СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРУЖЕЙНОГО ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО УРАНА И ЕГО СПЛАВОВ В ТОПЛИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ Российский патент 1996 года по МПК G21C19/42 G21C19/48 

Изобретение относится к способам уничтожения ядерного оружия путем переработки оружейного высокообогащенного металлического урана и его сплавов для дальнейшего его использования в качестве топлива в атомных реакторах.

Высокообогащенный уран представляет собой уран со степенью обогащения по урану-235 выше 20 мас. низкообогащенный уран от 1,5 до 5 мас. сырьевой уран 0,711 мас.

Известные способы переработки металлического урана относятся, как правило, к переработке природного урана, или к переработке отработавшего ядерного топлива.

Так, известны способы переработки отработавшего металлического ядерного топлива, которые включают операции предварительной обработки, очистки от вредных примесей и разделение элементов, входящих в отработавшее ядерное топливо. Конечным продуктом этих процессов является оксид урана [1]
Известны способы переработки топлива из урана или его оксидов фторидными методами, как жидкостными в растворах или расплавах солей, так и в газовой фазе. Конечным продуктом этих процессов является гексафторид урана [1]
Известны методы переработки природного или обедненного урана, которые включают в себя как получение оксидов урана, так и получение гексафторида [1]
Известны также способы переработки обогащенного урана (уран-235 до 4 мас.), в которых основными проблемами являются вопросы ядерной безопасности и предотвращение потерь урана-235 [1]
Все известные способы не решают основной задачи изобретения, которая заключается в уничтожении оружейного (с содержанием урана-235 80-94 мас.) высокообогащенного металлического урана и его сплавов и доведения его до топливного материала атомных реакторов, отвечающего международным стандартам [2, 3]
В известных публикациях [4, 5] рассматриваются аспекты удаления или уничтожения "специфических атрибутов" (первоначальной формы) оружейного металлического высокообогащенного урана после демонтажа ядерного оружия, различные подготовительные операции и операции разбавительного смешения для получения топливного материала для атомных реакторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ переработки оружейного высокообогащенного металлического урана и его сплавов в топливный материал для атомных реакторов. Способ включает окисление металлического высокообогащенного урана, смешение оксида высокообогащенного урана с оксидом природного урана, фторирование смеси оксидов, очистку гексафторида обогащенного урана двухстадийной дистилляцией, получение низкообогащенного гексафторида урана путем смешения очищенного гексафторида урана с гексафторидом природного урана до 5% обогащения по массе, окончательное смешение 5% гексафторида с гексафторидом природного урана и затаривание готового продукта в цилиндры "30 В" [5]
Недостатком известного способа является многостадийность процесса смешения, сначала на стадии оксидов, а далее на стадии гексафторида.

Предварительное смешение оксидов высокообогащенного урана с природным можно объяснить невозможностью подвергать очистке в дистилляционном аппарате высокообогащенный уран из-за того, что указанные аппараты по своим конструктивным особенностям не обладают ядернобезопасной конфигурацией, что приводит к низкой технологичности процесса.

Известный способ предполагает использование на всех этапах переработки высокообогащенного урана водные (жидкостные) технологии, что является нежелательным из-за появления жидких радиоактивных отходов и введения замедлителя нейтронов (водорода и углерода), а также повышения вероятности самопроизвольной ядерной цепной реакции.

Целью изобретения является уничтожение ядерного оружия путем переработки высокообогащенного оружейного урана и его сплавов для использования продуктов переработки в качестве топливного материала для атомных реакторов.

Высокая степень обогащения оружейного урана (85-97 мас. урана-235) внесла дополнительные коррективы в поставленную задачу, а именно, необходимость гарантий предотвращения самопроизвольной ядерной цепной реакции на всех этапах переработки, что повлекло за собой жесткие ограничения по геометрическим размерам используемого оборудования.

Кроме того, ставилась задача повышения технологичности процесса и устранения появления жидких радиоактивных отходов в процессе переработки высокообогащенного оружейного урана.

