СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА УРАНА ИЗ РАСТВОРА УРАНИЛНИТРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C01G43/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к одной из стадий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) - к технологии и аппаратурному оформлению крупномасштабного процесса переработки аффинированного уранилнитрата - продукта экстракционно-реэкстракционной переработки облученного ядерного топлива на регенерационных радиохимических заводах. Облученное ядерное топливо АЭС поставляют на регенерационный завод после т.н. "охлаждения" - выдержки в хранилищах АЭС, в результате которой резко снижается уровень радиоактивности. На регенерационном заводе отделяют с помощью экстракции продукты деления урана и изотопы плутония и на конечной стадии этого передела выделяют уранилнитрат.

Этот уранилнитрат является сырьем для последующего передела - выделения из него оксидов урана, в частности триуран-октаоксида (U₂O₈) соответствующего по химическому и гранулометрическому составу техническим условиям для производства гексафторида урана, UF₆, в пламенном реакторе. Но на некоторых заводах требуется выделить из уранилнитрата диоксид урана (UO₂), который далее подвергают гидрофторированию (производство тетрафторида урана, UF₄). Тетрафторид урана является сырьем для производства того же гексафторида урана (UF₆), далее синтезированный UF₆ направляют на завод по разделению изотопов урана, где производят дообогащение урана по изотопу U-235.

Проблемой является не просто производство диоксида урана (UO₂) из уранилнитрата, но продукта, соответствующего по химическому и гранулометрическому составу техническим условиям для последующего производства гексафторида урана, UF₆, в пламенном реакторе. Этот продукт - диоксид урана должен быть тонкодисперсным и соответствовать техническим условиям для последующего производства тетрафторида и гексафторида урана. В частности, уровень примесей должен соответствовать техническим условиям, т.е. содержание лимитируемых примесей должно соответствовать ОСТ 95 10117-2003: ОСТ 95 10117-2003 ОСТ 95 10554-2000, в соответствии с которыми выход конструкционных материалов из электродов (медь, вольфрам) не должен превышать 10^-4 % вес., выход железа из конструкционной стали - не выше 3·10^-4 % вес.

Уровень техники

Существующая гидрохимическая технология конверсии уранилнитрата, полученного при экстракционно-реэкстракционной переработке облученного ядерного топлива на заводах РФ, предусматривает осаждение урана на первой стадии в виде аммонийных солей - полиуранатов, в частности диураната аммония (NH₄)₂U₂O₇. Для этого раствор уранилнитрата обрабатывают гидроксидом аммония (Н.П. Галкин, Б.Н. Судариков. Технология урана. М.: Госатомиздат, 1964 с., 310 с.). При этом возникает маточный раствор нитрата аммония

aq - водный раствор, с - конденсат.

Далее осадок диураната аммония отделяют фильтрацией от маточного раствора нитрата аммония, осадок промывают, затем сушат и прокаливают до выделения диоксида урана

g - газ.

Маточный раствор нитрата аммония (NH₄NO₃(aq)) является отходом производства, для утилизации его необходимо чистить от остаточного урана, что является дорогой и убыточной операцией. Многократно разбавленный до предельно допустимой концентрации по урану маточный раствор сливали в проточный водоем. В настоящее время эти растворы закачивают в глубинные пласты (т.н. "глубинное захоронение"), что только лишь видоизменяет форму, размер и сроки проявления экологического ущерба.

В процессах сушки и прокалки полиуранатов аммония возникают газовые выхлопы, которые необходимо чистить от технологической урановой пыли.

Общая тенденция модернизации урановых производств - сокращение числа стадий с целью сокращения потерь урана и уменьшения количества отходов. С этой точки зрения гидрохимическая технология не соответствует задачам модернизации.

Известен способ получения тонкодисперсных оксидов металлов (А.С. СССР №452177 от 07.08.1974. Ю.Н. Туманов, Н.П. Галкин, Ю.П. Бутылкин, В.П. Коробцев, В.А. Хохлов, Г.А. Батарев), по которому дезинтегрированный нитратный раствор металла смешивали в плазменном реакторе с потоком химически совместимой с ним воздушной или азотной плазмы, в результате чего раствор распадался на дисперсные оксиды металлов, оксиды азота и водяной пар. Процесс разложения нитратного раствора применительно к урану схематически описывается в общем виде уравнением

Капли дезинтегрированного раствора выдерживали в плазменном реакторе в течение 10^-3-10^-1 с при размере капель 5·10^-3-1·10^-4 см. Потоки плазмы направляли под углом более 30° к боковой поверхности потока дезинтегрированного раствора. Потоки плазмы направляли под углом 60° к оси реактора. На выходе из плазменного реактора дисперсные оксиды металлов отделяли от газовой фазы при температуре, превышающей температуру устойчивости исходного нитрата. Этот способ реализован в применительно к получению оксида урана - триуран-октаоксида (U₃O₈) при разложении уранилнитрата на уровне пилотного завода с плазменным реактором мощностью 300 кВт и производительностью 10-30 кгU/ч (в зависимости от концентрации раствора по урану. (Ю.Н. Туманов. "Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах", М.: Физматлит, 2010, с. 243-253 - прототип).

