СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРУЖЕЙНОГО ПЛУТОНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C01G56/00 

Изобретение относится к способу переработки оружейного плутония с получением очищенных концентрированных растворов нитрата плутония и может быть использовано в технологии приготовления ядерного топлива для энергетических реакторов на основе оксидов плутония.

Исходным продуктом для приготовления оксидов плутония являются азотнокислые растворы плутония после экстракционной очистки. Однако, из-за пассивации металлического плутония в азотной кислоте невозможно получить растворы нитрата плутония прямым растворением металла, что усложняет технологию приготовления этих растворов.

Известен способ растворения отработанного металлического уран-плутониевого реакторного топлива в растворе 13 М азотной +0,5 М фтористоводородной кислот (Столер С., Ричард Р. "Переработка ядерного горючего", М, Атомиздат, 1964, с. 71). По этому способу облученные уран-плутониевые стержни массой 450-460 г полностью растворяли при температуре 125^oC за 12-20 часов. Полученные азотнокислые растворы направляли на экстракционный аффинаж с тремя циклами очистки плутония от урана и других элементов.

Известен способ растворения отработанного реакторного топлива на основе плутоний-алюминиевого сплава в 5,4 М азотной кислоте, содержащей 0,05 М азотнокислой ртути.

Carley C.M. and Wray L.W. The Dissolution and Processing of Plutonium-Aluminum Alloy Fuel Rods. Canadiun Report PDB-132. Atomic Energe of Canada Ltd. . Chalk River Project. Sept. 15, 1954). Полноe растворение облученных плутоний-алюминиевых стержней массой ~ 170 г происходило за ~ 150 часов. Полученные азотнокислые растворы плутония подвергали экстракционной очистке.

Известен способ растворения отходов рафинировочных плавок металлического плутония и стружки после токарной обработки изделий из плутония в 1,7 М сульфаминовой кислоте.

(Jenkins W.J.J. Inorg. Nucl. Chem., 25, 463, 1963).

Растворение проводили при температуре ниже 40^oC, чтобы избежать разложения сульфат-иона. За 60 минут растворения плутония максимальная его концентрация в растворе составила 134,0 г/л. Этот процесс сопровождался выделением водорода. Плутонийсодержащие сульфаминовые растворы могут быть переведены в очищенные азотнокислые растворы осаждением гидроокиси плутония, ее растворением в азотной кислоте с последующей экстракционной очисткой азотнокислого раствора.

Металлический плутоний с высокой скоростью растворяется в концентрированной соляной кислоте и с умеренной скоростью в разбавленной с выделением водорода.

(Coffinberry A.S. et. al Reactor Handbook. Vol. I. 2nd ed., Interscience Publishers, Inc., N.Y., 1960, p.262).

Солянокислые растворы плутония по аналогии с сульфаминовыми могут быть переведены в очищенные азотнокислые растворы.

Азотнокислые растворы плутония после экстракционной очистки (реэкстракты) могут быть сконцентрированы, например, методом упаривания (Pugh R. A. Notes Pertaining to Recuplex Product Evaporation, USAEC Report НW-32100, Handford Atomic Products Operation. Apr. 28, 1954) до содержания плутония в упаренных растворах 700-800 г/л. Упаривание нитрата плутония в большинстве случаев является простой операцией, но возможны случаи образования полимерных соединений плутония, что осложняет операции по концентрированию и переработке растворов.

Основным недостатком приведенных водных способов получения азотнокислых растворов плутония, взятых в качестве аналогов, является их многостадийность, что усложняет технологическую и аппаратурные схемы приготовления этих растворов.

Известен электролитический способ извлечения и очистки металлического плутония в расплаве эквимолярной смеси хлоридов калия и натрия, содержащем 8-10 мас.% трихлорида или трифторида плутония, при температуре 700-750^oC.

(Mullins L.J., Leary J.A. Fused-salt electrorefining of molten plutonium and its alloys by the Lamex Process. - Industrial and Engineering Chemistry, Process Design and Development, 1965, v.4, n.4, p.394-400, или L.J.Mullins, J. Leary, A.N.Morgan, W.J.Maramen. Plutonium electrorefining. Industrial and Engineering Chemistry, Process Design and Development, 1963, v.2, n.1, p. 20-24, или Mullins L.J., Leary J.A. Plutonium-238 for biomedical applications. Nucl. Applications, 1969, v.6, n.4, p.287-297). После рафинирования общее массовое содержание обнаруживаемых металлических и неметаллических примесей в рафинированном плутонии не превышает 0,02%. Этим способом перерабатывают сплавы плутония, например, с железом и галлием, возвратный оружейный плутоний, отработанное металлическое уран-плутониевое реакторное топливо. Электролитический способ рафинирования выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Электролитический способ рафинирования не требует переводить очищаемый плутоний в какие-либо химические соединения, так как в процессе рафинирования плутоний из анода переходит в электролит в виде ионов трехвалентного плутония, а на катоде эти ионы разряжаются до металла, таким образом происходит переход плутония из одного металлического состояния в другое с высокой степенью очистки от примесей.

Очищенный плутоний может быть использован для приготовления концентрированных растворов нитрата плутония по технологиям, описанным в аналогах.

Задачей изобретения является разработка более простой и менее затратной по сравнению с аналогами технологии переработки оружейного плутония до очищенных концентрированных растворов нитрата плутония.