Это решается созданием способа переработки оружейного высокообогащенного металлического урана и его сплавов в топливный материал для атомных реакторов, включающего окисление высокообогащенного металлического урана, фторирование оксидов урана, очистку гексафторида урана от примесей и получение топливного материала для атомных реакторов смешением гексафторидов различной степени обогащения с последующим затариванием готового топливного материала в контейнер, в котором, согласно изобретению, окисление металлического урана осуществляют кислородом воздуха при температуре 700-1100^оС, после чего проводят фторирование полученных оксидов урана элементарным фтором при избытке фтора выше стехиометрического на 5-50 мас. затем высокообогащенный гексафторид урана подвергают очистке методом центробежного разделения с последующим смешением его с гексафторидом урана, содержащим уран-235 ниже содержания его в топливном материале, путем непрерывного объединения двух газовых потоков, а полученный топливный материал перед затариванием десублимируют (фиг. 1).

Оптимальными методами фторирования являются: фторирование высокообогащенных оксидов урана при температуре 300-400^оС при перемешивании и избытке фтора выше стехиометрического на 5-10% и фторирование при температуре 1400-1500^оС при избытке фтора выше стехиометрического на 10-50% с введением оксидов в зону реакции на газе-носителе.

Очистку высокообогащенного гексафторида урана осуществляют методом центробежного разделения на каскаде газовых центрифуг до содержания примесей 10^-4-10^-5 мас.

Смещение двух газовых потоков осуществляют путем регулирования расходов каждого потока в соответствии с содержанием в них урана-235.

Все операции перевода металлического оружейного урана в гексафторид проводят сухими методами, т.е. без применения жидкостных технологий в аппаратах ядернобезопасного исполнения.

Температура окисления 700-1100^оС и организация цикличности процесса нагрева-охлаждения позволяет ускорить процесс получения оксидов урана и тем самым повысить производительность процесса за счет самоочищения поверхности металлического урана в момент перехода из β в γ модификацию и уменьшения объема металла на 0,7% Температура β-γ -перехода изменяется в зависимости от наличия легирующих элементов от 720 до 810^оС. При проведении окисления ниже 700^оС процесс замедляется и становится непроизводительным, т.к. на поверхности металлического урана образуется плотная окисная пленка, затрудняющая поступление кислорода воздуха к реакционной поверхности. При повышении температуры окисления от 700^оС до 1100^оС монотонно повышается скорость процесса окисления.

Повышение температуры процесса выше 1100^оС может привести к неуправляемому горению урана (за счет экзотермичности процесса окисления), его расплавлению, выходу из строя оборудования и нарушению ядерной безопасности.

С этой же точки зрения для окисления металлического урана и его сплавов использован не чистый кислород, а воздух, т.к. увеличение количества кислорода более, чем на 45·10^-4 г/с·см приводит к таким же последствиям, что и повышение температуры выше 1100^оС.

После проведения операции окисления полученные окислы (закись-окись) урана измельчают и подвергают фторированию.

Выбор в качестве фторирующего агента элементарного фтора обусловлен необходимостью получения гексафторида урана, который невозможно получить при взаимодействии с другими фторирующими агентами, например, с фтористым водородом.

Температура фторирования не является определяющим фактором для решения поставленной задачи уничтожение ядерного оружия путем переработки высокообогащенного оружейного урана и его сплавов и использование продуктов переработки в качестве топливного материала для атомных реакторов. И хотя фторирование высокообогащенных оксидов урана будет происходить при любой температуре в интервале от 200 до 1600^оС, правильный выбор температуры фторирования позволяет оптимизировать, как сам процесс фторирования, так и процесс очистки гексафторида урана.

Поэтому дополнительным отличием предложенного способа от известного является выбор режимов фторирования, который зависит от многих факторов, таких, как состав высокообогащенного урана, т.е. наличия или отсутствия в нем легирующих компонентов, производительности и скорости процесса фторирования, экономии фтора и др.

