способ утилизации стружки из обедненного урана

Формула изобретения

1. Способ утилизации стружки из обедненного урана, заключающийся в окислении урана до закиси-окиси урана, отличающийся тем, что окисление ведут в две стадии: окисление урана до диоксида урана водой при 1005^oС с последующим окислением диоксида урана до закиси-окиси урана на воздухе при 70010^oС в течение 3-5 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окисление урана до диоксида урана ведут путем кипячения в воде в течение 25-30 ч.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окисление урана до диоксида урана ведут в водяном паре в течение 4-6 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области утилизации отходов из обедненного урана, в частности, находящегося в виде стружки.

В настоящее время на складах различных предприятий атомной промышленности скопилось значительное количество стружки из обедненного урана.

Высокая химическая активность урана, большая удельная поверхность стружки, возможность ее искрения и самовоспламенения при механических воздействиях, длительное хранение и транспортировка стружки металлического урана представляют высокую потенциальную опасность с точки зрения аварийных ситуаций (пожары, взрывы, радиоактивное загрязнение окружающей среды и т.п. ).

Радикальным средством решения вопросов безопасности при длительном хранении урановой стружки является перевод ее в пожаровзрывобезопасный продукт: закись-окись урана, являющийся наиболее устойчивым из окислов урана.

До настоящего времени получение этого продукта осуществлялось прямым сжиганием металлического урана на воздухе или в кислороде.

Наиболее близким к заявляемому способу утилизации стружки из обедненного урана является способ, заключающийся в брикетировании (прессовании) стружки и дальнейшем сжигании ее в рабочей емкости установки, в которую подают воздух, нагретый до температуры 400^oС. (Исходные требования на проектирование установки сжигания стружки. Комбинат "Электрохимприбор", 2000 г.).

Взаимодействие урана с кислородом воздуха протекает по реакциям:

U+O₂=UO₂, (1)

3U+4O₂=U₃O₈; (2)

3UO₂+O₂=U₃O₈. (3)

Экзотермический характер химической реакции (2), т.е. с выделением большого количества тепла, приводит к повышению температуры урановой стружки до 450-550^oС. Дальнейшее регулирование температуры стружки производится путем изменения расхода газового реагента (воздуха), изменения концентрации кислорода в газовом реагенте за счет его разбавления азотом, а также путем изменения температуры и расхода охлаждающего воздуха, подаваемого в рубашку рабочего объема.

Максимальная температура стружки не превышает 600^oС. Образующийся при этом порошок окислов урана частично остается внутри рабочего объема установки, а частично в виде пыли переходит в газовую фазу, что создает трудности в обеспечении экологических требований безопасности при утилизации урановой стружки.

Задачей, на которую направлено изобретение, является обеспечение безопасного проведения способа утилизации урановой стружки за счет контролируемости температурного режима проведения способа и повышение экологической безопасности способа за счет исключения образования пылегазовой смеси урана.

Для этого предложен способ утилизации стружки из обедненного урана, заключающийся в окислении урана до закиси-окиси урана, отличающийся тем, что окисление ведут в две стадии: окисление урана до диоксида урана водой при температуре 1005^oС с последующим окислением диоксида урана до закиси-окиси урана на воздухе при температуре 70010^oС в течение 3-5 часов.

При этом окисление урана до диоксида урана ведут путем кипячения в воде в течение 25-30 часов.

Также окисление урана до диоксида урана ведут в водяном паре в течение 4-6 часов.

Такой способ осуществляется на первой стадии по реакции:



которая является эндотермической (В.С. Емельянов, А.И. Евстюхин - Металлургия ядерного горючего, Атомиздат, 1964).

Затем полученный диоксид урана (UO₂) окисляется на воздухе при температуре 70010^oС до закиси-окиси урана (U₃O₈) по реакции (3). Обе эти химические реакции являются эндотермическими, т.е. процесс окисления урана проходит с поглощением тепла, а следовательно, обеспечивается полная контролируемость температурных режимов осуществляемых процессов окисления и не образуется пылегазовая смесь урана, создающая экологическую опасность работ при прямом сжигании урана.