Основные аппаратурные элементы пилотного завода:

1. Источник электропитания плазмотрона - выпрямитель с системой автоматического регулирования тока;

2. Электродуговой плазмотрон, в котором поток химически совместимого с раствором газа (в случае разложения нитратов воздух или его компоненты - азот, кислород, в зависимости от требуемой валентности выделяемого металла) превращается в поток низкотемпературной плазмы. При использовании в качестве плазменного теплоносителя водорода можно получить не триуран-октаоксид, а диоксид урана, но при этом производство становится взрывоопасным;

3. Охлаждаемый плазменный реактор, где перемешиваются потоки плазмы и раствора, и происходит разложение раствора по уравнению (3);

4. Сепаратор и металлокерамический фильтр (МКФ), в котором проводится разделение дисперсной и газовой фаз, после чего возникают два материальных потока: поток дисперсного оксидного материала, являющегося целевым продуктом, и поток газовой фазы, содержащей, как видно из уравнения (3), оксиды азота, водяной пар, азот и кислород;

5. Конденсатор-абсорбер. В конденсаторе производится принудительная конденсация водяного пара и частичная абсорбция оксидов азота, а в абсорбере производится рекомбинация и поглощение азотной кислоты. В результате из установки выходит поток раствора азотной кислоты, который затем концентрировали в выпарном аппарате и возвращали на стадию ре-экстракции уранилнитрата.

Химический состав оксидного материала, его физические свойства, степень регенерации азотной кислоты и прочие параметры определяются, в первую очередь, режимом обработки раствора в плазме и во вторую очередь - режимом разделения дисперсной и газовой фаз.

При испытаниях пилотного завода по способу-прототипу выявлены технологические и аппаратурные недостатки:

1. При использовании в качестве плазменного теплоносителя воздуха, т.е. в окислительной среде, получается не диоксид урана, а триуран-октаоксид (UO_2.67). При замене воздуха на нейтральный газ - азот, продукт приближается по составу к диоксиду урана, но не достигает его (UO_2.44-UO_2.37).) Оксиды урана конденсируются на охлаждаемую стенку плазменного реактора, что сопровождается образованием отложений, которые могут, в конечном итоге, привести к забивке реактора, изменению теплопроводности стенки и ее температурного режима;

2. В процессе свободного движения продуктов реакции по технологическому маршруту происходит неконтролируемая коалесценция частиц оксидов урана и их укрупнение, вследствие чего могут образовываться крупнодисперсные порошки оксидов урана с высокой насыпной массой и низкой удельной поверхностью.

Для того чтобы устранить недостаток 1 требуется создать в реакторе восстановительную среду.

Это можно сделать двумя способами. По первому из них следует заменить азот водородом. В этом случае в плазменном реакторе протекает реакция, описываемая уравнением (4)

Здесь дополнительное количество водяного пара - 6H₂O(g) получается при переработке раствора уранилнитрата.

Этот процесс относится к категории взрывоопасных, и, применительно, к крупномасштабному урановому производству, в котором необходимо перерабатывать около 2 тU/ч, использование водорода создает много проблем с безопасностью промышленного процесса, тем более, что водород требуется не только для восстановления урана, но и для конверсии оксидов азота.

Можно сократить расход водорода, если процесс получения диоксида урана из уранилнитрата разбить на две стадии:

1. Получение триуран-октаоксида урана и раствор азотной кислоты в плазменном процессе по уравнению (3);

2. Восстановление урана из триуран-октаоксида урана по уравнению (5)

Технология восстановления урана из триуран-октаоксида (U₃O₈) водородом до диоксида урана освоена на заводах Росатома, но ее использование также создает проблемы водородной безопасности и делает процесс двустадийным. Предложен новый способ одностадийного взрывобезопасного получения монодисперсного диоксида урана высокой чистоты из уранилнитрата и устройство для осуществления способа в промышленном масштабе, свободные от перечисленных недостатков.

Задачей изобретения является создание одностадийного взрывобезопасного процесса получения монодисперсного диоксида урана UO₂ высокой чистоты при конверсии отхода ядерного производства - уранилнитрата.

