Способ восстановления изотопного регенерированного урана Российский патент 2021 года по МПК G21C19/42 B01D59/20 

Изобретение относится к области рециклирования ядерных энергетических материалов и касается технологии восстановления регенерированного урана.

После выгорания в ядерном реакторе изотопный состав отработавшего топлива существенно отличается от изотопного состава природного урана. В отработавшем топливе остается большое содержание изотопа уран-235, при значительном содержании изотопов уран-232, уран-234, уран-236. Присутствие в повышенном содержании перечисленных четных изотопов снижает качество (под «качеством» подразумевается изотопный состав урана с точки зрения содержания изотопов уран-232, уран-234, уран-236) и создает трудности с возвратом урана отработавшего топлива в топливный цикл и с обращением с регенерированным ураном в целом, т.к. продукты распада изотопа уран-232 являются источниками мощного гамма излучения, изотоп уран-234 является источником загрязнения альфа частицами, а изотоп уран-236 обладает свойством паразитного захвата тепловых нейтронов в активной зоне ядерного реактора.

Сущность изобретения: способ восстановления изотопного состава регенерированного урана, заключающийся в повышении содержания изотопа уран-235 в регенерированном уране до 2,0÷6,0 мас. % при понижении абсолютного и/или относительного содержания изотопов уран-232, уран-234, уран-236. Способ состоит из двух последовательных этапов: обогащение регенерированного урана в форме гексафторида в двойном изотопно-разделительном каскаде с дополнительным питанием каскада ураном-разбавителем и смешением промежуточного продукта получаемого с каскада с ураном-разбавителем для получения восстановленного регенерированного урана требуемого качества, с одновременным смешиванием побочных продуктов восстановления между собой перед их десублимацией в емкость. В первом ординарном изотопно-разделительном каскаде восстанавливаемый регенерированный уран обогащают до содержания изотопа уран-235 от 10% и более для снижения относительного содержания изотопа уран-236, далее обогащенную в первом каскаде изотопную урановую смесь подают на питание второго ординарного каскада, в который дополнительно подается уран-разбавитель. Во втором ординарном каскаде производят очистку изотопной смеси от изотопов уран-232 и уран-234 с добавлением урана-разбавителя, благодаря которому максимальное содержание в каскаде изотопа уран-232 не превышает величины 10^-4 мас. %. На втором этапе поток тяжелой фракции второго каскада смешивается с ураном-разбавителем для получения товарного содержания изотопа уран-235. Побочные продукты восстановления смешиваются друг с другом без их промежуточного цикла сублимация-десублимация для дальнейшей переработки или хранения.

Преимущества изобретения

- Повышение качества обогащенного регенерированного урана.

- Повышение безопасности процесса за счет снижения дозовой нагрузки на обслуживающий персонал посредством ограничения величины максимального содержания в каскаде изотопа уран-232 не более 10^-4 мас. %.

- Снижение затрат на производство обогащенного регенерированного урана, за счет исключения промежуточных технологических переделов, в виде десублимации и сублимации, посредством прямого смешивания потоков побочных продуктов восстановления отбираемых с каскада в газообразной форме гексафторида.

- Снижение затрат на производство изотопно-восстановленного регенерированного урана, за счет исключения затрат, связанных с утилизацией среднеактивных радиоактивных отходов (далее - РАО), посредством технического обеспечения при использовании способа возникновения только низкоактивных РАО.

Известен способ-аналог изотопного восстановления регенерированного урана [патент RU 2307410], заключающийся в повышении концентрацию делящегося изотопа уран-235 по сравнению с исходным содержанием до заданной величины 2÷5 мас. % прямым обогащением в одинарном каскаде газовых центрифуг с одновременным разбавлением гексафторидом смеси изотопов урана с меньшими, чем в исходной выгоревшей смеси, концентрациями изотопов уран-232, уран-234 и уран-236. Разбавление производится путем подмешивания гексафторида урана-разбавителя в межступенный поток каскада с идентичной концентрацией делящегося изотопа уран-235. Разбавление ведут гексафторидом натуральной смеси изотопов урана, гексафторидом смеси изотопов урана, выделенной из выгоревшего ядерного топлива, а также смесью гексафторида исходной выгоревшей смеси изотопов урана и гексафторида натуральной смеси изотопов урана или гексафторида смеси изотопов урана, выделенной из выгоревшего ядерного топлива. Недостатками способа-аналога являются использование дорогостоящего природного урана и его загрязнение нежелательными изотопами, наличие существенных затрат разделительной мощности для обогащения урана разбавителя, а также накопление ухудшающих качество урана изотопов при повторении циклов и, соответственно, увеличивающееся с каждым циклом необходимое количество урана-разбавителя.

