СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА ИЗ ОТРАБОТАННЫХ ФИЛЬТРОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/28 G21C19/44 

Изобретение относится к радиохимическому производству и может найти применение на предприятиях переработки отработанных фильтров от газоочистных систем производства топливных таблеток UO₂ и др.

Известно, что в производстве ядерного топлива на вытяжные системы от мест пыления устанавливают фильтры, в которых улавливается пыль от пылящих операций.

Фильтр представляет собой деревянный корпус, внутри которого размещены параллельно друг другу гофрированные пластины из полимерного материала с послойным размещением между ними фильтровального полотна Петрянова (ФПП) и имеет марку:
Ф-28у (ФПП-15-4,5);
Ф-14у (ФПП-15-4,5);
ФК-1,4 (ФПП- 15-3);
Ф-5 (ФПП-15-3).

Накопление пыли урана происходит в ФПП между гофрированными пластинами. Известно, что двуокись урана UO₂, идущая на приготовление топливных таблеток для тепловыделяющих элементов для энергетических реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-440, имеет обогащение по урану 235 2 - 4,4%, что накладывает известные ограничения при работе с этим материалом по ядерной безопасности (см. Отраслевые правила ядерной безопасности для производства тепловыделяющих элементов (см. ПБЯ-06-01-95. М., 1995 г., стр.15, таблица 6).

Известно, что фильтры относятся к горючим материалам и перед последующей переработкой они должны быть специально подготовлены (см. А.А.Майоров, И.Б. Браверман. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр. 119, 7.3). Специальная подготовка фильтров включает их сжигание на установке сжигания горючих отходов (см. там же стр. 119, 7.3.1., рис. 7.4) и измельчение золы (см. там же стр. 121).

К недостаткам операции подготовки фильтра к извлечению из него урана является то, что в связи с большими габаритами корпус фильтра перед загрузкой на сжигание требуется разрушить для того, чтобы он вошел в люк загрузки печи, что ведет к загрязнению пылью атмосферы воздуха и к опасности для здоровья персонала. При сжигании фильтров вновь загрязняются фильтры, установленные на газоочистной системе печи сжигания, что требует переработки и частой замены новыми фильтрами. В процессе сжигания фильтров происходит остекловывание и спекание некоторых соединений (пластины гофрированные из полимерного материала, ФПП), что требует введения операции измельчения золы, так как иначе будет затруднено выщелачивание, что потребует длительного времени и затрат концентрированных реагентов. Кроме того, операция измельчения является пылящей операцией (см. там же стр. 121). Вскрытие золы и выщелачивание из нее осуществляют в более жестких условиях, чем бракованных окислов урана. Пульпу перемешивают при кипячении в течение нескольких часов, а вскрытие-выщелачивание ведут в каскаде реакторов, соединенных последовательно с последующей фильтрацией и экстракцией в 5-30%-ном растворе трибутилфосфата в органическом разбавителе (см. там же стр. 121).

Однако производственные растворы, особенно растворы из золы, перерабатываемые экстракционным способом, кроме уранилнитрата UO₂ (NO₃)₂, содержат целый ряд примесей в виде катионов (железо, алюминий, кальций, магний, натрий и др.), нерастворимую в азотной кислоте кремневую кислоту и трудноотделимые, при фильтрации, мелкодисперсные твердые взвеси (см. В.Б. Шевченко, Б. Н. Судариков. Технология урана, М., 1961 г., стр. 226, 228, 3).

В процессе экстракции при контакте уранилнитрата с органической фазой (трибутилфосфат в керосине) происходит образование стабилизированных эмульсий - "медуз" труднорасслаиваемых коллоидных соединений, которые коагулируют из уранилнитрата кремневую кислоту и мелкодисперсионные твердые взвеси (железо, графит, алюминий и т.д.) и мешают стабильной работе экстракции, нарушают движение потоков водной и органических фаз. Кроме того, в процессе экстракции и реэкстракции скоагулированные взвеси - "медузы", попадая в реэкстракт, приводят к получению некондиционных по примесям растворов реэкстракта.

В процессе экстракции отделение примесей и перевод их в рафинад (сбросные воды) происходит только растворенных примесей из раствора уранилнитрата, тогда как "медузы" могут попадать в реэкстракт с органической фазой. Существующие методы удаления этих "медуз" вычерпыванием трудоемки и не обеспечивают требуемой чистоты растворов.

