СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 2012 года по МПК G21F9/00 

Описание патента на изобретение RU2454741C1

При переработке высоковыгоревшего облученного ядерного топлива атомных электростанций (ОЯТ АЭС) возникают проблемы образования осадков в виде молибдата циркония, причем цирконий и молибден являются продуктами деления с высоким выходом. Образование этих осадков наиболее существенным образом проявляется при упаривании рафинатов и обработке кубового остатка перед отверждением высокоактивных отходов (ВАО). Одним из путей решения этой проблемы является получение комплексов молибдена при упаривании рафината, например, с щавелевой кислотой при удалении циркония экстракцией в рамках первого экстракционного цикла (Патент RU №2303306, МПК G21F 9/08, опубликованный 20.07.2007, Бюл. Изобр. №20, 2007).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ экстракции циркония совместно с ураном, плутонием, нептунием и технецием раствором 30% трибутилфосфата (ТБФ) за счет эффекта «сверхэкстракции циркония» в присутствии урана в противоточном каскаде (Патент SU 1804652 A3, опубликованный 23.03.1993, Бюл. Изобр. №11, 1993).

Этот способ имеет ограниченный диапазон применения, поскольку требует проведения экстракции при высоком отношении удельных расходов экстрагента к исходному раствору (n>3,2) во всей зоне экстракции, что обеспечивается за счет повышенной концентрации урана и других элементов из ОЯТ в исходном растворе, а также отказа от присоединения раствора от кислотной промывки экстракта к потоку исходного раствора с превращением этой операции в реэкстракцию циркония в сочетании с дополнительно вводимой операцией отмывки делящихся актинидов (урана, плутония, в меньшей мере нептуния) из этого реэкстракта дополнительным потоком экстрагента.

Недостатком этого способа является также необходимость проведения для его реализации частичной реконструкции в высокоактивном узле действующих производств с установкой дополнительных экстракционных ступеней и емкостей, а также ограничения в узле осветления исходного раствора ОЯТ, связанные с ограничением удельного объема промывных растворов.

Указанные недостатки могут быть преодолены благодаря обнаруженному эффекту аномального повышения экстрагируемости циркония в присутствии хрома(VI), что иллюстрирует табл.1. При этом уран существенно не влияет на соэкстракцию циркония и хрома(VI).

Известны данные о введении хрома(VI) в исходный раствор низковыгоревшего ОЯТ (облученного природного урана) при его подготовке к переработке с использованием метилизобутилкетона как экстрагента (Переработка ядерного горючего, под ред. С.Столер и Р. Ричардс, М.: Атомиздат, 1964, стр.162-168), причем хром(VI) применялся в качестве окислителя для стабилизации плутония(VI). В Пурекс-процессе (экстракция актинидов с использованием ТБФ) надобность в окислителе плутония отпала, и о применении в таком процессе хрома(VI) не сообщалось. Точно также не известны опубликованные данные о влиянии хрома(VI) на экстракцию циркония.

Задачей заявляемого способа является полное извлечение циркония на стадии экстракции с последующей его реэкстракцией. Как показала стендовая проверка на модельных и реальных растворах, при введении хрома(V1) при мольном отношении Cr(VI):Zr(IV)>1 в головной экстракционный блок классической структуры (экстракция - двухзонная кислотная промывка) было достигнуто практически количественное извлечение циркония из раствора, содержащего 250 г/л урана и 3 моль/л азотной кислоты. Далее осуществляется полная реэкстракция циркония совместно с технецием 3,5-5,5 моль/л азотной кислотой, причем с вдвое более высоким концентрированием по сравнению с патентом (Патент RU №2132578, опубликованный 27.06.1999, Бюл. Изобр. №24, 1999) при введении в зону сильнокислотной реэкстракции раствора либо перекиси водорода, либо гидразиннитрата как восстановителя. Нижняя граница кислотности определяется реэкстрагируемостью технеция, а верхняя - проскоком циркония с экстрактом или «зависанием» обоих элементов в каскаде вследствие соэкстракции. Введение восстановителя с сильнокислым раствором обусловлено предотвращением его взаимодействия с плутонием в слабокислой зоне.