Известен способ изотопного восстановления регенерированного урана [патент RU 2236053], который включает прямое обогащение гексафторида регенерированного урана в разделительном центрифужном каскаде. Смесь изотопов урана обогащают по делящемуся изотопу U-235 до 10,0-90,0 мас. %, после чего разбавляют ураном природного происхождения до массы, не превышающей массу сырьевого уранового регенерата. Разбавление ведут смесью изотопов урана с содержанием делящегося изотопа U-235 от 0,1 до 5,0 мас. %. Способ-аналог позволяет уменьшить в регенерированном уране содержание нежелательного изотопа U-236 и относительную концентрацию наиболее радиационно-опасных изотопов U-234 и U-232. Недостатками способа являются необходимость использования урана только природного происхождения и необходимость дополнительных затрат работы разделения для наработки урана-разбавителя.

В качестве прототипа выбран способ [патент RU 2282904], заключающийся в повышении содержания делящегося изотопа уран-235 в регенерированном уране до 2,0-5,0 мас. % при понижении абсолютной и/или относительной концентрации четных изотопов урана. Способ включает разделение изотопной смеси сырьевого уранового регенерата в газоцентрифужном изотопно-разделительном каскаде и смешение выделенной товарной изотопной смеси с ураном-разбавителем. Разделение изотопной смеси ведут в двойном каскаде. Обогащают сырьевой урановый регенерат по делящемуся изотопу уран-235 в первом ординарном каскаде до содержания более 90 мас. %. Во втором ординарном каскаде производят очистку изотопной смеси от изотопов уран-232 и уран-234. В качестве товарной изотопной смеси на смешение с ураном-разбавителем направляют отборный поток второго каскада, обогащенный по изотопу уран-235.

Недостатками способа-прототипа являются относительно высокое содержание изотопа уран-232 (~10^-2 мас. %) в концевых ступенях и потоке отбора легкой фракции второго каскада и необходимость десублимации этой фракции в емкости перед ее дальнейшей переработкой. Изотоп уран-232 и продукты его распада формируют высокий уровень дозовой нагрузки на обслуживающий персонал. Также высокое содержание изотопа уран-232 ~10^-2 мас. % впоследствии создает значительные трудности с утилизацией используемого оборудования (газовых центрифуг, емкостей, технологических фильтров и т.д.) после вывода его из эксплуатации. Продукты химического взаимодействия гексафторида урана с материалами, из которых изготовлены внутренние объемы оборудования, в виде коррозионных отложений, содержащих уран с повышенным содержанием изотопа уран-232, представляют собой среднеактивные РАО. Ориентировочная длительность хранения (предварительной выдержки) таких среднеактивных РАО, в виде утилизируемого оборудования, для снижения активности урана-232 и продуктов его распада до уровня очень низкоактивных РАО, пригодных к переработке для дальнейшего использования в народном хозяйстве, составляет более 400 лет. Очевидно, что специализированное хранение таких среднеактивных РАО влечет за собой большие финансовые затраты.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются:

1. Снижение абсолютного и/или относительного содержания изотопов уран-232, уран-234, уран-236 при обогащении регенерированного урана по изотопу уран-235.

2. Снижение дозовой нагрузки на обслуживающий персонал при обогащении регенерированного урана за счет не превышения содержания изотопа уран-232 в изотопной смеси 10^-4 мас. % на всех этапах способа переработки регенерированного урана.

3. Снижение затрат на производство обогащенного регенерированного урана с нормированным изотопным составом, и затрат на утилизацию, возникающих при этом, РАО.

