СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА Российский патент 2021 года по МПК C22B60/02 C01G43/06 C01G43/01 G21F9/34 

Изобретение относится к химии и технологии урана и может быть использовано в атомной промышленности для конверсии обедненного (отвального) гексафторида урана (ОГФУ), накопленные запасы которого (>600 тыс. тонн) представляют большую экологическую опасность. Существуют следующие способы переработки UF₆ в менее опасные химические формы.

1) Восстановление ОГФУ водородом с получением безводного фтороводорода и тетрафторида урана (ОАО «АЭХК», установка «Кедр»). Недостатком способа является неполное улавливание фтор-иона из газовой фазы.

2) Восстановление ОГФУ в водяной низкотемпературной плазме с получением безводного фтороводорода и оксидов урана (ОАО «ЭХЗ», установка «W-ЭХЗ»). Недостатком способа является образование слабокислых растворов.

3) Восстановление ОГФУ органическими соединениями с получением фторорганических соединений (озонобезопасные фреоны) и тетрафторид урана (ЗАО «Центр передачи технологий»). Недостатком способа является высокая стоимость вспомогательных реагентов. «Переработка отвального гексафторида урана» И.С. Кантаев, Всероссийская научно-практическая конференция, с. 119, Томск, 2011 г.

Общим недостатком приведенных «сухих» методов является сложность аппаратурного оформления процесса и необходимость применения конструкционных материалов, устойчивых во фторсодержащих средах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ переработки гексафторида урана, включающий гидролиз гексафторида урана, при котором гексафторид урана предварительно охлаждают, а в воду добавляют фторид аммония и лед, количество которого выбирают из условия компенсации тепловыделения при гидролизе гексафторида урана, при этом гексафторид урана постепенно загружают в полученную смесь, а его количество выбирают обратно пропорционально росту температуры раствора продуктов, далее осуществляют обработку продуктов гидролиза аммиачной водой, фильтрацию и термообработку осадка (патент RU 2630801 С1, МПК C01G 43/06 (2006.01), опубл. 13.09.2017). Недостаток способа заключается в том, что выгрузка из контейнера ОГФУ, являющегося высокотоксичным и радиологически опасным веществом, и его последующая загрузка в аппарат гидролиза ведется «вручную», что представляет опасность для оператора, обуславливает возможные нарушения заданного технологического режима и, соответственно, потери урана.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение доли ручного труда, повышение безопасности обслуживающего персонала, сокращение потерь урана.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки гексафторида урана, включающем охлаждение отвального гексафторида урана при удалении его из контейнера, постепенный порционный гидролиз при контролируемых температурно-временных параметрах, дальнейшее осаждение и выделение урана из водного раствора, согласно изобретению, удаление отвального гексафторида урана из контейнера ведут путем дозированного вымывания гексафторида урана химически инертной и нерастворимой в воде охлажденной жидкостью, далее получаемую суспензию промывают водой вплоть до завершения перехода урана в водную фазу, образовавшуюся эмульсию подвергают расслаиванию, после чего органическую фазу вновь используют для вымывания гексафторида, а из водной фазы выделяют уран.

В качестве нерастворимой в воде, химически инертной по отношению к ОГФУ жидкости, предложены перфторуглероды общей формулой C_nF_2n+2, например, жидкость М-1, а для переработки получаемой суспензии и разделения органической и водной фаз, предлагается использовать аппарат типа смеситель-отстойник.

Предлагаемое техническое решение обосновывается следующим образом. Как показал опыт, одна из существенных трудностей при переработке ОГФУ заключается в полноте его выгрузки из контейнера и доставки на стадию гидролиза. Метод сублимации (возгонки), (т.е. нагрев до ≈60°С), примененный в решениях-аналогах, не обеспечивает необходимой полноты выгрузки ввиду того, что ОГФУ при длительном хранении частично теряет способность к сублимации.

Решение-прототип, напротив, предусматривает охлаждение и, поэтому дальнейшее перемещение ОГФУ на стадию гидролиза, поскольку при вскрытии контейнера он находится в виде мелкодисперсной твердой фазы, приходится осуществлять в «ручном» режиме. Высокая дисперсность ОГФУ, помимо радиологической опасности создаваемой им, как открытым источником радиоактивного излучения, обусловливает его интенсивное участие в теплообменных и конвективных процессах и, соответственно, потери урана в результате просыпания, уноса и испарения.

