СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕКСАФТОРИДОВ АКТИНИДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК C01G43/06 C01G56/00 B01J19/24 

Группа изобретений относится к области ядерной энергетики и может быть использована при переработке облученного ядерного топлива, а также в технологии разделения изотопов.

Известны способы получения гексафторидов актинидных элементов из их оксидных форм путем их прямого фторирования элементарным фтором (см. Б.В.Громов, Б.Н.Судариков, Э.Г.Раков и др. Химическая технология облученного ядерного горючего. Атомиздат, М.: 1971, стр.324-330). Прямое фторирование оксидов актинидных элементов проводят в реакторах с кипящим слоем инертных теплопроводных частиц, чаще всего оксида алюминия. При осуществлении способа трудно обеспечить режим устойчивой работы вследствие образования склонных к спеканию UO₂F₂ и UF₄. Кроме того, продукты фторирования актинидных элементов склонны к адсорбции на инертных теплопроводных частицах, что также снижает эффективность процесса фторирования.

Использование инертных теплопроводных частиц усложняет процесс утилизации отходов и, в определенной мере, увеличивает объем отходов, подлежащих к захоронению. Проведение процесса в аппаратах кипящего слоя требует довольно тонкого дробления исходного сырья при строгом контроле тонины дробления. Известные способы получения гексафторидов применимы только к использованию в качестве исходного продукта оксидных форм.

Известен способ получения гексафторидов актинидных элементов, в котором фторирование производят в расплаве фтористых солей. Процесс проводят при барботировании расплава фторирующими агентами, причем с целью снижения расхода элементарного фтора актинидные элементы переводят сначала в оксифториды или тетрафториды обработкой фтористым водородом в отдельном аппарате, а затем в другом аппарате элементарным фтором, который служит как в качестве фторирующего агента, так и в качестве окислителя (см. там же, стр.313-324).

К недостаткам способа следует отнести сложность технологической схемы ввиду наличия двух фторирующих агентов, высокую агрессивность и стоимость элементарного фтора, а также его экологическую опасность. Кроме того, при осуществлении барботажного процесса наблюдаются сравнительно низкие скорости химических реакций фторирования. Кроме того, известный способ применим также только при использовании в качестве исходного продукта оксидных форм.

Известно устройство для получения гексафторидов актинидных элементов, включающее двухкорпусной агрегат, один из корпусов которого предназначен для приготовления расплава фторидов актинидных элементов в расплаве фтористых солей при обработке исходных соединений актинидных элементов фтористым водородом с последующим получением из полученного расплава гексафторидов актинидов при воздействии элементарного фтора во втором корпусе. Первый корпус имеет в верхней части устройства для ввода фтористых солей и соединений актинидных элементов с последующим их расплавлением и взаимодействием с газообразным фторирующим реагентом в реакционной зоне. В нижней части реакционной зоны имеются устройства для ввода фтористого водорода в качестве газообразного фторирующего реагента и вывода расплава фторидов актинидных компонентов во фтористых солях во второй корпус. В верхней части выполнен газоход для отвода газов. Второй корпус содержит камеру фторирования, в нижнюю часть которой поступает расплав фторидов актинидных элементов во фтористых солях; устройство для подачи в нижнюю часть камеры фторирования элементарного фтора; устройство вывода расплава фтористых солей с верхнего уровня расплава камеры фторирования, газоход для отвода газообразных продуктов (см. там же, стр.316-319).

В известном устройстве используются два барботажных процесса с разными фторирующими агентами. Вследствие ограничения дутьевых нагрузок и соответственно скорости химреакций в гетерогенной системе жидкость - газ в барботажном режиме, устройство имеет сравнительно низкую производительность. Устройство, хотя и не исключает возможности зацикловывания фтористых солей, значительно усложняет эту операцию и требует максимального удаления актинидных элементов из расплава фтористых солей во втором корпусе, что снижает скорости процесса фторирования и соответственно производительность агрегата. Известное устройство не предназначено для переработки различных форм актинидных элементов и в особой мере водных растворов солей актинидных элементов.

Известен способ получения гексафторидов актинидных элементов, включающий расплавление оксидов актинидных элементов во фтористых солях с последующим переводом актинидных элементов в шестивалентное состояние и их фторирование, отличающийся тем, что в качестве окислителя используется кислород, а в качестве фторирующих агентов - фторированные углеводороды. Способ осуществляется в устройстве, включающем корпус, в котором размещены: узел загрузки фтористых солей и соединений актинидных элементов, узел расплавления и узел получения гексафторидов. При этом узлы растворения и получения гексафторидов выполнены в виде сообщающихся сосудов с организацией восходящего и нисходящего потоков циркулирующего расплава вокруг специальной перегородки (прототип заявка №2006145238). Известный способ и устройство не позволяет перерабатывать различные неустойчивые соединения актинидных элементов и в особой мере водные растворы их солей, вследствие смешения возгонов и гексафторидов.