Эти задачи решаются за счет переработки гексафторида регенерированного урана в двойном разделительном каскаде с подачей во второй каскад гексафторида урана-разбавителя, смешивания выделенного в каскаде гексафторида урана с гексафторидом урана-разбавителя для получения обогащенного регенерированного урана требуемого товарного качества, и смешиванием потоков побочных продуктов каскада в форме газа гексафторида урана до этапа их десублимации.

Способ изотопного восстановления регенерированного урана заключается в повышении содержания изотопа уран-235 в регенерированном уране до 1,5…6,0 мас. % при понижении абсолютной и/или относительной концентрации изотопов уран-232, уран-234, уран-236. Способ включает разделение изотопной смеси сырьевого регенерированного урана в форме гексафторида урана в двойном изотопно-разделительном каскаде с подачей на питание второго каскада гексафторида урана-разбавителя, и смешивание выделенной в каскаде изотопной смеси с ураном-разбавителем для получения требуемого обогащенного восстановленного регенерированного урана, а так же смешивании потока легкой фракции второго каскада и потока тяжелой фракции первого каскада, являющимися побочными продуктами изотопного восстановления, в газообразной форме гексафторида без их промежуточной десублимации и последующей сублимации. Двойной разделительный каскад состоит из двух ординарных каскадов. Под потоками «легкой» и «тяжелой» фракций каскада здесь и далее понимаются потоки отбора каскада с повышенным и пониженным содержанием изотопа урана-235 соответственно. Принципиальная схема реализации способа представлена на фигуре.

В соответствии со схемой на фигуре, восстанавливаемый регенерированный уран в форме гексафторида из технологической емкости 1 посредством потока 2 подается на питание первого ординарного изотопно-разделительного каскада 3, в котором, в зависимости от требуемого содержания изотопа уран-236 в товарном восстановленном уране, производят обогащение по изотопу уран-235 в потоке легкой фракции 5 до содержания от 10 мас. % и более. Первой отличительной особенностью способа является то, что обогащение по изотопу уран-235 в первом каскаде может быть менее 90 мас. %. При обогащении в каскаде изотопной смеси по изотопу уран-235, минорный изотоп уран-236, как более тяжелый, в большей степени смещается в поток тяжелой фракции 4 каскада, в котором содержание изотопа уран-235 составляет 0,07÷0,3 мас. %. Частично очищенная от изотопа-236 урановая смесь потока 5 далее подается на питание второго ординарного изотопно-разделительного каскада 8, в котором производится очистка изотопной смеси от изотопов уран-232 и уран-234, при содержании изотопа U-235 в изотопной смеси легкой фракции 10 второго каскада 20,0…80,0 мас. %.

Второй отличительной особенностью способа является наличие дополнительного потока питания 7 для подачи урана-разбавителя во второй каскад из емкости 6, позволяющего регулировать изотопное распределение по ступеням каскада путем изменения величины и места подачи этого потока (ступени каскада, в которую он подается). В концевой ступени каскада 8 и в потоке 9 происходит максимальная в схеме концентрация легких изотопов уран-234 и уран-232. Вклад изотопа уран-232 и продуктов его распада формирует основную долю дозовой нагрузки на обслуживающий персонал, поэтому для снижения содержания изотопа уран-232, во второй каскад дополнительно подается уран-разбавитель, который позволяет удерживать содержание изотопа уран-232 менее 10^-4 мас. % в концевых ступенях каскада и в потоке легкой фракции 9. В способе-прототипе содержание изотопа уран-232 в аналогичном потоке до 100 раз больше (~10^-2 мас. %), что создает дозовую нагрузку, существенно ограничивающую допустимое время работы в год персонала с урансодержащими емкостями и оборудованием в течение длительного периода, а также приводит к образованию среднеактивных РАО при утилизации этого б/у оборудования, содержащего уран в виде коррозионных отложений.