Технической задачей изобретения является сокращение технологического цикла извлечения из фильтров урана, снижения потерь урана, затрат реагентов, трудозатрат, исключения запыленности воздушной среды и обеспечение ядерной безопасности.

Эта техническая задача решается тем, что в способе извлечения урана из отработанных фильтров с параллельным расположением гофрированных пластин из полимерного материала с послойно размещенным между ними фильтрованным полотном Петрянова (ФПП), характеризующимся тем, что на противоположных стенках корпуса по торцам гофрированных пластин с вертикальным их расположением пробивают отверстия, выщелачивание урана в горячем растворе азотной кислоты осуществляют одновременно с фильтрацией просачиванием раствора азотной кислоты через пробитые отверстия в корпусе и послойно размещенное волокнистое фильтрованное полотно (ФПП) между перфорироваными пластинами из полимерного материала фильтра, скорость выщелачивания урана из фильтра просачиванием определяют по формуле

где W - скорость выщелачивания и фильтрации просачиванием, л/мин;
S - площадь фильтрации, см²;
m - масса накопленного урана, г;
H - толщина фильтрующего материала, мм;
K - коэффициент, определяемый экспериментально для каждого типа фильтра и зависящий от пористости фильтрующего материала.

Выщелачивание просачиванием через фильтр проводят до заданной концентрации урана в растворе азотной кислоты путем возврата раствора уранилнитрата на выщелачивание просачиванием, но без превышения ядерно-безопасной концентрации урана в уранилнитрате, с предварительной очисткой уранилнитрата от примесей путем его пропускания через слой трибутилфосфата в разбавителе непосредственно после выщелачивания просачиванием.

Эта техническая задача решается тем, что в установке для осуществления способа извлечения урана из отработанных фильтров с параллельным расположением гофрированных пластин из полимерного материала, с послойно размещенным между ними фильтровальным полотном Петрянова (ФПП), характеризующийся тем, что она имеет бокс, установленный на крышке плоской емкости, люк, которой сообщен с боксом и снабжен ограничителем размещения над ним обрабатываемого фильтра с предварительно пробитыми в нем отверстиями на верхней и нижней крышках, бокс в боковых стенках имеет отверстия, ограничивающие возможную толщину плоского слоя уранилнитрата на уровне ядерно-безопасной толщины плоского слоя и сообщенные трубопроводом слива с плоской емкостью, в верхней части бокса размещены патрубки ввода раствора азотной кислоты и возврата уранилнитрата непосредственно в верхнюю часть корпуса обрабатываемого фильтра через съемный патрубок с уширением в нижней части, равным по периметру верхней крышке обрабатываемого фильтра, в люке крышки плоской емкости размещен узел предварительной очистки уранилнитрата от примесей, выполненной в виде плоской, равной по размерам люку съемной ловушки, разделенной вертикальной перегородкой на два сообщающихся между собой сосуда, один из которых через слой трибутилфосфата в разбавителе сообщен с обрабатываемым фильтром, а другой снабжен сеткой из нержавеющей стали вывода очищенного от примесей раствора уранилнитрата в плоскую емкость.

Предложенный способ извлечения урана из отработанных фильтров и установка для его осуществления позволяет:
1. сократить технологический цикл извлечения урана из фильтров;
2. исключить операции разрушения фильтров, сжигания фильтров, измельчения золы, каскадного вскрытия-выщелачивания урана из золы, фильтрации как самостоятельной операции;
3. снизить потери урана, затрат реагентов, трудозатраты;
4. исключить запыленность воздушной среды;
5. обеспечить ядерную безопасность;
6. исключить оборудование; печь сжигания фильтров, оборудование измельчения золы, аппараты выщелачивания за счет проведения выщелачивания в корпусе вскрываемого фильтра, аппараты фильтрации.

На чертежах представлен способ извлечения урана из отработанных фильтров и установка для его осуществления, где
на фиг. 1 - технологическая схема цепи аппаратов установки,
на фиг. 2 - емкость с боксом выщелачивания (разрез),
на фиг. 3 - емкость с боксом выщелачивания (внешний вид).

