СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ Российский патент 1999 года по МПК B01D59/38 

Изобретение относится к технологии отделения делящегося изотопа урана-235 из природного урана (природный уран представляет собой естественную смесь, состоящую из трех изотопов: урана-238, урана-235, урана-234; их распространенности в природном уране соответственно равны: 99,2739%, 0,7204%, 0,0057%). Способ может быть использован в технологии разделения элементов в облученных ядерных топливах, образующихся после длительной работы в ядерных реакторах на атомных электростанциях.

Известен способ разделения ионов путем обработки раствора, содержащего ионы различных элементов, в электрическом поле с одновременным введением в поток обрабатываемого раствора противотоком или под углом к последнему дополнительного потока раствора, содержащего комплексообразующее соединение для разделяемых ионов. Дополнительный поток компенсирует среднюю скорость ионов, перемещающихся в электрическом поле и подлежащих разделению. В соответствии со своей подвижностью разделяемые ионы перемещаются вверх и вниз по потоку обрабатываемого раствора и, таким образом, разделяются (1) (Chemie-Ingenier-Тechnik, 42, 1090-1094, 1970).

Недостатками известного способа разделения ионов является низкая эффективность процесса отделения из смеси элементов. Последнее связано с тем, что значительна инерционность и продолжительность процессов, непосредственно предшествующих процессу разделения ионов из смеси. Сначала надо растворить химическим способом смесь, затем разогнать все ионы в электрическом поле и дождаться момента, когда отделяемые ионы в сравнении с другими ионами, находящимися в растворе, приобретут разную подвижность. Следует заметить, что все это надо осуществить в условиях, когда смесь ионов в растворе находится в ограниченном объеме разделительной колонки, содержащей последовательный ряд диафрагм, через которые (как через сито) осуществляют сквозное движение ионов. Последнее означает, что такому способу разделения ионов присуще высокое гидравлическое сопротивление. Все это, вместе взятое, снижает резко эффективность способа разделения ионов. Кроме того, поскольку этот процесс происходит при нормальных условиях, характеризуемых невысокой температурой (в способе нет подогрева), то это резко снижает подвижность ионов в растворе, а значит, и интенсивность разделения ионов. Способ разделения ионов является узкопрофильным, так как для осуществления разделения ионов он в каждом конкретном случае избирательно требует свой индивидуальный раствор, как по химическому составу, так и по его концентрации и скорости протекания гидрохимических процессов разделения ионов в растворе. Следует подчеркнуть, что для осуществления этого способа требуется предварительно подготовленный раствор ионов, подлежащих разделению.

Известен способ разделения ионов путем обработки раствора, содержащего ионы различных элементов по способу, предложенному в (1), в котором также используется электрическое поле, создаваемое электродами: катодом и анодом, погруженных в раствор разделяемой смеси и подключенных к источнику постоянного тока. Однако в отличие от него, с целью разделения плутония от урана или трансурановых элементов, на обработку подают азотнокислый раствор разделяемой смеси элементов, в качестве комплексообразующего соединения используют уксусную кислоту или смесь фторида щелочного металла и плавиковой кислоты. Кроме этого основного пункта формулы изобретения в патенте имеется два зависимых пункта, касающихся также введения в раствор различных кислот, в частности, муравьиной кислоты и плавиковой. Таким образом, весь патент относится к осуществлению процесса разделения ионов в растворе и требует добавления в раствор кислот, фторидов в водную среду (2) (патент СССР N 561494, МКИ B 01 D 59/46, 1977). Как способ (1), так и способ, вышеизложенный, могут быть использованы в том случае, если предварительно приготовлен водный раствор смеси разделяемых ионов. Этот способ разделения ионов по источнику (2) принят в качестве прототипа.