Целью настоящего изобретения является организация процесса получения гексафторидов актинидных элементов при использовании в качестве исходных продуктов различных термически неустойчивых незолообразующих соединений актинидных элементов, включая их водные растворы, с разделением газовых потоков от термического разложения незолообразующих соединений актинидных элементов, включая водные растворы их солей, и от процесса фторирования.

Поставленную цель достигают за счет того, что в известном способе получения гексафторидов актинидных элементов, включающем расплавление оксидов актинидных элементов в расплаве фтористых солей с переводом актинидных элементов в шестивалентное состояние, фторирование в режиме циркуляции единым потоком расплавов фтористых солей, служащих в качестве реакционной и массотеплообменной среды, отличающемся тем, что процесс проводят в двух циркуляционных контурах с разделением газовой фазы каждого из контуров, в качестве исходных продуктов используют незолообразующие соединения актинидных элементов, которые обрабатывают в первом циркуляционном контуре с получением расплава оксидов актинидных элементов во фтористых солях, который передают во второй циркуляционный контур для последующей его обработки фторирующими агентами во фтористых солях с получением гексафторидов актинидных элементов.

Технический результат достигается за счет отгонки воды при обработке расплавами фтористых солей, исключения взаимодействия гексафторидов с парами воды, а также за счет обработки исходных продуктов расплавом фтористых солей, при котором происходит их термическое и реакционное разложение при обработке окислительными газами с получением расплавов оксидов актинидных элементов во фтористых солях.

Технический результат достигается также вследствие получения гексафторидов актинидных элементов в непрерывном режиме в одном аппарате с двумя циркуляционными контурами с разделением газовых потоков каждого циркуляционного контура.

Технический результат при этом заключается также в том, что термообработка исходного продукта и расплава оксидов актинидных элементов во фтористых солях производится в газлифтном режиме с максимальным дроблением (вплоть до пенного состояния) расплава. При этом скорости химических реакций и массо-, теплообмена значительно возрастают.

Технический результат достигается также за счет организации циркуляции расплава фтористых солей и увеличения времени обработки как исходного продукта, так и расплава оксидов актинидных элементов во фтористых солях, что повышает полноту протекания реакций.

Предлагаемое устройство для осуществления процесса иллюстрируется чертежом.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на две части, имеющей в нижней части отверстие 3 с образованием сообщающихся сосудов. В каждой части выполнены перегородки 4, 5 с образованием восходящего 6, 7 и нисходящего 8, 9 каналов. В нижней части восходящих каналов установлены фурмы 10, 11, с помощью которых организуется циркуляция расплава фтористых солей по двум независящим контурам. В одном из нисходящих каналов выполнен штуцер для подачи исходных продуктов 12. В верхней части пространства, разделенного перегородкой 2, выполнены газоотделительные камеры 13, 14 с газоходами 15, 16 и отбойными перегородками 17, 18. Поддержание рабочей температуры в устройстве производится с помощью нагревателей 19. Опорожнение устройства производится через обогреваемый канал 20.

Способ и устройство работает следующим образом.

Устройство прогревают с помощью нагревателей 19 до рабочих температур. После прогрева установки заливают через штуцер загрузки 12 расплав фтористых солей в расчетном объеме. После заполнения устройства расплавом фтористых солей через фурмы 10, 11 подают рабочие газы с организацией циркуляции расплава фтористых солей по двум циркуляционным контурам. После установившейся циркуляции с заданными параметрами начинают дозировать через загрузочный штуцер 12 под поток циркулирующего в первом контуре расплава фтористых солей исходный продукт. Под воздействием температур и реакционного газа в первом контуре происходит деструкция соединений актинидов до оксидов, которые расплавляются в расплаве фтористых солей

Во втором циркуляционном контуре производится обработка оксидов актинидов, содержащихся в расплаве фтористых солей, фторирующими агентами, подаваемыми через фурмы 11 с образованием гексафторидов актинидных элементов по реакции

Газовая фаза с первого циркуляционного контура удаляется через газоотделительную камеру 13 в газоход 15. Газы со второго циркуляционного контура удаляются через газоотделительную камеру 14 в газоход 16.