Установка для осуществления способа извлечения урана из отработанных фильтров газоочистительных систем производства и снаряжения ядерного топлива включает бокс 1 подготовки фильтра 2 к извлечению из него урана, узел 3 выщелачивания урана в горячем растворе азотной кислоты в виде корпуса фильтра, плоскую емкость 4 с усеченным дном 5 в ядерно-безопасном исполнении, разделенную вертикальной перегородкой 6 на два сообщающихся сосуда 7, 8, в одном из которых на крышке выполнен люк 9, а в другом - патрубок 10 вывода раствора.

Узел трибутилфосфатного экстракционного аффинажа растворов урана содержит экстрактор 11 и реэкстрактор 12, узел 13 предварительной очистки уранилнитрата и средства перекачки растворов в виде трубных емкостей 14, 15 в ядерно-безопасном исполнении.

Бокс 1 подготовки фильтра 2 к извлечению из него урана жестко установлен на крышке плоской емкости 4 с усеченным дном, люк 9 в крышке сообщен с боксом и снабжен ограничителями 16 размещения над ним обрабатываемого фильтра 2 с предварительно пробитыми в нем отверстиями 17 на верхней и нижней крышках. В боковых стенках бокса 1 выполнены отверстия 18, ограничивающие возможную толщину плоского слоя уранилнитрата на уровне ядерно-безопасной толщины плоского слоя и сообщены трубопроводом 19 слива с плоской емкостью 4 с усеченным дном.

В верхней части бокса 1 размещены патрубок 20 ввода раствора азотной кислоты, патрубок 21 ввода воды и патрубок 22 возврата уранилнитрата непосредствено в верхнюю часть обрабатываемого фильтра 2 через съемный патрубок 23 с уширением в нижней части, равным по периметру верхней крышке обрабатываемого фильтра 2, внутри которого размещены гофрированные пластины 24 из полимерного материала с послойным размещением между ними фильтрующего полотна Петрянова (ФПП). Для узла 3 выщелачивания урана в горячем растворе азотной кислоты и узла фильтрации использован корпус обрабатываемого фильтра 2, т.е. его внутренняя часть (ФПП).

Узел 13 предварительной очистки уранилнитрата от примесей размещен в люке 9 крышки емкости 4 с усеченным дном и выполнен в виде плоской, равной по размерам люку 9 съемной ловушки, разделенной вертикальной перегородкой 25 на два сообщающихся сосуда 26, 27, один из которых через слой 28 трибутилфосфата в разбавителе сообщен с обрабатываемым фильтром 2, другой снабжен сеткой 29 из нержавеющей стали вывода очищенного от примесей раствора уранилнитрата в емкость 4 с усеченным дном.

Узел трибутилфосфатного экстракционного аффинажа раствора урана (экстрактор 11 и реэкстрактор 12) выполнен однокаскадным.

Плоская емкость 4 с усеченным дном снабжена концентратомером 30 урана и устройством нагрева 31 (электрический или паровая рубашка на емкости 4 (не показана) и поддержания заданной температуры. Бокс 1 снабжен местом промывки фильтра 2 после выщелачивания и второй емкостью 32 сбора промывочных вод растворов азотной кислоты, закрепленной к боксу 1 и через аналогичный люк 9 сообщена с местом промывки в боксе 1 фильтра 2, прошедшего выщелачивание. Емкость 32 снабжена трубопроводом 33 подачи пром. вод вместо воды на приготовление азотнокислого раствора и концентратомером 34 урана. Бокс 1 снабжен форкамерой 35 и системой вентиляции 36.

Способ извлечения урана из отработанных фильтров и установка для его осуществления работают следующим образом. Отработанные фильтры 2 газоочистных систем производства и снаряжения ядерного топлива подвергают операции подготовки к извлечению из них урана на узле подготовки фильтра в боксе 1.

Пробивают отверстия 17 на противоположных стенках корпуса фильтра 2 по торцам гофрированных пластин 24 и между ограничителями 16 размещают в боксе 1 так, чтобы гофрированные пластины 24 в нем были вертикальны, а пробитые отверстия в корпусе фильтра были в верхней и нижней части корпуса фильтра 2 над люком 9 в крышке плоской емкости 4 с усеченным дном 5 в ядерно-безопасном исполнении.