Так, низкотемпературный режим фторирования при 300-400^оС выбирается при наличии в оксиде урана заметных количеств легирующих компонентов, которые при этих температурах не образуют летучих фторидов и могут быть отделены на этой стадии от урана.

Выбор избытка элементарного фтора от 5 до 10% выше стехиометрического при низкотемпературном режиме фторирования обуславливается большей площадью контакта временем фторирования. Процесс будет идти и при больших количествах фтора, вплоть до 50% выше стехиометрического, но при этом большее количество фтора, возвращаемое в начало процесса, будет загрязняться вредными примесями, что является нежелательным.

В случае необходимости повышения скорости и производительности процесса фторирования, а также переработки высокообогащенного оксида урана, не содержащего заметных количеств легирующих компонентов, используется высокотемпературный способ фторирования при температуре 1400-1500^оС и избытке фтора 10-50% выше стехиометрического. В этом случае порошковый оксид урана подается в пламенный реактор на газе-носителе, например, азоте.

Выбор избытка элементарного фтора от 10 до 50% выше стехиометрического обуславливается физическими свойствами порошка оксида и устанавливаемой производительностью. При производительности до 3 кг/ ч процесс установившийся, при этом следует поддерживать избыток фтора пропорционально росту производительности.

При избытке фтора менее 10% не происходит воспламенения реакционной смеси. Избыток более 50% нецелесообразен из-за трудностей, возникающих с утилизацией и конверсией фтора. Этот метод также хорошо поддается автоматизации и дистанционированию.

Газообразный высокообогащенный гексафторид урана может быть загрязнен фторидами молибдена, вольфрама, рения и другими газообразными примесями.

Выбор метода центробежного разделения на каскаде газовых центрифуг для очистки высокообогащенного гексафторида урана обусловлен возможностью освободить высокообогащенный гексафторид урана от всех без исключения газообразных примесей с молекулярным весом менее молекулярного веса гексафторида урана, при этом конструкция очистительного каскада является ядернобезопасной, что позволяет очищать гексафторид урана самого высокого обогащения (до 97 мас. по урану-235) и использовать в дальнейшем только одностадийное смешение.

Высокообогащенный гексафторид урана очищают от примесей до их содержания 10^-4-10^-5 мас. на центробежном очистительном каскаде.

Очистка до 10^-4-10^-5 мас. по примесям позволяет использовать для смешения более грязный низкообогащенный гексафторид урана без ухудшения качества готового топливного материала, что является экономически более выгодным.

Затем очищенный газообразный высокообогащенный гексафторид урана подается на смешение с гексафторидом урана с содержанием урана-235 ниже содержания его в топливном материале. В этом заключается еще одна отличительная особенность изобретения по сравнению с прототипом, которая состоит в том, что не только изменяют методы проведения операций и их режимы, но и последовательность этих операций. Так, вместо трех операций смешения в способе-прототипе на стадии после окисления, во время и после фторирования, в способе по изобретению используется только одна операция смешения после очистки высокообогащенного гексафторида урана. Выбор определенного состава гексафторида для смешения его с высокообогащенным гексафторидом урана связан с содержанием в них урана-235, количеством нежелательных примесей урана-234 и урана -236 и составом и количеством готового топливного материала.

При смешении высокообогащенного гексафторида, например, 97 мас. по урану-235, при необходимости получения состава готового топливного материала, например, с 80 мас. урана-235, можно взять для смешения гексафторид с содержанием урана-235 от 79% до гексафторида урана не содержащего уран-235. В этом случае все определяется необходимым количеством готового топливного материала, т.е. чем большее количество готового топливного материала необходимо получить, тем большая степень обогащения должна быть у второго смешиваемого потока.

На трубопроводах установлены регулирующие расход устройства, которые позволяют с большей точностью регулировать состав готового продукта, не допуская получение брака.

