способ переработки высокообогащенного урана

Формула изобретения

1. Способ переработки высокообогащенного урана, включающий получение оксидов урана и фторирование полученных оксидов урана до гексафторида урана, отличающийся тем, что оксиды урана получают переводом высокообогащенного урана в азотнокислый раствор, экстракционной очисткой урана от плутония, легирующих металлов и продуктов радиоактивного распада раствором трибутилфосфата в углеводородном разбавителе и денитрацией растворов урана до оксидов, а фторированию подвергают оксиды урана в гомогенной смеси с оксидами кальция и/или магния с содержанием последних 0,5 - 2 мас.% от содержания урана в смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что денитрации подвергают азотнокислые растворы урана, содержащие кальций и/или магний.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что денитрацию осуществляют в низкотемпературной воздушной плазме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки высокообогащенного урана, в частности оружейного, в низкообогащенный энергетического назначения.

Известен способ разбавления высокообогащенного урана путем смешения оксидных порошков высокообогащенного урана и низкообогащенного, полученных тем или иным способом (А. Макхиджани и др. "Ядерные материалы сквозь тусклое стекло?", IEEP PRESS, 1995).

Недостатком данного способа разбавления высокообогащенного урана низкообогащенным является недостаточная гомогенность смешанной порошковой смеси.

Известна фторидно-газовая технология переработки высокообогащенного урана с последующим разбавлением гексафторида обогащенного урана гексафторидом низкообогащенного урана. Способ включает в себя следующие операции:

- окисление металлического высокообогащенного урана в диоксид урана;

- взаимодействие диоксида высокообогащенного урана с плавиковой кислотой с получением тетрафторида урана;

- сжигание тетрафторида урана в токе фтора с образованием высокообогащенного гексафторида урана;

- разбавление гексафторида обогащенного урана низкообогащенным гексафторидом урана (А.Макхиджани и др. "Ядерные материалы сквозь тусклое стекло? ").

Недостатками данного способа являются:

- недостаточная очистка урана от продуктов распада урана-232, особенно тория-228, таллия-208 и висмута-212, обладающих жестким гамма-излучением;

- недостаточная очистка от плутония на операциях получения тетрафторида урана и его последующего фторирования, что требует дополнительных операций по очистке гексафторида урана от остаточного содержания плутония в нем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ переработки высокообогащенного урана, включающий следующие операции (Башлачев В.Н. и др. Доклад на 4 научно-технической конференции Сибирского химкомбината, г. Серерск, 28-31 мая 1996):

- окисление металлического урана до закиси-окиси урана;

- растворение закиси-окиси урана в растворе азотной кислоты;

- два экстракционных цикла очистки урана от плутония, легирующих металлов, продуктов радиоактивного распада;

- денитрация реэкстракта урана второго экстракционного цикла осаждением солей полиураната аммония 25 мас.% раствором аммиака с последующей переработкой маточных растворов совместно с воднохвостовыми растворами до сбросных норм по содержанию урана;

- прокаливание молей полиураната аммония до оксида урана;

- фторирование закиси-окиси высокообогащенного урана до гексафторида урана с последующим его разбавлением низкообогащенным гексафторидом урана.

Недостатками данного способа, взятого нами за прототип, являются:

- многоцикличность процесса (два экстракционных цикла очистки урана от плутония, легирующих металлов, продуктов радиоактивного распада; аммиачное осаждение солей полиураната аммония; прокаливание солей полиураната аммония; фторирование закиси-окиси урана), в результате чего объем водных растворов возрастает в 3-5 раз по сравнению с объемом исходного раствора;

- относительно низкая производительность вследствие многоцикличности технологического процесса в целом и длительности отдельных операций в частности;

- усложнение аппаратурно-технологической схемы в целом.