Было также показано, что хром(VI) может быть введен с исходным раствором или с сильнокислым промывным раствором, присоединяемым к исходному раствору, или отдельным потоком в зону экстракции. Кроме того, в качестве восстановителей могут быть использованы азотсодержащие соединения, в частности гидроксиламин или гидразин в сильнокислой среде, или перекись водорода и ее производные, а также низшие первичные спирты, причем восстановители вводят в отношении к хрому(VI) в количестве, близком к стехиометрическому.

Другим техническим результатом реализации заявляемого способа является улучшение экстракции нептуния, извлечение которого в центробежных экстракторах и пульсационных колоннах в отличие от смесителей-отстойников, не превышает 70% вследствие кинетических ограничений. Введение хрома(VI) в головной экстрактор повышает извлечение нептуния до 99% и более.

Наряду с этим также была успешно применена селективная слабокислотная реэкстракция циркония с его концентрированием в 10 раз по отношению к экстракту, также с введением восстановителя хрома(VI), не затрагивающего плутоний. В качестве такового использовали раствор перекиси водорода. При этом технеций преимущественно остается в экстракте.

Техническая применимость способа иллюстрируется примерами. Схема операций с извлечением и реэкстракцией циркония в 1 цикле переработки ОЯТ АЭС на стенде центробежных экстракторов иллюстрируется рисунком.

Примеры

Пример 1. Проверка предлагаемого способа была осуществлена на стенде малогабаритных центробежных экстракторов. Расходы и составы потоков отражены в табл.2. Дальнейшие операции по реэкстракции Pu и U и их очистке от Np, а также регенерация оборотного экстрагента проводятся любым известным способом и на схеме не показаны.

Исходный раствор, содержащий 250 г/л U и 3 моль/л HNO3, реальные концентрации Np, Тс и Zr, а также в 20 раз более низкую концентрацию Pu (по сравнению с типовым ОЯТ ВВЭР-1000 с выгоранием 40 ГВт*сут/т U) подают на экстракцию 30% ТБФ в смеси с додеканом. Экстракт проходит двухзонную кислотную промывку, причем структура промывной зоны соответствует прототипу с тем отличием, что промывной раствор как обычно присоединяют в экстракторе к потоку исходного раствора, а не выводят в качестве реэкстракта Zr (после отмывки от актинидов). Оба промывных раствора содержат Cr(VI), причем основное количество последнего вводят с сильнокислым промывным раствором в соотношении по балансу Cr(VI):Zr>1. В результате весь Zr экстрагируется наряду с U, Pu, Np и Тс, причем Np также экстрагируется полностью.

Совместная кислотная реэкстракция Zr и Тс проводится путем проведения двухзональной операции с оптимальным соотношением и кислотностью потоков, причем с сильнокислым реэкстрагирующим раствором вводя стехиометрическое по отношению к Cr(VI) количество гидразиннитрата в качестве восстановителя, взаимодействующего быстро с Cr(VI). В результате удается сконцентрировать оба эти элемента в 2,2 раза по отношению к входящему экстракту.

Пример 2. Процесс проводят идентично примеру 1, но Cr(VI) в процесс не вводят. В результате практически весь Zr выводится в рафинат, как и положено в стандартном Пурекс-процессе.

Пример 3. Экстракцию и промывку экстракта проводят аналогично примеру 1, однако равное количество Cr(VI) вводят с исходным раствором с тем же результатом. Реэкстракцию Zr (без Tc) с его существенным концентрированном проводят с помощью слабокислого раствора; необходимое количество перекиси водорода для восстановления Cr(VI) вводят в ступень ввода экстракта.

Пример 4. Процесс проводят как в примере 3, но в качестве восстановителя используют этиловый спирт, который вводят в эквимолярном количестве со слабокислым реэкстрагирующим раствором, обеспечивая идентичный результат.