Смешанный гексафторид урана десублимируют, затаривают в емкости, нагревают до 90-110^оС, выдерживают в течение 4 ч (гомогенизируют) и переливают в емкости "30 В".

П р и м е р 1. В аппарат для окисления загрузили деталь изделия из оружейного высокообогащенного металлического урана, загрязненного плутонием (масса U не более 6000 г) нагревали до 900^оС в потоке воздуха и выдерживали до полного окисления.

Полученные оксиды урана измельчали и подавали в горизонтальный реактор для низкотемпературного фторирования при периодическом перемешивании.

В процессе нагрева до 300^оС и расходе фтора 5-10% от стехиометрического образуются оксифториды урана, которые при повышении температуры до 400^оС превращаются в гексафторид урана. Выход в гексафторид достигает 97,9% Коэффициент использования фтора 85-90%
Образующийся гексафторид урана подвергается десублимации, возгонке и переконденсации, после чего направляется в центробежный каскад (каскад газовых центрифуг), где подвергается очистке от фторидов элементов с молекулярной массой ниже молекулярной массы гексафторида урана.

Очищенный до 10^-4-10^-5 мас. гексафторид урана подается в сборник очистительного каскада и далее на десублимацию. Из установки десублимации высокообогащенный гексафторид урана со степенью обогащения 90% по урану-235 в газовой фазе через расходное устройство подается в коллектор смешения. Туда же через расходное устройство подается гексафторид урана со степенью обогащения 1,5% по урану-235.

Расход высокообогащенного гексафторида урана составляет 0,3388 г/с, а слабообогащенного 9,6612 г/с. В результате объединения двух потоков и их смешения получили выход продукта равным 10 г/c cо степенью обогащения 4,4% по урану-235. Газообразный продукт десублимируют, затаривая его в емкости, нагревают до 90-110^оС, выдерживают в течение примерно 3-6 ч при этой температуре и разливают в цилиндры "30 В" как готовый топливный материал.

П р и м е р 2. Окисление оружейного высокообогащенного металлического урана, не содержащего примесных элементов осуществляли в соответствии с примером 1. Полученные измельченные оксиды урана подавали в горизонтальный реактор для низкотемпературного фторирования, температуры устанавливали такие же, как и в примере 1, при расходе фтора 15-17% Выход урана в гексафторид достигает примерно 98% Коэффициент использования фтора 40-44%
Образующийся гексафторид урана очищается от остатков непрореагировавшего фторида десублимацией и далее подвергается дальнейшей переработке без очистки на каскаде газовых центрифуг.

Непрореагировавший фтор после очистки направляется в реактор для фторирования для повторного использования.

П р и м е р 3. В аппарат для окисления загружали деталь изделия оружейного сплава на основе высокообогащенного урана массой не более 6000 г, установку герметизировали, подавали воздух и нагревали до 700^оС. В процессе нагрева и подачи воздуха уран вследствие экзотермичности процесса окисления разогревался до температуры фазового перехода β -урана в γ -модификацию (772^оС). При этом происходило уменьшение объема металла и самоотделение оксидной пленки от поверхности металла. При достижении температуры 800^оС нагрев отключали.

На окисление металлического урана массой 6000 г затрачено 5 ч. Извлеченный из аппарата окисления оксид высокообогащенного урана измельчали в мельнице, затем на газе-носителе (азоте) подавали в питатель-дозатор для аэрации с последующей непрерывной транспортировкой аэросмеси в зону реакции пламенного реактора факельного типа для фторирования. При подаче в зону реакции элементарного фтора в количестве, превышающем на 30% необходимое по стехиометрии, зажигался факел и устанавливалась температура 1400-1500^оС. Скорость фторирования составила 5 кг оксида в 1 ч. Выход урана в гексафторид за один цикл достиг 99,9%
Для уменьшения скорости фторирования до 3 кг/ч необходимо уменьшить подачу элементарного фтора до количества, превышающего на 10% необходимое по стехиометрии, а для увеличения скорости фторирования выше 5 кг/ч необходимо увеличить подачу элементарного фтора в количествах, превышающих 30% вплоть до 50% необходимое по стехиометрии. Выход урана в гексафторид за один цикл при всех режимах достигает 99,9%
Дальнейшую обработку полученного гексафторида проводили, как в примере 1.