Технический результат, на который направлено изобретение:

1. Получить диоксид урана из раствора уранилнитрата в одну стадию без использования водорода в качестве плазменного теплоносителя, что снижает взрывобезопасность;

2. Устранить полностью условия для конденсации оксидов урана на стенку плазменного реактора и, следовательно, причины отложений на ней, которые могут привести к забивке реактора, снижению теплопроводности стенки и ухудшению температурного режима;

3. Устранить условия коалесценции оксидов урана и укрупнение частиц, вследствие чего образуются крупнодисперсные порошки оксидов урана с высокой насыпной массой и низкой удельной поверхностью.

Для достижения указанного результата предложен способ получения оксида урана из раствора уранилнитрата, содержащий введение раствора уранилнитрата и потока азотной плазмы в зону смешения охлаждаемого плазменного реактора, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке азотной плазмы плазменного реактора на оксид урана и газовую фазу, разделение оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана и очистку газовой фазы, при этом предварительно в раствор уранилнитрата вводят химически совместимый с ним растворимый восстановитель урана, подают тангенциальный поток сжатого азота в верхнюю часть корпуса плазменного реактора за зоной смешения, а по завершении разложения дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке азотной плазмы плазменного реактора на диоксид урана UO₂ и газовую фазу охлаждают полученный вертикально направленный двухфазный поток в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С.

Кроме того:

- в качестве растворимого восстановителя урана используют карбамид (NH₂)₂(CO);

- карбамид вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 1.25 моля на моль уранилнитрата;

- в качестве растворимого восстановителя урана используют карбогидразид CO(NHNH₂)₂;

- карбогидразид вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 0.9 моля на моль уранилнитрата;

- в качестве растворимого восстановителя урана используют метиловый спирт СН₃ОН;

- метиловый спирт вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 1.2 моля на моль уранилнитрата;

- потоки азотной плазмы вводят в плазменный реактор под углом 30-40° к вертикальной оси реактора;

- для дезинтегрирования раствора уранилнитрата с растворимым восстановителем используют пневмоцентробежную форсунку;

- дезинтегрированный раствор уранилнитрата и восстановителя инжектируют в поток азотной плазмы с углом распыления не более 45°;

- в объеме плазменного реактора поддерживают температуру не менее 1200-1500°С;

- на внутренней стенке корпуса плазменного реактора поддерживают температуру 300-400°С;

- начальная скорость тангенциального потока азота составляет не менее 50 м/с, расход тангенциального потока азота составляет не менее 0.4 кг/с, а произведение расхода на скорость составляет не менее 2 кг·м/с²;

- скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле составляет 10⁵-10⁶ К/с.

Также для достижения технического результата предложено устройство для получения диоксида урана из раствора уранилнитрата, содержащее плазменный реактор с двойной водо-воздушной охлаждающей рубашкой, с установленными в его верхней части электродуговыми плазмотронами для генерирования потока азотной плазмы с источниками электропитания, средства для подачи раствора, содержащего уранилнитрат в плазменный реактор, и установленные по ходу технологического процесса за плазменным реактором центробежный сепаратор и металлокерамический фильтр из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности для разделения диоксида урана и газовых компонентов раствора азотной кислоты, средство выгрузки оксида урана и отвода газовой фазы, при этом средство для подачи раствора, содержащего уранилнитрат, выполненное в виде пневмоцентробежной форсунки, соединено с реактором-смесителем уранилнитрата и растворимого восстановителя урана, плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса и крышки в виде усеченного конуса, на конической поверхности которой установлены электродуговые плазмотроны, оси которых направленны вниз под углом 20°-22.5° к оси плазменного реактора, средство для ввода раствора уранилнитрата установлено вертикально по центру горизонтальной поверхности крышки плазменного реактора, в верхней части корпуса плазменного реактора установлены сопла для тангенциальной подачи сжатого азота, а нижняя часть корпуса плазменного реактора соединена с вертикально расположенным водоохлаждаемым газодинамическим соплом, соединенным с центробежным сепаратором.

Кроме того:

- сопла для тангенциального ввода потоков сжатого азота расположены под углом 5-10° к плоскости горизонтального сечения корпуса плазменного реактора;

- электродуговые плазмотроны расположены симметрично по отношению друг к другу по окружности горизонтального сечения конической поверхности крышки плазменного реактора;

- оси электродуговых плазмотронов расположены под углом 30-40° к вертикальной оси реактора;

- устройство содержит не менее трех электродуговых плазмотронов.

