 (20.04.2014)
способ обезвреживания жидких радиоактивных отходов ядерных энергетических установок, загрязненных нефтепродуктами, продуктами коррозии и синтетическими поверхностно-активными веществами, в полевых условиях -  патент 2510539 (27.03.2014)
способ подготовки растворов переработки оят, содержащих комплексообразующие вещества, для экстракционного извлечения многовалентных актинидов -  патент 2490735 (20.08.2013)
способ переработки жидких радиоактивных отходов и устройство для его осуществления -  патент 2486615 (27.06.2013)
композиционный материал для иммобилизации жидких радиоактивных отходов и способ его применения -  патент 2483375 (27.05.2013)
способ переработки оксалатных маточных растворов и пульпообразных отходов, содержащих трансурановые элементы -  патент 2474898 (10.02.2013)
Наверх