Похожие патенты RU2454741C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА АЭС 2014
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Голецкий Николай Дмитриевич
  • Федоров Юрий Степанович
  • Кудинов Александр Станиславович
  • Пузиков Егор Артурович
  • Кухарев Дмитрий Николаевич
  • Наумов Андрей Александрович
RU2574036C1
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПЛУТОНИЯ И НЕПТУНИЯ 2015
  • Бугров Константин Владимирович
  • Корченкин Константин Константинович
  • Логунов Михаил Васильевич
  • Лукин Сергей Александрович
  • Машкин Александр Николаевич
  • Мелентьев Анатолий Борисович
  • Самарина Наталья Сергеевна
RU2642851C2
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА (ОЯТ) АЭС 1997
  • Зильберман Б.Я.(Ru)
  • Федоров Ю.С.(Ru)
  • Мишин Е.Н.(Ru)
  • Сытник Л.В.(Ru)
  • Воллворк Эндрю
  • Деннисс Йен
  • Тейлор Робин
RU2132578C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОЯТ АЭС 2010
  • Федоров Юрий Степанович
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Голецкий Николай Дмитриевич
  • Рябков Дмитрий Викторович
  • Шадрин Андрей Юрьевич
  • Блажева Ирина Владимировна
  • Кудинов Александр Станиславович
  • Кухарев Дмитрий Николаевич
RU2454742C1
СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА 2020
  • Волк Владимир Иванович
  • Алексеенко Владимир Николаевич
  • Меркулов Игорь Александрович
  • Обедин Андрей Викторович
  • Подрезова Любовь Николаевна
  • Рубисов Владимир Николаевич
RU2727140C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ТОПЛИВА АЭС 1992
  • Зильберман Б.Я.
  • Машкин А.Н.
  • Нардова А.К.
  • Сытник Л.В.
  • Федоров Ю.С.
  • Дзекун Е.Г.
  • Родченко П.Ю.
  • Стариков В.М.
RU2012075C1
СПОСОБ ВЫВЕДЕНИЯ НЕПТУНИЯ ПРИ ФРАКЦИОНИРОВАНИИ ДОЛГОЖИВУЩИХ РАДИОНУКЛИДОВ 2010
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Сытник Леонид Васильевич
  • Шадрин Андрей Юрьевич
  • Голецкий Николай Дмитриевич
  • Федоров Юрий Степанович
  • Криницын Алексей Павлович
RU2454740C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С ФРАКЦИОНИРОВАНИЕМ РАДИОНУКЛИДОВ 2019
  • Хаперская Анжелика Викторовна
  • Меркулов Игорь Александрович
  • Сеелев Игорь Николаевич
  • Алексеенко Владимир Николаевич
  • Голецкий Николай Дмитриевич
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Наумов Андрей Александрович
  • Камаева Елена Андреевна
  • Петров Юрий Юрьевич
  • Блажева Ирина Владимировна
RU2709826C1
СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ИЗ РАДИОАКТИВНЫХ АЗОТНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ (ВАРИАНТЫ) 2012
  • Кудинов Александр Станиславович
  • Голецкий Николай Дмитриевич
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Зубехина Белла Юрьевна
  • Мурзин Андрей Анатольевич
  • Петров Юрий Юрьевич
  • Боровиков Евгений Алексеевич
  • Федоров Юрий Степанович
  • Сытник Леонид Васильевич
  • Наумов Андрей Александрович
RU2522544C2
СПОСОБ ОЧИСТКИ ЭКСТРАКТА АКТИНИДОВ ПЕРВОГО ЭКСТРАКЦИОННОГО ЦИКЛА PUREX-ПРОЦЕССА ОТ ТЕХНЕЦИЯ 2018
  • Логунов Михаил Васильевич
  • Лукин Сергей Александрович
  • Машкин Александр Николаевич
  • Корченкин Константин Константинович
  • Синицын Игорь Романович
  • Ворошилов Юрий Аркадьевич
  • Мелентьев Анатолий Борисович
  • Самарина Наталья Сергеевна
  • Ермолин Владимир Станиславович
RU2686076C1