Раскрытие изобретения

На Фиг. 1 показана принципиальная схема реализации изобретения, где:

1 - тиристорные выпрямители;

2 - первичная электрическая сеть;

3 - фидер;

4 - электродуговые плазмотроны;

5 - потоки азота;

6 - пневмоцентробежная форсунка;

7 -подача раствора уранилнитрата и восстановителя;

8 - крышка плазменного реактора;

9 - корпус плазменного реактора;

10 - сопла для подачи потока азота;

11- нижний фланец плазменного реактора;

12 - водоохлаждаемое газодинамическое сопло;

13 - продуктопровод;

14 - поток продуктов реакции;

15 - центробежный сепаратор;

16 - поток частиц диоксида урана;

17 - разгрузочный шнек;

18 - поток, содержащий остаток дисперсного диоксида урана, оксиды азота, азот, кислород, водяной пар;

19 - металлокерамический фильтр;

20 - дисперсный порошок диоксида урана;

21 - поток газовых продуктов;

22 - выгрузка оксидов урана в транспортную емкость.

На Фиг. 2 представлена схема подготовки смесевого раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя, где:

7 - поток раствора уранилнитрата и восстановителя;

23 - поток раствора уранилнитрата;

24 - реактор-растворитель;

25 - нагреватель;

26 - мешалка;

27 - поток растворимого восстановителя;

28 - дозатор восстановителя;

29 - буферная емкость;

30 - насос-дозатор,

На фиг. 3 показана общая схема плазменного реактора где:

4 - электродуговые плазмотроны;

5 - потоки азота;

6 - пневмоцентробежная форсунка;

7 - подача уранилнитрата и восстановителя;

8 - крышка плазменного реактора;

9 - корпус плазменного реактора;

10 - сопла для подачи потока азота;

11 - нижний фланец плазменного реактора;

14 - поток продуктов реакции разложения раствора;

31 - штуцер ввода воздуха;

32 - штуцер ввода воды;

50 - потоки азотной плазмы;

33 - штуцер вывода воды;

34 - штуцер вывода воздуха;

35 - азотная плазма;

36 - дезинтегрированный поток уранилнитрата и восстановителя.

Реализации предложенного способа включает следующие стадии:

- подготовка сырья - смесевого раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя органической или неорганической природы, содержащего в различных сочетаниях водород, азот, углерод, кислород, состав которого обеспечивает получение диоксида урана;

- установление на стенке корпуса плазменного реактора требуемого температурного режима (300-400°С), при котором в пристеночной зоне затрудняется конденсация диоксида урана;

- генерирование потока азотной плазмы с помощью нескольких электродуговых плазмотронов, расположенных симметрично на крышке плазменного реактора под углом 30-40° к оси плазменного реактора;

- дезинтегрирование смесевого раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя в потоки азотной плазмы таким образом, чтобы факел распыления накрывал поверхность плазменной воронки, образующейся при встрече потоков плазмы на входе в цилиндрический корпус плазменного реактора;

- смешение потоков дезинтегрированного потока раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя и азотной плазмы, одновременную конверсию сырья в диоксид урана и газовую фазу,

- одновременное обжатие нисходящего потока вышеперечисленных продуктов тангенциальным потоком азота;

- охлаждение продуктов реакции до температуры 150-200°С в вертикальном водоохлаждаемом газодинамическом сопле для предотвращения коалесценции частиц;

- разделение дисперсного диоксида урана и газовой фазы в центробежном сепараторе;

- тонкая очистка газовой фазы от субмикронных частиц диоксида урана в металлокерамическом фильтре из анизотропной керамики, снабженном импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности;

- выгрузку дисперсного продукта из всех разгрузочных элементов оборудования и направление его на дальнейшую обработку и последующую утилизацию.

Плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса 9 с установленной на его верхнем фланце через термостойкую герметизирующую прокладку крышку 8.

Корпус плазменного реактора снабжен двойной охлаждающей рубашкой: рубашкой водяного охлаждения - снаружи и воздушного охлаждения - внутри. Охлаждение корпуса подается через штуцер ввода воды - 30 и штуцер ввода воздуха - 31, и отводится через штуцер вывода воды - 33 и штуцер вывода воздуха - 34. Крышка 8 также снабжена двойной охлаждающей рубашкой и выполнена в виде усеченного конуса.