Недостатком этого способа по источнику (2) является: во-первых, необходимость использования водного раствора смеси разделяемых ионов, во-вторых, использования в растворе различных веществ, таких, как плавиковая, азотная, муравьиная кислота, фториды щелочных металлов, уксусная кислота, в-третьих, способу присущ узкий диапазон использования, о чем говорит определенный долевой состав кислот и других веществ, указанный в формуле патента, в-четвертых, наличие молекулярных сит в виде последовательно установленных диафрагм, в-пятых, осуществлению продвижения ионов при нормальных термодинамических условиях - атмосферном давлении и температуре окружающей среды в растворе порядка 20^oC. Очевидно, что все это понижает эффективность разделения ионов, усложняет технологию в целом, удорожая его применение. Кроме того, при использовании возникают трудности с захоронением отходов производства, содержащих кислотные отходы и отходы фторидов щелочных металлов и т.д., что резко понижает его притягательность с точки зрения охраны окружающей среды.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса разделения ионов, в частности, при отделении делящегося изотопа урана-235 из природного урана, в основном состоящего из урана-238. Одновременно при этом упрощается в целом технология и расширяются функциональные возможности способа разделения ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе разделения ионов осуществляют обработку вещества в объеме разделительной колонки и содержащей изотопы одного элемента, например, урана-235, в природном уране, в основном состоящем из урана-238, в электрическом поле, создаваемом источником тока, между электродами, погруженными в раствор электролита. В качестве вещества, подвергаемого разделению, используют материал в твердом кристаллическим состоянии, например, в виде пластин из металлического природного урана, погруженных в раствор электролита, одновременно выполняющих роль электродов, при этом разделение ионов в таком твердом массиве материала осуществляют с помощью переменного электрического поля переменной частоты, образующегося при протекании переменного электрического тока регулируемой частоты между электродами, которые питаются от источника переменного тока регулируемой частоты. В качестве электролита используют воду. В ряде случаев в водную среду могут быть введены комплексообразующие соединения, например, уксусная кислота.

На чертеже схематически представлен вариант исполнения разделительной колонки для разделения из смеси изотопов урана - урана-235 от основного изотопа природного урана, урана-238. Этот вариант выбран ввиду большого значения этого процесса для атомной энергетики.

Разделительная колонка состоит из открытой сверху емкости 1, в которой размещены два стержня - 2, 3 на определенном расстоянии друг от друга с зазором 4, к которым подсоединены пластины из металлического природного урана 5, 6. Стержень 2 и пластина 5 образуют один электрод, с одной стороны, а с другой стороны - стержень 3 и пластина 6 другой электрод соответственно. Пластины 5 и 6 погружены в раствор электролита 7. К стержням 2 и 3 электродов подают электрический потенциал от источника переменного тока 8. Частоту сети регулируют в широком диапазоне частот от 50 Гц вплоть до 500 Гц и выше с помощью регулятора частоты 9. По трубопроводу 10 подают воду в емкость разделительной колонки 1. По трубопроводу 11 - комплексообразующее соединение. В упрощенном варианте в разделительную колонку комплексообразующее соединение не подают. По трубопроводу 12 осуществляют отвод водной среды - электролита 7 из разделительной колонки 1. В последнем находятся атомы делящегося изотопа урана-235.

Согласно предложенному способу процесс разделения ионов в объеме разделительной колонки 1 осуществляют следующим образом. В объем разделительной колонки 1 заливают по трубопроводу 10 обычную воду - электролит 7, по трубопроводу 11 подают комплексообразующие соединения, в качестве которых используют уксусную кислоту или фториды щелочных металлов и плавиковую кислоту. По трубопроводу 12 осуществляют отвод водной среды - электролита 7, внутри которого находятся атомы делящегося изотопа урана-235, за пределы делительной колонки 1. Скорость в трубопроводах 10, 11, 12 устанавливают такой, чтобы все процессы находились в равновесном балансе и обеспечивали максимальный процесс разделения ионов. При пропускании переменного электрического тока от источника 8 регулятором частоты 9 создают заданную частоту. Такой переменный ток с определенной частотой поступает на стержни 2, 3 пластины 5, 6 электродов и далее через водную среду - электролит 7 будет происходить электрическое замыкание цепи в зазоре 4. При этом на участке от источника электрического тока 8 до участка цепи ограниченном стержнями 2, 3 и пластинами металлического урана 5 и 6 в цепи будет протекать ток электронный, тогда как в зазоре между электродами 4 в электролите 7 - ток ионный. На границе раздела, находящейся на поверхности пластин 5 и 6, будут происходить сложные электрохимические процессы, носящие многофункциональный характер. Это и создает многофункциональный характер воздействия на поверхностные слои пластин 5, 6, находящихся под воздействием переменного потенциала. Во-первых, электролит 7 в зазоре 4 между пластинами 5 и 6 выполняет роль омического сопротивления, что приводит к нагреву электролита 7 в объеме разделительной колонки 1. Так как емкость 1 находится при атмосферных условиях (крышка открыта), то электролит 7 может быть нагрет до температуры 100^oC соответственно нагреву до кипения при атмосферных условиях. Так как вода подводится по трубопроводу 10, 11 и отводится по трубопроводу 12, то очевидно, что нагрев будет снижаться относительно потенциально возможной температуры 100^oC. В принципе, если это необходимо, то используя замкнутый объем разделительной колонки 1 можно повысить давление, следовательно, и температуру нагрева электролита 7. Во-вторых, электронный ток, протекающий на поверхности пластин 5 и 6 из металлического урана в водный раствор - электролит 7, с одной стороны, заряжает электролит 7 отрицательно, а сами пластины 5 и 6 - положительно. При этом малые концентрации урана-235 в природном уране отталкиваются от основного положительного массива урана-238, составляющего основу природного урана. Поэтому уран-235 с большей скоростью, чем уран-238, начинает выталкиваться из природного урана, как инородный, разрывая связи под воздействием значительных сил электростатического отталкивания, выталкиваясь в раствор электролита 7. Этому же способствует электролит 7, заряд которого становится отрицательным, причем отрицательным на ионной основе электролита 7. Последнее позволяет достаточно эффективно вытягивать примесные концентрации урана-235 из природного урана, в основном состоящего из массива урана-238.