Вместе с тем, экспериментально установлено, что ОГФУ без химического взаимодействия легко образует суспензию в жидких перфторуглеродах формулы C_nF_2n+2. При контакте этой суспензии с охлажденной водой наблюдается ожидаемая экзотермическая реакция гидролиза, приводящая к преобразованию суспензии в эмульсию, а затем, ввиду того, что жидкости являются взаимно нерастворимыми и обладают разной плотностью, происходит их спонтанное расслаивание. В результате образуются два слоя: нижний (ρ≈2,0 г/см³) - исходная, свободная от урана, органическая фаза и верхний (ρ≈1,1 г/см³) - водный раствор уранилфторида и плавиковой кислоты. Органическая фаза является инертным носителем UF₆, не участвует в химическом взаимодействии и пригодна для дальнейшего многократного дальнейшего использования. Водный раствор нейтрализуют и осаждают концентрат урана, например аммиаком. Попутно, в результате упаривания могут быть выделены фтораммонийные соли.

Осуществление изобретения.

Для подтверждения осуществимости предлагаемого метода в качестве химически инертной и нерастворимой в воде жидкости выбран перфторуглерод марки «М-1» изготовленный в соответствии с ТУ 95.2289-91.

Этой жидкостью залили содержимое охлажденного жидким азотом контейнера, в котором длительное время хранился ОГФУ. Далее погружным, химически стойким насосом, снабженным датчиком расхода, путем циркуляции образовали суспензию UF₆ в перфторуглероде, 4,5 литра которой перекачали в смеситель-отстойник, где обработали 5,0 литрами холодной воды при периодическом перемешивании и температуре не превышающей (35-40)°С.

После окончательного разделения фаз, органику перекачали в исходную емкость и вновь использовали для опорожнения контейнеров с ОГФУ. Водный раствор направили на нейтрализацию аммиаком и осаждение диураната аммония (рН≈9,5), после фильтрации и прокаливания которого получено 185,0 г U₃O₈.

По окончании промывки проведено измерение интенсивности α и β излучения на внутренней поверхности контейнера, которое составило величину ≈10-15 част./см²⋅мин, что свидетельствует о полноте разгрузки. Осуществление способа в соответствии с заявленным изобретением позволяет механизировать сложную операцию, добиться сокращения доли ручного труда, повысить безопасность производства и сократить потери урана, обусловленные его просыпанием, уносом и испарением.

Реализация способа в укрупненном масштабе, в отличие от способа-прототипа, допускает возможность дистанционного управления опасным процессом по программе, алгоритм которой, предусматривает компенсацию экзотермического эффекта регулировкой дозы вымываемого ОГФУ путем изменения расхода вымывающей жидкости-носителя. Очевидно, что и поддержание оптимального температурного режима достигается при этом меньшим расходом дорогостоящего хладагента.

Изобретение относится к химии и технологии урана и может быть использовано в атомной промышленности для конверсии обедненного (отвального) гексафторида урана (ОГФУ), накопленные запасы которого превышают 600 тыс. тонн и представляют большую экологическую опасность. Способ переработки гексафторида урана включает охлаждение гексафторида урана при удалении его из контейнера, гидролиз с последующим осаждением и выделением урана из водного раствора, при этом удаление гексафторида урана из контейнера ведут путем вымывания гексафторида урана химически инертной и нерастворимой в воде охлажденной жидкостью из класса перфторуглеродов общей формулой C_nF_2n+2, гидролиз полученной суспензии осуществляют путем промывания водой при температуре, не превышающей 35-40°С, до завершения перехода урана в водную фазу, образовавшуюся эмульсию подвергают расслаиванию, после чего органическую фазу вновь используют для вымывания гексафторида, а из водной выделяют уран. Для промывания суспензии водой и последующего расслоения жидкостной эмульсии используют аппарат типа смеситель-отстойник. Технический результат заключается в снижении доли ручного труда, повышении безопасности обслуживающего персонала, сокращении потерь урана. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки гексафторида урана, включающий охлаждение гексафторида урана при удалении его из контейнера, гидролиз с последующим осаждением и выделением урана из водного раствора, отличающийся тем, что удаление гексафторида урана из контейнера ведут путем вымывания гексафторида урана химически инертной и нерастворимой в воде охлажденной жидкостью из класса перфторуглеродов общей формулой C_nF_2n+2, гидролиз полученной суспензии осуществляют путем промывания водой при температуре, не превышающей 35-40°С, до завершения перехода урана в водную фазу, образовавшуюся эмульсию подвергают расслаиванию, после чего органическую фазу вновь используют для вымывания гексафторида, а из водной выделяют уран.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для промывания суспензии водой и последующего расслоения жидкостной эмульсии используют аппарат типа смеситель-отстойник.