Целью изобретения является увеличение степени очистки урана от плутония на операции фторирования, что позволит увеличить производительность технологического процесса переработки высокообогащенного урана в целом за счет исключения второго экстракционного цикла, сократить объем водных растворов, упростить аппаратурно-технологическую схему.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем переведение высокообогащенного урана в раствор, экстракционную очистку урана от плутония, легирующих металлов и продуктов радиоактивного распада раствором трибутилфосфата в углеродном разбавителе, денитрацию азотнокислых растворов урана до оксидов, фторирование оксидов урана до гексафторида урана, фторирование оксидов урана осуществляют в гомогенной смеси с оксидами кальция и/или магния, с содержанием их 0,5 - 2 мас.% от содержания урана в исходной смеси; денитрации подвергают азотнокислые растворы урана, содержащие кальция и/или магний; денитрацию осуществляют в низкотемпературной воздушной плазме.

Фторирование оксидов урана в гомогенной смеси с оксидами кальция и/или магния с содержанием последних 0,5-2 мас. % от содержания урана в смеси способствует увеличению коэффициентов очистки урана от плутония за счет образования нелетучих комплексных соединений фторидов щелочноземельных элементов с гексафторидом плутония, исключению местных перегревов в аппарате фторирования, защите внутренних поверхностей аппарата фторирования от прожогов за счет образования на них гарнисажного слоя из тугоплавких фторидов кальция и/или магния, упрощению аппаратурно-технологической схемы переработки высокообогащенного урана за счет исключения второго экстракционного цикла.

Введение кальция и/или магния в азотнокислый раствор урана с последующей денитрацией его в низкотемпературной воздушной плазме позволяет получить идеально гомогенную смесь порошков оксидов с более высокой дисперсностью, удельной поверхностью и активностью, что окажет положительное влияние на процесс их фторирования.

Предлагаемый способ был проверен на опытных установках ВЧ-плазмохимической денитрации и фторирования порошков закиси окиси урана.

Пример. Реэкстракт урана первого экстракционного цикла состава:уран 50-300 г/л, плутоний 100 Бк/г U, азотная кислота 0,5 моль/л, кальций и/или магний 0-2 мас.% от содержания урана подвергался денитрации на ВЧ-плазмохимической установке в следующих режимах ее работы:

колебательная мощность плазмотрона ... 60 кВт;

плазмообразующий газ ... воздух;

расход воздуха на плазмообразование ... 12 нм³/ч.;

расход воздуха на распыл ... 10 нм³/ч;

расход раствора ... 15-20 л/ч;

температура плазмообразующего газа на выходе из плазмотрона ... 3000-5000^oC;

температура пылегазового потока, выходящего из плазмохимического реактора ... 400-500^oC.

Полученную смесь порошков оксидов урана с оксидами щелочноземельных элементов фторировали фтором в непрерывном режиме работы установки. Массовый расход порошка оксидов металлов - 2 кг/ч, фтора - 1 кг/ч, температура реагирующей смеси - 400-500^oC.

Данные, полученные в ходе проведения экспериментов, приведены в таблице.

Из данных, представленных в таблице, следует, что наличие в порошках оксида урана гомогенно распределенных в нем частиц порошка оксидов кальция и/или магния существенно влияет на коэффициенты очистки урана от плутония, причем резкое увеличение коэффициентов очистки наблюдается при содержании в них оксидов кальция и/или магния 0,5 мас.% от содержания урана. Дальнейшее увеличение содержания оксидов щелочноземельных металлов не приводит к существенному увеличению коэффициентов очистки урана от плутония.

Содержание плутония в гексафториде урана при наличии в исходном оксиде урана 0,5-2 мас.% от массы урана оксидов щелочноземельных металлов составило 0,04-0,06 Бк/г U, что удовлетворяет требованиям технических условий на очищенный ВОУ.

Процесс фторирования оксидов урана в присутствии в нем гомогенно распределенных оксидов щелочноземельных металлов протекал без местных перегревов загруженной смеси и наличия значительных перепадов температуры по всей длине реактора.

Таким образом, осуществление предлагаемого способа позволит получать гексафторид высокообогащенного урана с содержанием плутония, удовлетворяющим требованиям спецификаций, пригодный для получения из него гексафторида урана энерготехнического назначения, при этом в существующей технологической схеме исключается второй экстракционный цикл очистки урана от плутония, операция аммиачного осаждения солей полиураната аммония и операции, связанные с переработкой маточных растворов.

Кроме того, второй экстракционный цикл можно использовать в качестве первого, что позволит увеличить производительность экстракционных установок по переработке обогащенного урана примерно в 2 раза.