Поскольку уран-235 в природном уране составляет 0,7%, то он является примесью, а значит не образует монолитного массива. Поэтому примесь имеет большую вероятность для вытеснения из смеси, чем массив, состоящий из 99,3% урана-238, имеющегося в природном уране. Этот эффект усиливается тем, что уран-235 на три единицы легче урана-238, он слабо, с точки зрения атомной структуры, связан со сплошным массивом урана-238 в природном уране и поэтому он легче вытесняется из него в раствор электролита 7 в режиме динамической диффузии под действием мощного электронного потока - газа, движущемся в режиме мощного колебательного движения, в водный объем электролита 7. Этому же способствует то, что пластины 5 и 6 металлического урана в емкости 1 выполняют функцию электродного котла, поддерживающего температуру, а значит, и колебательный процесс в массиве разделительной колонки на достаточно высоком уровне. Заряженные концы урана-235, вытесненные из массива, образованного пластинами 5 и 6 природного металлического урана, попав в водный раствор 7, замедляют свой ход и нейтрализуются отрицательным зарядом электролита 7, преобразуясь в нейтральные атомы, находящиеся в водной среде. При сбалансированной подаче и отводе среды из емкости 1 происходит оптимальный процесс разделения ионов. Как видно из вышеизложенного, процесс разделения ионов носит электродинамический характер, который может ускоряться или замедляться за счет изменения частоты протекания электрического тока. Увеличение частоты увеличивает частоту изменения электронного потока, что означает, что увеличилась плотность вытеснения примесей с пластин 5 и 6, уменьшение приводит к снижению концентрации примеси в пластинах 5 и 6. Таким образом, изменяя частоту можно подобрать параметры оптимального процесса вытеснения тех ионов, которые в массиве смеси играют роль примесной структуры. В ряде случаев может быть использовано для усиления вытягивания ионов примесной структуры комплексообразующее соединение, которое одновременно усиливает роль водного раствора как электролита. Таким путем заявляемый способ разделения ионов из разряда электрохимических переведен в разряд электрофизических с сильным динамическим фактором воздействия. Кроме того, процесс разделения ионов из раствора переведен в сторону обработки материала, подвергаемого разделению на твердую, фиксированную кристаллически сформированную поверхность, на которой материал примесной структуры как слабо скрепленный с основным массивом, имеющий малый атомный вес по сравнению с основным изотопом, организацией воздействия на примесные структуры потоком электронов с переменной плотностью и амплитудой, позволяют резко интенсифицировать процесс разделения на ионы, независимо от атомного веса элементов и их химической активности.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа разделения ионов в сравнении с известными состоят в следующем.

1. Организацией процесса разделения на границе раздела структур твердая поверхность - водный раствор электролита с привлечением для вытеснения примесной кристаллической структуры урана-235 разноколебательного процесса, образованного электронным током в металлических пластинах материала, подвергаемого разделению на ионы, с одной стороны, и ионного тока, протекающего в зазоре 4, с другой стороны.