П р и м е р 4. Переработка детали изделия оружейного сплава на основе высокообогащенного урана в части окисления, фторирования и очистки проводилась, как в примере 3.

Операция смешения и выбора концентрации потоков была рассчитана по следующим зависимостям:
G₁·C₁ + G₂· C₂ G₃·C₃
G₁ + G₂ G₃, где G₁ расход гексафторида урана с высокой степенью обогащения, г/с;
C₁ концентрация урана-235 в гексафториде урана с высокой степенью обогащения,
G₂ расход гексафторида урана с низкой степенью обогащения, г/с;
С₂ концентрация урана-235 в гексафториде урана с низкой степенью обогащения,
G₃ расход гексафторида урана, полученного после смешения, г/с;
С₃ концентрация гексафторида урана, полученного после смешения,
Задавая необходимую концентрацию в готовом гексафториде урана и количество готового продукта, подбирается концентрация и расход исходных потоков гексафторидов урана.

Вся технологическая схема переработки оружейного урана снабжена приборами анализа газовых потоков до подачи их в очистительный каскад, после очистки в очистительном каскаде до подачи в устройство смешения и после смешения. В очистительном каскаде и аппарате смешения производится контроль давления в газовых потоках. Для исключения повышения концентрации урана-235 за установленные пределы на газовых потоках предусмотрена аварийная защита и блокировка, которые обеспечивают автоматическое прекращение поступления газообразных продуктов.

Изобретение может быть применено для изготовления гексафторидов урана с различными степенями обогащения по урану-235 применительно к топливу атомных реакторов как энергетических, так и транспортных для подводных лодок и космоса.

Сущность: высокообогащенный уран окисляют кислородом воздуха, после чего производят фторирование элементарным фтором при его избытке выше стехиометрического на 5 - 50%. Полученный гексафторид очищают методом центробежного разделения с последующим смещением с гексафторидом урана 235, содержание которого ниже, чем в топливном материале, путем смещения газовых потоков высоко- и низкообогащенного гексафторида урана. На заключительной стадии полученный продукт перед затариванием десублимируют. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРУЖЕЙНОГО ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО УРАНА И ЕГО СПЛАВОВ В ТОПЛИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ, включающий окисление высокообогащенного металлического урана, фторирование оксидов урана, очистку гексафторида урана от примесей и получение топливного материала для атомных реакторов смешением гексафторидов различной степени обогащения с последующим затариванием готового топливного материала в контейнеры, отличающийся тем, что окисление металлического урана осуществляют кислородом воздуха при температуре 700 - 1100^oС, после чего проводят фторирование полученных оксидов урана элементарным фтором при избытке фтора выше стехиометрического на 5 - 50%, затем высокообогащенный гексафторид урана подвергают очистке методом центробежного разделения с последующим смешением его с гексафторидом урана, содержащим уран-235 ниже содержания его в топливном материале, путем непрерывного объединения двух газовых потоков, а полученный топливный материал перед затариванием десублимируют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксиды урана фторируют при температуре 300 - 400^oС при перемешивании и избытке фтора выше стехиометрического на 5 - 10%. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксиды урана фторируют при температуре 1400 - 1500^oС при избытке фтора выше стехиометрического на 10 - 50% с введением оксидов в зону реакции на газе-носителе. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку высокообогащенного гексафторида урана осуществляют методом центробежного разделения на каскаде газовых центрифуг до содержания примесей 10^- 4 - 10^- 5 мас.%. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение двух газовых потоков осуществляют путем регулирования расходов каждого потока в соответствии с содержанием в них урана-235.