Просто водоохлаждаемая стенка плазменного реактора, в принципе, инициирует прилипание вязких капель и образование на ней отложений. Температура стенки - T_W является очень важным параметром процесса. В идеале величина T_W должна быть близка к температуре продукционной смеси, что обеспечивает изотермичность процесса, уменьшает вероятность прилипания частиц конденсированной фазы к стенкам плазменного реактора. Технически это можно было бы сделать с применением высокотемпературной жаропрочной керамической футеровки металлических стенок плазменного реактора, однако выполнить это очень сложно из-за нестойкости керамики к термическим ударам и растрескиванию, что имеет следствием ухудшение химического и гранулометрического состава продукта. Поэтому отказались от футеровок металлической стенки и использовали комбинированное водо-воздушное охлаждение, при котором внутренняя охлаждающая рубашка охлаждается воздухом, внешняя - водой, так что стенка плазменного реактора с внешней стороны - действительно холодная, а внутренняя, в зависимости от интенсивности охлаждения, поддерживается при температуре 300-400°С, т.е. является сравнительно "горячей". "Горячая" стенка снижает тепловой напор на стенки плазменного реактора, снижает потенциал конденсации оксидной продукции на стенки плазменного реактора. В данном изобретении предложено выполнение всех конструкционных материалов из нержавеющей стали X18 H10T.

Три-четыре электродуговых плазмотрона 4 (на Фиг. 1, 2 показаны два из них) введены в плазменный реактор через коническую поверхность крышки 8 таким образом, чтобы оси плазмотронов и плазменного реактора пересекались под углом 30-40° друг к другу. Плазмотроны расположены осесимметрично на крышке реактора 8 (три плазмотрона - под углом 120° друг к другу, четыре - под углом 90°). В выбранной схеме электропитания использованы управляемые тиристорные выпрямители 1, преобразующие ток промышленной частоты из первичной электрической сети 2 в постоянный ток и соединенные с плазмотронами 4 фидером 3. Для того чтобы снизить на порядок износ электродов медные электроды (катоды и аноды) электродуговых плазмотронов легированы цирконием (1.8% циркония) методами порошковой металлургии. Для снижения на порядок эрозии вольфрамовых катодов последние легировали танталом (1.9%). В каждый из плазмотронов 4 вводят потоки азота 5, в результате чего в верхней части плазменного реактора образуется азотная плазма 35.

В верхней части реактора 9 происходит смешение потоков азотной плазмы и дезинтегрированного смесевого раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя 7.

Схема подготовки смесевого раствора уранилнитрата и растворимого восстановителя показана на Фиг. 2. Поток раствора уранилнитрата 23 направляют в реактор-растворитель 24, снабженный нагревателем 25 для ускорения растворения и мешалкой 26. В реактор-растворитель транспортируют поток растворимого восстановителя 27 через дозатор 28. Дозированный поток растворимого восстановителя смешивается в определенном соотношении с потоком уранилнитрата 23 и поток полученного смесевого раствора направляют по трубопроводу в буферную емкость 29, из которого насос-дозатор 30 транспортирует поток уранилнитрата и восстановителя 7 в плазменный реактор. Нагрев реактора-смесителя производят до температуры 60-80°С.

Мольное соотношение уранилнитрата и растворимого восстановителя определяется необходимостью восстановить уран до четырехвалентного состояния и одновременно конвертировать оксиды азота до получения элементных азота и кислорода так, чтобы в результате получился экологически чистый по оксидам азота выхлоп.

В качестве восстановителя можно использовать большое количество легко растворимых в воде взрывобезопасных веществ неорганической и органической природы, содержащих в различных сочетаниях водород, азот, углерод, кислород, например карбамид, (NH₂)₂(CO), карбогидразид CO(NHNH₂)₂. Сюда же можно отнести метиловый спирт (СН₃ОН), поскольку из моля спирта выделяются моль монооксида углерода и два моля водорода. Ограничения в пригодности определяют соотношения атомов углерода и кислорода, необходимо, чтобы при разложении восстановителя не выделялся свободный углерод. Нежелательно также, чтобы при разложении восстановителя выделялось много молекул монооксида углерода по соображениям экологии, поскольку при протекании реакций (6-11) выделяется диоксид углерода, на выхлоп которого установлены ограничения.

Оксиды азота, возникающие по реакции (6), восстанавливаются компонентами карбамида.

Наиболее пригоден в качестве такого восстановителя именно карбамид, ибо из него, в соответствии с уравнением (6), выделяются два моля водорода и лишь один моль монооксида углерода. Этот реагент, известный под техническим названием мочевина, легко доступен, имеет хорошую растворимость в воде даже при комнатной температуре.