Возможность удерживания максимального содержания изотопа уран-232 в потоках схемы в способе на уровне не более 10^-4 мас. %, посредством технического решения в виде подачи во второй каскад урана-разбавителя, обеспечивает снижение дозовой нагрузки и, как следствие, в десятки раз увеличивает допустимое время работы в год одного человека с урансодержащими емкостями и оборудованием в течение длительного периода, что повышает безопасность процесса и улучшает условия труда, и позволяет избежать образования среднеактивных РАО и, соответственно, затрат на утилизацию этих отходов. Кроме того, уран-разбавитель позволяет снизить относительное содержание изотопа уран-236 в потоке тяжелой фракции второго каскада.

Поток тяжелой фракции 10 второго ординарного каскада со сниженным содержанием изотопов уран-232, уран-234 и содержанием изотопа уран-235 от 5,0 мас. % до 30,0 мас. % смешивается с потоком урана-разбавителя 12 из емкости 11, в соотношении необходимом для получения урановой изотопной смеси с содержанием изотопа уран-235, соответствующей требованиям товарного продукта. Результат смешивания, поток 13, является товарным восстановленным регенерированным ураном и конденсируется в емкость 14.

Тяжелая фракция 4 первого каскада и легкая фракция 9 второго каскада являются побочными продуктами восстановления регенерированного урана. Для снижения содержания изотопа уран-232 поток легкой фракции 9 первого каскада смешивается с потоком тяжелой фракции 4 первого каскада, в котором содержание изотопа уран-232 на меньше в ~100 раз. Результат смешивания двух фракций 15, являющийся конечным побочным продуктом восстановления, конденсируется в емкость 16. В результате прямого смешивания потоков побочных продуктов перед их десублимацией достигаются одновременно две цели: снижение дозовой нагрузки на обслуживающий персонал посредством уменьшения содержания изотопа уран-232, и исключение затрат, связанных с промежуточными десублимацией и сублимацией побочных продуктов перед их смешиванием для дальнейшей переработки. В конечном побочном продукте способа содержание изотопа уран-232 соответствует уровню содержания данного изотопа в сырьевом регенерированном уране ~10^-7 мас. %.

В качестве урана-разбавителя (в форме гексафторида) в способе может быть использован слабооблученный регенерированный уран, природный уран, непосредственно восстанавливаемый регенерированный уран, отвальный уран разделительных производств. Наибольший интерес представляет вариант привлечения дешевого отвального урана разделительных производств с содержанием изотопа уран-235 0,1÷0,4 мас. %, что позволит снизить затраты на восстановление регенерированного урана и частично вовлечь отвальный уран в топливный цикл.

Преимущества изобретения заключаются в повышении качества восстановленного регенерированного урана, при снижении затрат на его производство, и повышении безопасности процесса и улучшении условий труда, за счет снижения дозовой нагрузки на обслуживающий персонал.

Конкретные примеры реализации способа. В качестве примеров реализации способа приведены два варианта получения восстановленного регенерированного урана при переработке сырьевого регенерированного урана с изотопным составом, представленным в таблице 1. Используемая химическая форма урана - гексафторид урана.

Пример 1. Получение 1 тонны восстановленного регенерированного урана с содержанием изотопов уран-235 - 4,95 мас. %, уран-232 - менее 2×10^-7 мас. %, уран-234 - менее 0,08 мас. %, уран-236 - менее 1,0 мас. %. Качество сырьевого регенерированного урана приведено в таблице 1. Разбавитель - отвальный (ранее обедненный) регенерированный уран с содержанием изотопа уран-235 0,13 мас. %.