На верхнюю крышку фильтра 2 устанавливают съемный патрубок 23 уширенной частью, равной по периметру верхней крышке. В люк 9 крышки плоской емкости 4 предварительно устанавливают узел 13 предварительной очистки уранилнитрата в виде плоской, равной по размеру люку 9 съемной ловушки, разделенной вертикальной перегородкой 25 на два сообщающихся сосуда 26, 27, в которые наливают азотнокислый раствор, либо уранилнитрат до перелива через нержавстальную сетку 29, а в сообщающийся сосуд 26 слой 28 трибутилфосфата в разбавителе (сульфированном керосине) с содержанием трибутилфосфата 10-20%. Поскольку органическая фаза по удельному весу меньше, чем водная фаза уранилнитрата, то слой органической фазы в сообщающемся сосуде - ветви 26 постоянно сохраняется.

Выщелачивание урана в горячем растворе азотной кислоты 60-90^oC осуществляют одновременно с фильтрацией путем подачи азотной кислоты через патрубок 20, воды - через патрубок 21 смешения их до 20% HNO₃, нагрева в устройстве нагрева 31 до 60-90^oC, подачи через пробитые отверстия 17 в фильтре 2 между гофрированными пластинами 24 через слой ФПП узла 3 выщелачивания, т.е. сам фильтр 2 является узлом выщелачивания и фильтрации просачиванием.

При этом скорость фильтрации с одновременным выщелачиванием урана из волокнистой части фильтра ФПП определяют по формуле

где W - скорость выщелачивания и фильтрации просачиванием, л/мин;
S - площадь фильтрации, см²;
m - масса накопленного урана, г;
H - толщина фильтрующего материала, мм;
K - коэффициент, определяемый экспериментально для каждого типа фильтра и зависящий от пористости фильтрующего материала.

Пример:
S = 1200 см²
m = 5000 г
H = 10 мм
К = 416,6
Скорость фильтрации с одновременным выщелачиванием урана при этом составит;

Уранилнитрат после фильтра 2 поступает на узел 13 предварительной очистки уранилнитрата от примесей в виде съемной ловушки где, проходя через слой 28 трибутилфосфата в разбавителе, образует стабилизированные эмульсии - "медузы", которые коагулируют на себя твердые мелкодисперсные взвеси, которые обычный фильтр не задерживает. Мелкодисперсные взвеси - "медузы" накапливаются в ловушке. Причем, чем их больше, тем чище раствор уранилнитрата, проходящий через них. "Медузы" задерживаются на сетке из нержавеющей стали 29 ловушки, а чистый раствор уранилнитрата попадает в плоскую емкость 4, разделенную перегородкой 6 на сообщающиеся сосуды 7, 8, где на усеченном днище 5 накапливается случайно попавший осадок и выводится из емкости, а чистый раствор уранилнитрата через патрубок 10 выводится из емкости 4.

Выщелачивание просачиванием проводят до заданной концентрации урана в растворе азотной кислоты путем постоянного замера концентратомером 30 концентрации урана в растворе уранилнитрата и повторного направления уранилнитрата на выщелачивание через трубную емкость 14 в ядерно-безопасном исполнении и патрубок 22, но без превышения ядерно-безопасной концентрации по сумме изотопов урана 250 г/л.

При разливе уранилнитрата в боксе 1 предусмотрен аварийный слив через отверстия 18, трубопровод 19 в емкость 4, обеспечивающий ядерно-безопасный слой.

Фильтр 2 после выщелачивания направляется на отмывку в том же боксе 1, где промываются просачиванием 5% HNO₃, пром. воды собираются в плоскую емкость 32, аналогичную емкости 4 и через трубную емкость 15 пром. воды направляются либо на повторную промывку фильтра 2, либо направляются в качестве воды по трубопроводу 33 на выщелачивание. Концентрация урана при этом измеряется концентратомером 34. Отмытый фильтр 2 через форкамеру 35 выводится из бокса 1 и заменяется очередным отработанным фильтром 2. Из емкости 14 уранилнитрат направляется на экстракцию 11, где рафинад (показан сплошной стрелкой) выводится на сброс, а реэкстракт из реэкстрактора 12 (показан сплошной стрелкой) направляется на дальнейшую переработку.