Особенностью предлагаемого процесса восстановления урана является то, что процесс локализован, т.е. протекает в каждой капле диаметром в несколько микрометров, не нужно никакого внешнего перемешивания. По этой причине не нужны избытки восстановителя. Расчеты показывают, что на моль уранилнитрата достаточно 1-1.5 молей таких восстановителей, как карбогидразид, карбамид, метиловый спирт и пр. В частности, при использовании карбамида достаточно 1.25 моля этого восстановителя на моль уранилнитрата.

Поток 7 смесевого раствора уранилнитрата и восстановителя вводят через пневмоцентробежную форсунку 6 по центру горизонтальной поверхности крышки 8 таким образом, чтобы он входил в дезинтегрированном виде 36 по центру плазменной воронки, образующейся при вводе потоков плазмы 35 в плазменный реактор (Фиг. 3). Использование пневмоцентробежной форсунки 6 позволяет регулировать размер капель раствора в широком интервале, а также минимизировать расход балластного газа, используемого для дезинтегрирования раствора.

В результате плазменной обработки на выходе из плазменного реактора возникает двухфазный поток 14, содержащий частицы диоксида урана, UO₂ и экологически безопасная газовая фаза, состоящая, в основном, из молекул азота с примесью паров воды, незначительной примесью диоксида углерода.

Поток продуктов 14 обжимают в верхней части реактора тангенциальным потоком сжатого азота, вводимым через сопла 10, расположенными в верхней части корпуса плазменного реактора так, чтобы он не касался стенок реактора до ввода в водоохлаждаемое вертикально расположенное газодинамическое сопло 12, установленное ниже фланца 11. Сопла расположены под углом 5-10° к плоскости горизонтального сечения пламенного реактора. На 1 м² внутренней поверхности стенок реактора должно быть подано не менее 0.04 кг/с защитного газа со скоростью не менее 50 м/с. Произведение этих величин должно составлять не менее 2 кг·м/с². Фактически следует защищать от конденсации оксидов урана первые 0.1 м поверхности корпуса плазменного реактора. Далее частицы оксидов урана затвердевают и теряют адгезию к стенкам реактора.

В газодинамическое водоохлаждаемое сопло 12, закрепленное на нижнем фланце плазменного реактора 10 и на продуктопроводе 12 посредством верхнего и нижнего фланцев, поступает двухфазный поток 14 продуктов реакций (6-11), далее в сопле происходит охлаждение потока дисперсных и газовых продуктов реакции с заданной скоростью, чтобы воспрепятствовать коалесценции частиц диоксида урана, и позволяющее регулировать размер этих частиц и, следовательно, гранулометрический состав продукта. Скорость охлаждения частиц диоксида урана 10⁵-10⁶ К/с. Температура потока на выходе из сопла составляет 150-200°С, при которой коалесценции частиц уже не происходит.

Двухфазный поток входит по продуктопроводу 13 в центробежный сепаратор 15 (циклон или вихревой пылеуловитель), в котором происходит сепарация дисперсных оксидов урана и газовой фазы; поток частиц диоксида урана 16 выгружают, например, на разгрузочный шнек 17. Поток 18, содержащий остаток дисперсной фазы, оксиды азота, азот, кислород, водяной пар поступает в металлокерамический фильтр 19, состоящий из анизотропной керамики, снабженный импульсной эжекционной регенерацией; в этом фильтре полностью улавливают дисперсную фазу оставшихся субмикронных частиц диоксида урана (около 5% исходной массы дисперсного продукта); дисперсный порошок 20 из металлокерамического фильтра 19 выгружают на шнек 17. Оксиды урана выгружают шнеком 17 в транспортную емкость 22.

Поток газовых продуктов 21, очищенных от порошка диоксида урана, состоящий, в основном из азота, паров воды и диоксида углерода, выводят из металлокерамического фильтра и направляют, при необходимости, в спецвентилляцию для санитарной очистки.

На фигурах не показаны запорно-регулирующая аппаратура, средства подачи компонентов технологического процесса и система управления.

Примеры осуществления

По предложенному способу перерабатывали сырье радиохимического завода - смесевой раствор реэкстракта уранилнитрата и растворимого восстановителя урана конверсией в азотной плазме электродугового разряда на диоксид урана и сопутствующую газовую фазу. Исходный раствор (реэкстрат UO₂(NO₃)₂) имел следующие характеристики:

- концентрация реэкстракта, кг U/л 0.1-0.50

Параметры процесса и аппарата, представленного схематически на Фиг. 1-3 и предназначенного для производства диоксида урана по предложенному способу, приведены ниже:

суммарная электрическая мощность трех   плазмотронов ЭДП-109, кВт до 300 плазмообразующий газ азот суммарный расход плазмообразующего газа, нм³/ч до 50 среднемассовая температура плазмообразующего газа, К 3000-3500 производительность по раствору уранилнитрата, л/ч 20-60 концентрация урана в растворе уранилнитрата, г/л 100-500 расход растворимого восстановителя (карбамида)   зависит от концентрации реэкстракта по урану из расчета 1.25 моля восстановителя   на моль уранилнитрата дисперсность распыла уранилнитраат и восстановителя, мкм 100-150 давление в реакторе, кПа 100-150 скорость тангенциального потока азота при входе в реактор 52.4 м/с весовой расход азота на обдув стенок реактора, кг/ч (кг/с) 4.5 (0.0013) температура внутренней стенки корпуса реактора, °С до 500 степень очистки газа от твердых частиц на входе   в металлокерамический фильтр, % 95 степень улавливания порошка в центробежном   сепараторе и в МКФ, % 99.999 Конструкционные материалы: нержавеющая сталь X18 H10T Температура потока азотной плазмы до смешения с раствором 3000-4000°С Температура в плазменном реакторе после смешения плазмы   с раствором 1200-1500°С Внутренний диаметр плазменного реактора, м 0.30 Линейная скорость реагирующей среды в плазменном   реакторе, м/с 5-6 Длина плазменного реактора от горизонтальной   поверхности крышки до нижнего фланца, м 2.5 Степень конверсии уранилнитрата в диоксид урана 99.999% Температура на внутренней поверхности стенки   корпуса плазменного реактора 330°С Температура на внешней поверхности стенки корпуса   плазменного реактора 25°С

Пример 1.

1. Производительность по реэкстракту, л/ч 31 2. Концентрация реэкстракта, кгU/л 0.35 3. Производительность по урану, кг/ч 10.85 3. Производительность по диоксиду урана, кг/ч 12.31 4. Суммарный расход плазмообразующего газа -   азота, нм³/ч 50 5. Производительность по карбамиду, кг/ч 3.4 6. Об`ем газов, выходящих из плазмохимического   реактора, нм³/ч 116.7 7. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в   газодинамическом сопле 1.5·10⁵ К/с Средний размер частиц диоксида урана 0.28 мм Чистота продукта по Fe, Cu, W, Cr и прочим   примесям - 0.56 ppm 5.6·10^-5 вес.% Расход электроэнергии 6.2 кВт·ч/кг U

Конечная продукция - оксид урана содержит 88.11 мас.% урана. Влажность полученных партий оксидов урана составляла 0.08%; насыпная масса с утряской - 2.6 г/см³; удельная поверхность - 3.8 м²/г.

Пример 2.

1. Производительность по реэкстракту, л/ч 31 2. Концентрация реэкстракта, кгU/л 0.39 3. Производительность по урану, кг/ч 12.09 3. Производительность по диоксиду урана, кг/ч 13.72 4. Суммарный расход плазмообразующего газа, нм³/ч 50 5. Производительность по карбамиду, кг/ч 3.81 6. Об`ем газов, выходящих из плазмохимического   реактора, нм³/ч 102.6 7. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в   газодинамическом сопле 8·10⁴ К/с Средний размер частицдиоксида урана 0.43 мм Чистота продукта по Fe, Cu, Cr и прочим   примесям - 0.61 ppm 6.1·10^-5 вес.% Расход электроэнергии 6.1 кВт·ч/кг U Содержание остаточного азота, % 0.09

Конечная продукция - диоксид урана содержит 88.17 мас.%. Влажность полученных партий диоксида урана составляла 0.1%; насыпная масса с утряской - 2.6 г/см³; удельная поверхность - 3.6 м²/г.

Пример 3.

1. Производительность по реэкстракту, л/ч 31 2. Концентрация реэкстракта, кгU/л 0.48 3. Производительность по урану, кг/ч 14.88 3. Производительность по оксидам урана, кг/ч 16.89 4. Суммарный расход плазмообразующего газа, нм³/ч 50 5. Производительность по карбамиду, кг/ч 3.35 6. Об`ем газов, выходящих из плазмохимического   реактора, нм³/ч 102.5 7. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в   газодинамическом сопле 9·10⁴ К/с Средний размер частиц диоксида урана 0.51 мм Чистота продукта по Fe, Cu, Cr и прочим   примесям - 0.43 ppm 4.3·10^-5 вес.% Расход электроэнергии 5.6 кВт·ч/кг U

Конечная продукция - диоксид урана содержит 88.23 мас.% урана. Влажность полученных партий оксидов урана составляла 0.06%; насыпная масса с утряской - 2.7 г/см³; удельная поверхность - 3.9 м²/г.