2. Образованием на границе раздела сред конденсаторной пары, где плюсовым полюсом является материал, точнее твердые кристаллические поверхности пластин 5 и 6, с которых при стекании электронного потока в воду на поверхности пластины образуется плюсовой полюс конденсатора, а на смежной с ней стороне в воде формируется электронным потоком минусовой полюс конденсатора. Причем этот процесс находится в процессе непрерывного изменения в каждый момент времени, так как ток электронов переменный и возможно изменение его частоты в широких пределах. При этом плюсовой полюс, ввиду того, что в нем отсутствует сплошность, по сути образован положительными ионами основного материала - урана-238, образующего сплошной монолит и примеси "приклеившиеся" в природной смеси урана и по этой причине слабо связанные с монолитом, поддающиеся при организации электронного, потокового направленного движения к вытеснению из твердой структуры. Отрицательный полюс конденсатора, чем и является вода в зазоре 4, принимая положительные ионы примесей (уран-235), нейтрализует их в растворе, формируя из них атомы урана-235. Так проявляется процесс электростатической интенсификации процесса разделения материала на ионы.

3. Организацией подогрева материала в зазоре 4, а следовательно, и в объеме электролита 7, находящегося в емкости 1. Это поддерживает интенсивный колебательный процесс во всем массиве разделительной колонки, что и способствует еще большему "расшатыванию" многонуклонных элементов, какими являются уран-235 и уран-238. Это также способствует процессу вытеснения слабоконцентрированной примеси урана-235 из естественной смеси природного урана.

4. Организацией вытягивания урана-235 из пластин природного урана за счет введения в раствор электролита комплексообразующих соединений, одновременно повышающих электролитическое воздействие на протекание тока в зазоре.

5. Исключение процесса растворения из процесса разделения на ионы. В заявленном способе процесс разделения осуществляется на поверхности твердой кристаллической структуры, где ввиду наличия твердой структуры высока концентрация примесной структуры в единице объема, в сравнении с ионной системой, находящейся в растворенном состоянии в воде, требующей химического взаимодействия с реагентами. Это инертная и могозатратная система в сравнении с заявляемым способом решение.

6. Упрощение технологии процесса разделения ионов, так как в качестве электролита используется только обычная вода, что также важно с точки зрения захоронения продуктов и защиты охраны окружающей среды. Кроме того, этому способствует высокая температура, постоянно имеющаяся в процессе работы.

7. Многофункциональное, универсальное использование способа как для обогащения урана, так и для обработки трансурановых элементов и элементов, появляющихся в облученных топливах, так как в способе осуществляется электрофизический механизм воздействия и интенсификации процесса разделения ионов, причем его подрегулировка осуществляется за счет изменения частоты электрического тока, величиной нагрева, организацией равновесного процесса с помощью равновесного движения с помощью трубопроводов 10, 11 и 12. Из 12 вытекает раствор, содержащий уран-235.

Готовность способа к использованию высока, так как он намного проще способа, предложенного в прототипе (2) и для своей реализации требует детали и узлы, широко используемые в лабораторной практике, в промышленности.

Изобретение предназначено для разделения изотопов одного или разных элементов и может быть использовано при обработке ядерного топлива после длительной работы в ядерных реакторах. В воду подают комплексообразующее соединение. Пропускают переменный ток. На участке между электродами (2,3) и пластинами (5,6) протекает электронный ток, а в зазоре (4) - ионный. Пластины (5,6) изготовлены из вещества, подвергаемого разделению, например из природного урана. Заряженные ионы урана-235 вытесняются из массива между пластинами (5,6) и переходят в водный раствор (7), нейтрализуются его отрицательным зарядом и отводятся из установки. При изменении частоты переменного тока от 50 до 500 Гц регулируются параметры разделения. Технический результат - урощение технологии разделения ионов, отсутствие вредных и радиоактивных стоков, многофункциональность. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения ионов в объеме разделительной колонки, содержащей изотопы элементов, в переменном электрическом поле, создаваемом источником тока между электродами, погруженными в раствор электролита, отличающийся тем, что в качестве вещества, подвергаемого разделению, используют материал в твердом кристаллическом состоянии в виде электродов, к которым подведен перменный потенциал от источника с регулируемой частотой, а в качестве электролита применяют воду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электролит добавляют комплексообразующее соединение.