Реферат патента 2012 года СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Изобретение относится к методам переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) и направлено на локализацию циркония в 1 экстракционном цикле путем совместной экстракции урана, нептуния, плутония, технеция и циркония с селективной реэкстракцией последнего. Способ переработки ОЯТ атомных электростанций включает экстракцию урана(VI), плутония(VI), нептуния(VI), технеция(VII) и циркония(IV) раствором разбавленного трибутилфосфата и реэкстракцию циркония в раствор азотной кислотой с отмывкой экстрагентом от актинидов. Экстракцию проводят в присутствии Cr(VI) при мольном отношении хром(VI): цирконий(IV)>1, а из экстракта, содержащего все эти элементы, проводят реэкстракцию в раствор азотной кислотой с концентрированием циркония, совместно с технецием или селективно, при введении несолеобразующего восстановителя, не вызывающего реэкстракцию плутония. Изобретение направлено на полное извлечение циркония на стадии экстракции, а также на улучшение экстракции нептуния, извлечение которого в центробежных экстракторах и пульсационных колоннах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 4 пр.

Формула изобретения RU 2 454 741 C1

1. Способ переработки отработанного ядерного топлива атомных электростанций, включающий экстракцию урана, плутония, нептуния, технеция и циркония раствором разбавленного трибутилфосфата и реэкстракцию циркония в раствор азотной кислотой с отмывкой экстрагентом от актинидов, отличающийся тем, что в экстракционную систему вводят хром (VI) при мольном отношении хром (VI): цирконий (IV)>1, а последующую реэкстракцию с концентрированием циркония проводят совместно с технецием или селективно, с введением несолеобразующего восстановителя, не вызывающего реэкстракцию плутония.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хром (VI) вводят с исходным раствором или с сильнокислым промывным раствором, присоединяемым к исходному раствору, или отдельным потоком в зону экстракции.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве восстановителей используют азотсодержащие соединения, в частности гидроксиламин или гидразин в сильнокислой среде, или перекись водорода или ее производные, или низшие первичные спирты, причем восстановители вводят в отношении к хрому (VI) в количестве, близком к стехиометрическому.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что совместную реэкстракцию циркония и технеция проводят с получением реэкстракта, содержащего 3,5-5,5 моль/л азотной кислоты при отношении органической и водной фаз в сильнокислой зоне не более 2,5, а в слабокислой зоне не более 5.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2454741C1

Способ переработки облученных твэлов 1989
  • Дзекун Евгений Григорьевич
  • Машкин Александр Николаевич
  • Мельников Владимир Дмитриевич
  • Зильберман Борис Яковлевич
  • Федоров Юрий Степанович
  • Нардова Анна Константиновна
SU1804652A3
СТОЛЕР С
и РИЧАРДС Р
Переработка ядерного горючего
- М.: Атомиздат, 1964, с.162-168
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА (ОЯТ) АЭС 1997
  • Зильберман Б.Я.(Ru)
  • Федоров Ю.С.(Ru)
  • Мишин Е.Н.(Ru)
  • Сытник Л.В.(Ru)
  • Воллворк Эндрю
  • Деннисс Йен
  • Тейлор Робин
RU2132578C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОАКТИВНЫХ АЗОТНОКИСЛЫХ РАФИНАТОВ ОТ РЕГЕНЕРАЦИИ ТОПЛИВА АЭС 1993
  • Ахматов А.А.
  • Зильберман Б.Я.
  • Инькова Е.Н.
  • Сытник Л.В.
  • Паленик Ю.В.
  • Федоров Ю.С.
RU2080666C1
Водорастворимый олигомерный уретан для получения водостойких самоотверждающихся покрытий и способ его получения 1983
  • Михеев Виталий Васильевич
  • Светлаков Николай Владимирович
  • Семенова Любовь Вячеславовна
  • Файрушина Энже Мунировна
SU1240766A1

RU 2 454 741 C1

Авторы

Сытник Леонид Васильевич

Зильберман Борис Яковлевич

Блажева Ирина Владимировна

Шадрин Андрей Юрьевич

Пузиков Егор Артурович

Голецкий Николай Дмитриевич

Кухарев Дмитрий Николаевич

Боровиков Евгений Алексеевич

Федоров Юрий Степанович

Даты

2012-06-27Публикация

2010-12-23Подача