Сущность изобретения: пробивают отверстия на противоположных стенках корпуса отработанного фильтра по торцам гофрированных пластин и проводят выщелачивание урана одновременно с фильтрацией просачиванием горячего раствора азотной кислоты через пробитые отверстия в корпусе и послойно размещенное волокнистое фильтровальное полотно. Доводят концентрацию урана в растворе азотной кислоты до заданной путем возврата раствора уранилнитрата на выщелачивание просачиванием, но без превышения ядерно-безопасной концентрации урана в растворе. После выщелачивания фильтр направляется на отмывку, уранилнитрат направляется на экстракцию, а реэкстракт направляется на дальнейшую переработку. Установка для осуществления способа извлечения урана из отработанных фильтров включает бокс 1 для подготовки фильтра к извлечению из него урана, узел выщелачивания урана в горячем растворе азотной кислоты 3 и плоскую емкость 4, разделенную на два сообщающихся сосуда. В верхней части бокса 1 размещены патрубок 20 для ввода раствора азотной кислоты, патрубок 21 для ввода воды и патрубок 22 для возврата уранилнитрата в верхнюю часть обрабатываемого фильтра. Узел трибутилфосфатного экстракционного аффинажа содержит экстрактор 11, реэкстрактор 12, узел предварительной очистки уранилнитрата 13 и средства перекачки растворов 14, 15. Узел 13 выполнен в виде плоской съемной ловушки, разделенной вертикальной перегородкой 25 на два сообщающихся сосуда, один из которых через слой 28 трибутилфосфата в разбавителе сообщен с обрабатываемым фильтром, а другой снабжен сеткой 29 из нержавеющей стали вывода очищенного раствора уранилнитрата в емкость 4. Преимуществами изобретения являются: сокращение технологического цикла извлечения из фильтра урана, снижение потерь урана, затрат реагентов, трудозатрат, исключение запыленности воздушной среды и обеспечение ядерной безопасности. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ извлечения урана из отработанных фильтров с параллельным расположением гофрированных пластин из полимерного материала с послойно размещенным между ними фильтровальным полотном Петрянова (ФПП), характеризующийся тем, что на противоположных стенках корпуса по торцам гофрированных пластин с вертикальным их расположением пробивают отверстия, выщелачивание осуществляют одновременно с фильтрацией просачиванием раствора азотной кислоты через пробитые отверстия в корпусе и послойно размещенное волокнистое ФПП между гофрированными пластинами из полимерного материала фильтра, скорость выщелачивания урана из фильтра просачиванием определяют по формуле

где W - скорость выщелачивания и фильтрации просачиванием, л/мин;
S - площадь фильтрации, см²;
m - масса накопления урана, г;
н - толщина фильтрующего материала, мм;
К - коэффициент, определяемый экспериментально для каждого типа фильтра и зависящий от пористости фильтрующего материала, выщелачивание просачиванием через фильтр проводят до заданной концентрации урана в растворе азотной кислоты путем возврата уранилнитрата на выщелачивание просачиванием, но без превышения ядерно-безопасной концентрации урана в уранилнитрате, с предварительной очисткой уранилнитрата от примесей путем его пропускания через слой трибутилфосфата в разбавителе непосредственно после выщелачивания просачиванием. 2. Установка для осуществления способа извлечения урана из отработанных фильтров с параллельным расположением гофрированных пластин из полимерного материала с послойно размещенным между ними фильтровальным полотном Петрянова (ФПП), характеризующаяся тем, что она имеет бокс, установленный на крышке плоской емкости, люк которой сообщен с боксом и снабжен ограничителями размещения над ним обрабатываемого фильтра с предварительно пробитыми в нем отверстиями на верхней и нижней крышках, в боковых стенках бокса выполнены отверстия, ограничивающие возможную толщину плоского слоя уранилнитрата на уровне ядерно-безопасной толщины плоского слоя, и сообщены трубопроводом слива с плоской емкостью, в верхней части бокса размещены патрубки ввода раствора азотной кислоты и возврата уранилнитрата непосредственно в верхнюю часть корпуса обрабатываемого фильтра через съемный патрубок с уширением в нижней части, равным по периметру верхней крышке обрабатываемого фильтра, в люке крышки плоской емкости размещен узел предварительной очистки уранилнитрата от примесей, выполненный в виде плоской, равной по размерам люку съемной ловушки, разделенной вертикальной перегородкой на два сообщающихся между собой сосуда, один из которых через слой трибутилфосфата в разбавителе сообщен с обрабатываемым фильтром, а другой снабжен сеткой из нержавеющей стали вывода очищенного от примесей раствора уранилнитрата в плоскую емкость.