СПОСОБ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ УРАНА Российский патент 2016 года по МПК C01G43/06 G21F9/28 

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана.

Одна из основных технических проблем технологического оборудования - газоделительные аппараты, емкостное оборудование, трубопроводы, контролирующие приборы и т.д., образование твердых отложений в оборудовании в результате различного воздействия на гексафторид урана - гидролиз от взаимодействия с парами воды от натечки атмосферного воздуха, радиолиз за счет воздействия радиоактивного излучения, восстановление органическими соединениями, выделяющимися из уплотняющих конструкционных и смазочных материалов. Твердые отложения уранилфторида и нелетучих фторидов урана (тетрафторид и промежуточные фториды) оказывают вредное воздействие на штатную эксплуатацию оборудования, в частности на газовые центрифуги, вызывая забивку трасс и дебаланс роторов. Образование твердых отложений приводит к потере гексафторид урана, в том числе обогащенного по изотопу уран-235.

Для очистки от отложений урана и сопутствующих примесей в различных типах оборудования в производстве как на отечественных, так и на зарубежных предприятиях применяли гидрометаллургические методы вскрытия соединений урана и извлечения его из полученных растворов [Б.В. Громов Введение в химическую технологию урана. - М.: Атомиздат, 1978]. Суть этих методов заключается в обработке поверхности горячим раствором карбоната аммония с последующей пропаркой острым паром. Иногда обработку отложений урана проводили с применением перекиси водорода или щавелевой кислоты. Основные недостатки способа: полная потеря урана в химической форме фторидов, в частности гексафторида урана, многостадийность, образование значительного объема жидких радиоактивных растворов, содержащих, кроме того, коррозионно-активный фтор-ион и т.п.

Наиболее выгодными способами очистки поверхностей от отложений нелетучих фторидов урана и, тем самым, обеспечение штатной работы оборудования является их фторирование высокоактивными фторагентами, позволяющее переводить в газовую фазу твердые соединения урана и продукты его деления, а также и рудные примеси, всегда присутствующие в гексафториде урана, и некоторые продукты коррозии оборудования, которые подвергаются тем же воздействиям, что и основное рабочее соединение.

Известен способ газификации твердых продуктов урана (Патент GB №1473075, МПК C23G 5/00, C01G 43/06. Приор. 06.02.1975), в котором продукты восстановления обрабатывают гептафторидом йода при температуре 20°С. Обработку проводят при давлении 26,7-30,7 Па. Основной недостаток способа - образование JF₅, который легко конденсируется и экранирует отложения, прекращая подвод JF₇ к урановым отложениям. Кроме того, восстановление гептафторида йода может протекать вплоть до элементного йода, который также будет затруднять фторирование отложений.

Известен способ фторирования твердых соединений урана с использованием дифторида кислорода (Авт. свид. СССР №628682, МПК C01G 43/06, 1978). Основной недостаток этого способа заключается в использовании неустойчивого в химическом отношении и взрывоопасного реагента, каковым является OF₂.

Известен способ удаления урановых отложений из оборудования, работающего в среде гексафторида урана (Патент US 4311678, МПК C01G 43/06. Приор. от 19.01.1982). Способ заключается в обработке урансодержащих соединений смесью бромтрифторметана и дибромдифторметана в присутствии окислителя, в качестве которого используют все тот же JF₇. При взаимодействии смеси газов образуется BrF₃, реагирующий с урансодержащими отложениями с образованием UF₆ и элементного брома. Гептафторид йода переводит образующийся Вr₂ в BrF₃, тем самым обеспечивая необходимое содержание BrF₃ в системе. Этот способ-аналог характеризуется рядом существенных недостатков, затрудняющих его практическое применение: использование взаимосвязанных бинарных газов, сложность поддержания их соотношения в реакционной зоне, возможность конденсации BrF₃ и восстановленного JF₅ на рабочих поверхностях, невозможность контроля протекания процесса и др.

Известен также способ газификации нелетучих соединений урана смесью бромсодержащего газа и реагента, фторирующего бром (Патент RU 2219132 С2, МПК C01G 43/06. Приор. от 13.02.2002). В качестве фторирующего реагента опять использован JF₇, который выполняет функции, подобные предыдущему аналогу. Способ характеризуется теми же недостатками, что и предшествующий ему аналог: использование взаимосвязанных бинарных газов, сложность поддержания их соотношения в реакционной зоне, возможность конденсации BrF₃ и восстановленного JF₅ на рабочих поверхностях, невозможность контроля протекания процесса и др. Кроме того, при дальнейшей переработке образовавшейся многокомпонентной газовой смеси выделение из нее ценного компонента - гексафторид урана, - весьма проблематично.