Изобретение относится к технологии и аппаратурному оформлению процесса конверсии отхода ядерного производства уранилнитрата. Способ получения оксида урана из раствора уранилнитрата включает генерирование потока азотной плазмы с помощью электродуговых плазмотронов плазменного реактора, введение раствора уранилнитрата в зону смешения плазменного реактора, причем в раствор уранилнитрата предварительно введен химически совместимый с ним растворимый восстановитель урана, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке азотной плазмы на оксид урана и газовую фазу, охлаждение двухфазного потока в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С, одновременную подачу тангенциального потока сжатого азота в верхнюю часть корпуса плазменного реактора за зоной смешения, разделение двухфазного потока с получением оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана и очистку газовой фазы. Изобретение обеспечивает эффективное и взрывобезопасное получение монодисперсного диоксида урана высокой чистоты. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

1. Способ получения оксида урана из раствора уранилнитрата, содержащий введение раствора уранилнитрата и потока азотной плазмы в зону смешения охлаждаемого плазменного реактора, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке азотной плазмы плазменного реактора на оксид урана и газовую фазу, разделение оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана и очистку газовой фазы, отличающийся тем, что предварительно в раствор уранилнитрата вводят химически совместимый с ним растворимый восстановитель урана, подают тангенциальный поток сжатого азота в верхнюю часть корпуса плазменного реактора за зоной смешения, а по завершении разложения дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке азотной плазмы плазменного реактора на диоксид урана UO₂ и газовую фазу охлаждают полученный вертикально направленный двухфазный поток в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворимого восстановителя урана используют карбамид (NH₂)₂(CO).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что карбамид вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 1.25 моля на моль уранилнитрата.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворимого восстановителя урана используют карбогидразид CO(NHNH₂)₂.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что карбогидразид вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 0.9 моля на моль уранилнитрата.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворимого восстановителя урана используют метиловый спирт СН₃ОН.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что метиловый спирт вводят в раствор уранилнитрата в соотношении 1.2 моля на моль уранилнитрата.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что потоки азотной плазмы вводят в плазменный реактор под углом 30-40° к вертикальной оси реактора.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для дезинтегрирования раствора уранилнитрата с растворимым восстановителем используют пневмоцентробежную форсунку.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дезинтегрированный раствор уранилнитрата и восстановителя инжектируют в поток азотной плазмы с углом распыления не более 45°.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в объеме плазменного реактора поддерживают температуру не менее 1200-1500°С.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней стенке корпуса плазменного реактора поддерживают температуру 300-400°С.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начальная скорость тангенциального потока азота составляет не менее 50 м/с, расход тангенциального потока азота составляет не менее 0.4 кг/с, а произведение расхода на скорость составляет не менее 2 кг·м/с².

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле составляет 10⁵-10⁶ К/с.

15. Устройство для получения оксида урана из раствора уранилнитрата, содержащее плазменный реактор с двойной водо-воздушной охлаждающей рубашкой, с установленными в его верхней части электродуговыми плазмотронами для генерирования потока азотной плазмы с источниками электропитания, средства для подачи раствора, содержащего уранилнитрат в плазменный реактор, и установленные по ходу технологического процесса за плазменным реактором центробежный сепаратор и металлокерамический фильтр из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности для разделения диоксида урана и газовых компонентов раствора азотной кислоты, средство выгрузки оксида урана и отвода газовой фазы, отличающееся тем, что средство для подачи раствора, содержащего уранилнитрат, выполненное в виде пневмоцентробежной форсунки, соединено с реактором-смесителем уранилнитрата и растворимого восстановителя урана, плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса и крышки в виде усеченного конуса, на конической поверхности которой установлены электродуговые плазмотроны, оси которых направлены вниз под углом 20-22.5° к оси плазменного реактора, средство для ввода раствора уранилнитрата установлено вертикально по центру горизонтальной поверхности крышки плазменного реактора, в верхней части корпуса плазменного реактора установлены сопла для тангенциальной подачи сжатого азота, а нижняя часть корпуса плазменного реактора соединена с вертикально расположенным водоохлаждаемым газодинамическим соплом, соединенным с центробежным сепаратором.

16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что сопла для тангенциального ввода потоков сжатого азота расположены под углом 5-10° к плоскости горизонтального сечения корпуса плазменного реактора.

17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что электродуговые плазмотроны расположены симметрично по отношению друг к другу по окружности горизонтального сечения конической поверхности крышки плазменного реактора.

18. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что оси электродуговых плазмотронов расположены под углом 30-40° к вертикальной оси реактора.

19. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что оно содержит не менее трех электродуговых плазмотронов.