Поставленная задача достигается тем, что в способе переработки оружейного плутония до очищенных концентрированных растворов нитрата плутония, пригодных для приготовления топлива энергетических реакторов на основе оксидов плутония, включающем электролитическое рафинирование оружейного плутония в расплаве галогенсодержащих солей, плутоний после электролитического рафинирования подвергают электрохимическому растворению в 1 - 5 М азотной кислоте (электролите) при температуре от 20^oC до 80^oC и анодной плотности тока 0.5 - 10 А/см² с использованием плутония в качестве анода.

При кислотности электролита ниже 1 М возможно образование коллоидных форм полимерных соединений плутония, а использование электролита с кислотностью выше 5 М нецелесообразно.

Повышение температуры электролита выше 80^oC приводит к его испарению, а также к пассивации анода, что уменьшает скорость растворения плутония и может привести к прекращению процесса.

При анодной плотности тока меньше 0.5 А/см² скорость растворения плутония незначительна, а при плотности тока больше 10 А/см² происходит местный перегрев электролита у анода и его вскипание, что снижает скорость растворения плутония.

Способ осуществляют следующим образом.

Электролитическое рафинирование оружейного плутония проводят в электролизной ячейке, которая включает в себя керамический стакан с катодным и анодным отделениями, вольфрамовый катод, жидкий плутониевый анод, керамическую мешалку для перемешивания электролита, токоподводы к катоду и аноду.

Электролитическое рафинирование проводят в электролите KCl-NaCl (эквимолярная смесь) + 8-10 масс.% PuCl₃ (PuF₃).

Плутоний предварительно переплавляют в слитки цилиндрической формы для удобства их размещения в анодном отделении керамического стакана. Электролизную ячейку, собранную и загруженную плутонием и галогенсодержащими солями, предварительно обезвоженными вакуумной сушкой при 300-350^oC, помещают в обечайку из жаропрочной металлической стали, прикрепленную с помощью штанг к крышке электролизного аппарата. Аппарат герметизируют, вакуумируют при нагреве до 300-350^oC, заполняют очищенным аргоном и далее нагревают до температуры расплавления плутония и солей (700-750^oC) и затем пропускают через расплавленные соли (электролит) постоянный ток от выпрямительного агрегата.

Электролитическое рафинирование проводят при температуре 700 - 750^oC, катодной плотности тока 0.05 - 0.1 А/см², анодной плотности тока 0.45-0.9 А/см² с перемешиванием электролита.

По окончании электролитического рафинирования плутония электролизный аппарат охлаждают, извлекают электролизную ячейку, отделяют катодный металлический плутоний и очищают его от пристывшего электролита, отбирают пробу (в виде стружки) от плутония для определения в нем содержания примесей (металлических и неметаллических).

Полученный рафинированный плутоний подвергают электрохимическому растворению в азотной кислоте. Электрохимическое растворение проводят с использованием плутония в качестве анода в электролизерах цилиндрической формы или ящечного типа с водоохлаждаемыми стенками при следующих параметрах: кислотность азотнокислого электролита 1 - 5 М, температура электролита от 20^oC до 80^oC, анодная плотность тока 0.5 - 10 А/см².

В качестве материала катода могут быть использованы тантал, титан, вольфрам, кислотостойкая нержавеющая сталь. Токоподвод к плутониевому аноду от источника постоянного тока осуществляют или через токопроводящую перфорированную корзину (например, из тантала), в которую загружают плутоний, или непосредственно через металлическую подвеску, в которой закрепляют плутоний.

Концентрация плутония в азотнокислом растворе (электролите) регулируется объемом электролита, величиной токовой нагрузки и временем электролиза, при этом количество плутония (g), перешедшего в электролит, определяется по формуле общего закона Фарадея для электролиза:
g = c•i•τ
где c=2,2 г/А • ч - электрохимический эквивалент плутония (IV);
i - сила тока, А;
τ - время электролиза, ч.

Полученный после электрохимического растворения раствор нитрата плутония имеет концентрацию 700 - 800 г Pu/л. Раствор корректируют по валентному состоянию (вводят перекись водорода для стабилизации плутония-IV) и кислотности и в дальнейшем используют в технологии приготовления реакторного топлива.

Предложенный в заявляемом изобретении способ позволяет получать очищенные концентрированные растворы нитрата плутония, сокращает число операций и снижает металлоемкость оборудования.

Очищенные концентрированные растворы нитрата плутония могут быть использованы, например, в золь-гель процессах для получения спеченных микросфер оксида плутония, как исходного продукта при производстве оксидного топлива энергетических реакторов, в процессах прямой денитрации высококонцентрированных растворов нитрата плутония с получением оксида плутония, который может быть также использован для приготовления реакторного топлива.

Изобретение относится к способу переработки оружейного плутония и может быть использовано в технологии приготовления ядерного топлива для энергетических реакторов на основе оксидов плутония. Результат изобретения: упрощение и удешевление технологии переработки. Способ включает электролитическое рафинирование плутония в расплавах галогенсодержащих солей и анодное растворение рафинированного плутония в 1-5 М азотной кислоте при температуре 20 - 80^oС и анодной плотности тока 0,5 - 10 А/см².

Способ переработки оружейного плутония до очищенных концентрированных растворов нитрата плутония, пригодных для приготовления топлива энергетических реакторов на основе оксидов плутония, включающий электролитическое рафинирование оружейного плутония в расплаве галогенсодержащих солей, отличающийся тем, что плутоний после электролитического рафинирования подвергают электрохимическому растворению в 1 - 5 М азотной кислоте при температуре 20 - 80^oС и анодной плотности тока 0,5 - 10 А/см² с использованием плутония в качестве анода.