В патенте DE №3009933 (МПК C01G 43/06, 1981) описан способ газификации соединений урана путем обработки бромидами фосфора и/или бора с последующим фторированием полученных соединений галогенфторидами - ClF₃ и/или JF₇.

Недостатками способа: многостадийность, образование коррозионно-активных и легкоконденсирующихся соединений, например Вr₂, многокомпонентная газовая смесь, разделение которой с целью выделения UF₆ весьма сложная техническая задача.

В способе, который выбран в качестве прототипа [Николаев Н.С. и др. Химия галоидных соединений фтора. - М.: Изд-во «Наука», 1968, с. 68], контактирование нелетучих фторидных соединений урана осуществляют с трифторидом хлора в статическом режиме. Напуск ClF₃ при температуре помещения до давления 40,5-60,8 кПа производят 2-4 раза с выдержкой до 8 часов за каждую замену реагента. Полученные смеси направляют в специальный рессивер для последующего извлечения гексафторида урана.

Недостатками способа-прототипа являются значительный расход ClF₃ при малой степени его использования (не более 50%), длительный период обработки, вероятность образования коррозионно-активных соединений, например элементного хлора.

Мы предлагаем способ очистки металлических поверхностей от отложений урана из различных емкостей и аппаратов, работающих в среде гексафторида урана, в динамических условиях, то есть в условиях, обеспечивающих интенсивный подвод к отложениям урана обогащенной фторокислителем газовой смеси. Отложения урана контактируют с газовой смесью, состоящей из трифторида хлора и элементного фтора, пропуская ее последовательно через отложения урана и нагретый слой фторида натрия, на котором сорбируется образовавшийся гексафторид урана.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в интенсификации процесса фторирования вследствие динамического течения процесса, вывода из зоны реагирования продуктов реакции, влияющих на скорость протекания целевого процесса, селективного извлечения из газа гексафторида урана и исключение образования коррозионно-активных и легкоконденсирующихся продуктов реакций.

Технический результат достигается тем, что отложения урана фторируют газовой смесью из трифторида хлора и элементного фтора, взятых в массовом отношении (1,7-3,6):1, которую циркулируют последовательно через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°С.

При циркуляции газов обеспечивается интенсивное ивзаимодействие обогащенного фторагентами газа с поверхностью отложений, вывод из зоны реакции продуктов реакций, включая летучий гексафторид урана, и транспортировка их к сорбенту фториду натрия, на котором, во-первых, улавливается UF₆ и, во-вторых, происходит фторирование продуктов разложения трифторида хлора до исходного ClF₃.

Основные химические реакции, протекающие в данной системе:

Проведенными мной с сотр. исследованиями было доказано, что отложения урана в оборудовании разделительных производств представлены преимущественно в химической форме промежуточных фторидов, а также наличием уранилфторида. Массовое соотношение первых ко вторым равно приблизительно 9:1. Известно, что ClF₃ несколько сильнее по химической активности, чем элементный фтор, особенно при повышенной температуре [Николаев Н.С. и др. Химия галоидных соединений фтора. - М.: Изд-во «Наука», 1968]. Кроме того, в публикации [Громов О.Б., Михаличенко А.А., Никонов В.И. и Михеев П.И. Методы извлечения пентафторида урана из отработанного фторида натрия // Химическая технология, 2011, т. 12, №5, сс. 300-307] показано, что элементный фтор преимущественно фторирует соединения урана в химической форме уранилфторида или тетрафторида, а промежуточные фториды урана, в частности пентафторид урана, фторирует только при весьма высоких температурах. Отличие же трифторида хлора в том, что он практически одинаково газифицирует фториды урана. Поэтому роль трифторида хлора в газовой смеси согласно заявленным условиям обоснована тем, что он предназначен для преобразования нелетучих соединений урана в летучий гексафторид урана. Кроме того, возможно фторирование отложений урана до гексафторида урана и другими компонентами газовой смеси (например, ClF, ClO₂F), содержание которых в производимом трифториде хлора доходит до 30 об. %:

При взаимодействии газовой смеси, состоящей из ClF₃ и F₂, с отложениями урана в большей степени будет расходоваться ClF₃ с образованием гексафторида урана и продуктов разложения трифторида хлора. Снижение массовой доли ClF₃ менее 1,7 приведет к уменьшению степени фторирования отложений и непропорциональному увеличению продолжительности процесса. Увеличение массовой доли ClF₃ в газе свыше 3,6 приведет к непропорциональному повышению расхода реагента без достижения заметных преимуществ.