На фиг. 1 показан процесс окисления урановой стружки в кипящей воде (1005^oС). В качестве ординаты на этом графике приведена степень окисления урана. Эта величина получена расчетным путем из экспериментальных значений привеса стружки по формуле



где К - степень окисления урана в процентах,

Ро - вес исходной стружки,

Р - вес стружки после соответствующего цикла испытаний,

Puo₂ - расчетный вес стружки, окисленной до диоксида урана (UO₂) по реакции (4).

На фиг. 2 показан процесс окисления урановой стружки в водяном паре (1005^oС).

На фиг. 3 показан процесс окисления порошка диоксида урана (UО₂) на воздухе при температуре 70010^oС. В качестве ординаты на этом графике приведена степень окисления диоксида урана (К), рассчитанная по формуле



где Puo₂ - вес стружки после первой стадии испытаний,

Р - вес стружки после соответствующего цикла испытаний,

Pu₃o₈ - расчетный вес исходной стружки при окислении до U₃O₈.

Способ осуществлялся следующим образом.

На экспериментальной лабораторной установке, включающей в себя цилиндрический сосуд объемом 12 л (автоклав), изготовленный из нержавеющей стали, и электроплитку, проведена проверка предполагаемых процессов окисления урановой стружки до порошка диоксида урана.

На крышке автоклава имеются манометр, гермоввод для термопар, два клапана давления (рабочий и аварийный) и вентиль для регулировки давления пара в автоклаве. Скорость выхода пара измеряется расходомером (в л/мин), подсоединенном к выходу регулирующего вентиля. Обычно скорость выхода пара, измеряемая расходомером, находилась в пределах ~15 л/мин, что близко к расчетному значению, полученному по весу выкипевшей воды.

Температура стружки и пара в автоклаве в процессе испытаний измерялась хромель-алюмелевыми термопарами с записью на потенциометре КСП-4.

При изучении кинетики окисления стружки в кипящей воде в автоклав помещался сосуд с предварительно взвешенной стружкой и заливался водой (~4 л). Нагрев воды и поддержание режима ее кипения осуществляли электроплиткой. Взвешивание стружки проводилось каждые 4-5 часов, при этом стружка высушивалась в сушильном шкафу до постоянного веса. Контроль степени окисления осуществлялся по привесу стружки (фиг.1). Цифрами обозначены номера экспериментов.

Видно, что окисление стружки урана в кипящей воде до диоксида урана осуществляется за 25-30 часов. Наблюдаемое различие в экспериментах 1-4 определяется некоторой неоднородностью стружки по толщине.

Для изучения кинетики окисления стружки в водяном паре в автоклав заливали воду (~4 л) и помещали сосуд с предварительно взвешенной стружкой выше уровня воды. В остальном эти эксперименты проводились аналогично экспериментам в кипящей воде. Результаты этих экспериментов, представленные на фиг. 2, показывают, что для окисления стружки урана в водяном паре (1005^oС) до диоксида урана достаточно 4-6 часов.

Для идентификации образовавшихся в процессе этих экспериментов продуктов в виде порошков проводился рентгенофазовый анализ на дифрактометре общего назначения ДРОН-3м, который подтвердил окисление урановой стружки до кубической фазы UO₂.

Дальнейшее окисление диоксида урана до закиси-окиси урана проводилось в шахтной силитовой печи при температуре 70010^oС на воздухе. Измерения проводили каждый час. Результаты этого эксперимента, представленные на фиг.3, показывают, что полное окисление порошка диоксида урана до закиси-окиси урана достигается за 3-5 часов.

Таким образом, изобретение позволит осуществить утилизацию стружки из обедненного урана безопасным и экологически чистым способом.