Обработка расплавом фтористых солей в режиме циркуляции в первом циркуляционном контуре позволяет вывести газовую фазу в отдельный газоход и получить расплав оксидов актинидных элементов во фтористых солях. Расплав поступает на фторирование во второй циркуляционный контур для обработки его фторирующими агентами в режиме циркуляции с выводом гексафторидов в отдельный газоход. Все это позволяет проводить получение гексафторидов актинидных элементов при использовании в качестве исходных продуктов различных форм незолообразующих соединений актинидных элементов, включая их водные растворы единым потоком расплавов фтористых солей. При этом расплав фтористых солей служит реакционной и массотеплообменной средой.

ПРИМЕР

50 кг плава гексагидрата нитрата уранила в пересчете на уран дозировали под расплав циркулирующей эквимолярной смеси фторидов натрия и циркония первого циркулирующего контура с расходом 8 кг/ч урана. Через фурмы первого циркуляционного контура подавали воздух с расходом 5 нм³/ч. Одновременно через фурмы второго циркуляционного контура подавали тетрафторид углерода с расходом 3 нм³/ч. В течение эксперимента поддерживали температуру реакционной смеси 600°С. Газовую фазу от первого циркуляционного контура направляли в скруббер-холодильник. Газовую фазу второго циркуляционного контура направляли сначала в вихревой скруббер-холодильник, а затем в сорбционную колонну с порошкообразным фторидом натрия. В результате получили 65 кг гексафторида урана, слитого из скруббера, и 0,1 кг в виде привеса к сорбенту. Остаточное количество урана в расплаве фтористых солей составило 11 кг в качестве закладки. Газовая фаза второго циркуляционного контура после сорбционной очистки дополнительно очищалась от углекислоты и после корректирования состава использовалась для дальнейшего фторирования. Газовая фаза первого циркуляционного контура использовалась для получения раствора азотной кислоты.

Изобретение может быть использовано в ядерной энергетике для переработки облученного ядерного топлива и в технологии разделения изотопов. Гексафториды актинидных элементов получают обработкой соединений актинидных элементов единым потоком расплавов фтористых солей в двух циркуляционных контурах с разделением газовой фазы каждого из контуров. Незолообразующие соединения актинидных элементов обрабатывают в первом циркуляционном контуре расплавом фтористых солей. Полученный расплав оксидов во фтористых солях передают во второй циркуляционный контур и обрабатывают фторирующими агентами с получением газообразных гексафторидов актинидных элементов. Устройство для получения гексафторидов актинидных элементов включает корпус 1, в котором выполнены узел растворения актинидных элементов и узел фторирования в виде отделенных перегородкой 2 сообщающихся сосудов с организацией в верхних частях каждого из сосудов газоотделительных камер 13, 14. Каждый из сосудов разделен перегородкой 4, 5 и снабжен фурмами 10, 11 для подачи реакционных газов, которые расположены в нижних частях сообщающихся сосудов. Изобретение позволяет получить гексафториды актинидных элементов из термически неустойчивых незолообразующих соединений, включая их водные растворы, разделить газовые потоки продуктов фторирования и термического разложения актинидных элементов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения гексафторидов актинидных элементов, включающий расплавление оксидов актинидных элементов в расплаве фтористых солей с переводом актинидных элементов в шестивалентное состояние, фторирование в режиме циркуляции единым потоком расплавов фтористых солей, служащих в качестве реакционной и массотеплообменной среды, отличающийся тем, что процесс проводят в двух циркуляционных контурах с разделением газовой фазы каждого из контуров, в качестве исходных продуктов используют незолообразующие соединения актинидных элементов, которые обрабатывают в первом циркуляционном контуре с получением расплава оксидов актинидных элементов во фтористых солях, который передают во второй циркуляционный контур для последующей его обработки фторирующими агентами во фтористых солях с получением гексафторидов актинидных элементов.

2. Устройство для получения гексафторидов актинидных элементов, включающее корпус, в котором выполнены фурмы для подачи реакционных газов, а также узел растворения оксидов актинидных элементов в расплаве фтористых солей и узел фторирования в виде отделенных перегородкой сообщающихся сосудов, отличающееся тем, что каждый из сообщающихся сосудов, в свою очередь, разделен перегородкой, причем фурмы установлены в нижних частях сообщающихся сосудов для организации восходящих каналов с циркуляцией расплава фтористых солей, а в верхних частях выполнены газоотделительные камеры.