Прохождение газовой смеси через фторид натрия при 185-225°С совмещает несколько процессов:

- селективное извлечение из циркуляционного газа UF₆;

- увеличение концентрации трифторида хлора в газе;

- эффективное окисление продуктов разложения трифторида хлора до ClF₃ на нагретой развитой поверхности сорбента, равной 3,5-10 м²/г.

Необходимо отметить, что развитая поверхность сорбента, так называемый активированный сорбент, достигается посредством проведения нескольких циклов сорбции-десорбции фтороводорода [Галкин Н.П., Зайцев В.А., Серегин М.Б. Улавливание и переработка фторсодержащих газов. - М.: Атомиздат, 1975].

После насыщения сорбента гексафторидом урана до максимально возможной рабочей емкости, равной 4 г UF₆ / г NaF, гексафторид урана десорбируют при 350-420°С по реакции

Полученный чистый гексафторид урана можно использовать в качестве рабочего соединения в процессе разделения изотопов урана, тем самым существенно сокращая оборот основного продукта в разделительном процессе.

Температурный интервал работы сорбента обусловлен тем, что при температуре, меньшей чем 185°С, резко снижается степень фторирования продуктов разложения трифторида хлора и начинают сорбироваться прочие микропримеси, которые в дальнейшем могут загрязнить десорбируемый гексафторид урана, который, в свою очередь, будет не пригоден для непосредственного направления в разделительный каскад. Наиболее существенной примесью является HF, практически всегда присутствующий в подобных газах. Именно для того, чтобы гарантировано исключить сорбцию HF на фториде натрия температура сорбента должна быть не менее 185°С При увеличении температуры слоя сорбента выше 225°С существенно уменьшается степень сорбции UF₆, а во фторирующей смеси, соответственно, уменьшается концентрация фторагентов из-за присутствия последнего.

Пример.

Отложения урана образовались в транспортных баллонах, в которых перевозили гексафторид урана и поверхность которых подвергалась воздействию продукта как в газовой, так и в жидкой и твердой фазах. Газовую смесь, содержащую ClF₃ и F₂, циркулировали последовательно через емкости, загрязненные урановыми отложениями, и сорбент фторида натрия при различных температурах в интервале температуре 160-230°C. Химический анализ отложений урана показал, что они состоят преимущественно из промежуточных фторидов и уранилфторида в качестве примеси. Газовые смеси ClF₃ и F₂ в определенном массовом соотношении реагентов сначала направляли в нагретую сорбционную колонну с NaF и затем после пропускания через отложения урана в емкостях газ циркулировали в течение определенного времени. Контроль завершения процесса осуществляли посредством определения содержания UF₆ в пробах газа, одним из наличествующих способов, например ИК-спектроскопией.

В таблице представлены результаты исследований испытаний по условиям прототипа (5), заявляемых условий (1, 2) и параметрам, выходящих за границы заявляемых условий (3, 4).

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом являются:

- существенное снижение расхода ClF₃ (около 0,1-0,15 кг/кг урана) за счет его циркуляции и восстановления;

- увеличение эффективности за счет интенсификации и снижения продолжительности процесса;

- резкое сокращение периода возврата урана в разделительный процесс.

Для использования способа на практике не потребуется разрабатывать специальное технологическое оборудование.

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана. Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана включает обработку поверхностей газообразными фторирующими реагентами, содержащими ClF₃ и F₂ в массовом соотношении (1,7÷3,6):1, в условиях динамического течения процесса, путем циркуляции газов через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°C. Изобретение обеспечивает интенсификацию процесса фторирования, селективное извлечение из газа гексафторида урана и исключение образования коррозионно-активных и легкоконденсирующихся продуктов реакций. 1 пр., 1 табл.

Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана путем обработки газообразными фторирующими реагентами, отличающийся тем, что обработку ведут путем циркуляции газов, содержащих ClF₃ и F₂ в массовом соотношении (1,7÷3,6):1, в условиях динамического течения процесса через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°C.