В первом ординарном разделительном каскаде сырьевой регенерированный уран обогащается по изотопу уран-235 до 71% (см. табл. 1, столбец 3), при этом в смеси остается только 23% от абсолютного исходного содержания в сырье изотопа уран-236, а остальные 77% переходят в тяжелую фракцию каскада, обедненную по изотопу уран-235 до 0,183 мас. %. Далее легкая фракция первого каскада подается во второй ординарный каскад для чистки от легких изотопов уран-232 и уран-234, в который дополнительно в обогатительную часть каскада подается уран-разбавитель с содержанием изотопа уран-235 0,13 мас. %. Присутствие потока урана-разбавителя снижает максимальное содержание в каскаде, а следовательно, в схеме в целом, изотопа уран-232 до величины не более 2,96×10^-5 мас. %, так же понижает содержание изотопа уран-236 в потоке тяжелой фракции каскада, в результате чего требуется менее глубокая очистка от изотопа уран-236 в первом каскаде. Далее, поток легкой фракции второго каскада напрямую подается в поток тяжелой фракции первого каскада и смесь двух потоков, содержащая 0,32 мас. % изотопа уран-235 (см. табл. 3), конденсируется в емкость. Смешивание потоков напрямую, без промежуточных переделов (десублимации и сублимации), позволяет снизить общие затраты на восстановление регенерированного урана на величину затрат, возникающих с данными переделами. Поток тяжелой фракции второго каскада, в котором содержание легких изотопов уран-232 и уран-234 снижено (см. табл. 2), смешивается с потоком урана-разбавителя до получения в смеси содержания изотопа уран-235 заданной величины 4,95 мас. % (см. табл. 3), и конденсируется в товарную емкость.

Пример 2. По аналогии с примером 1, во втором примере производится получение 1 тонны восстановленного регенерированного урана с содержанием изотопа уран-235 - 3,0 мас. %, уран-232 - менее 5×10^-7 мас. %, уран-234 - менее 0,08 мас. %, уран-236 - менее 1,0 мас. %. Качество сырьевого регенерированного урана и урана-разбавителя приведено в таблице 4. В качестве разбавителя использован отвальный регенерированный уран с содержанием изотопа уран-235 0,24 мас. %.

В первом ординарном разделительном каскаде сырьевой регенерированный уран обогащается по изотопу уран-235 до 14,0% (см. табл. 5, столбец 3). Далее легкая фракция первого каскада подается во второй ординарный каскад для чистки от легких изотопов уран-232 и уран-234, в который дополнительно в обогатительную часть каскада подается уран-разбавитель с содержанием изотопа уран-235 0,24 мас. %. Поток урана-разбавителя снижает максимальное содержание в каскаде изотопа уран-232 до величины не более 4,97×10^-5 мас. %. Далее поток легкой фракции второго каскада напрямую подается в поток тяжелой фракции первого каскада и смесь двух потоков, содержащая 0,225 мас. % изотопа уран-235 (см. табл. 6), конденсируется в емкость. Поток тяжелой фракции второго каскада, в котором содержание легких изотопов уран-232 и уран-234 снижено (см. табл. 5), смешивается с потоком урана-разбавителя до получения в смеси содержания изотопа уран-235 заданной величины 3,0 мас. % (см. табл. 6), и конденсируется в товарную емкость.

Изобретение относится к области рециклирования ядерных энергетических материалов. Способ восстановления изотопного состава регенерированного урана выгоревшего ядерного топлива для повторного использования в ядерном реакторе основан на осуществлении изотопного восстановления гексафторида регенерированного урана в двойном разделительном газоцентрифужном каскаде с подачей во второй каскад гексафторида урана-разбавителя и смешиванием выделенного в каскаде гексафторида урана с гексафторидом урана-разбавителя. Причем осуществляется смешивание потоков побочных продуктов двойного каскада в форме газа гексафторида урана. Техническим результатом является получение гексафторида урана с обогащением по U-235 до 2,86%, пригодного для повторного использования в ядерном реакторе, из сырьевого регенерированного урана с содержанием изотопа уран-235 0,84 мас. %. 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл., 2 пр.

1. Способ восстановления изотопного состава регенерированного урана, заключающийся в повышении содержания изотопа уран-235 в регенерированном уране до 2,0÷6,0 мас. % с понижением абсолютного и/или относительного содержания изотопов уран-232, уран-234, уран-236, включающий разделение изотопной смеси сырьевого регенерированного урана в форме гексафторида в газоцентрифужном изотопно-разделительном каскаде, смешивание выделенной товарной изотопной смеси с ураном-разбавителем, отличающийся тем, что разделение изотопной смеси проводят в двойном каскаде, обогащают сырьевой регенерированный уран по изотопу уран-235 в первом ординарном каскаде до содержания от 10 мас. % и более для очистки от изотопа уран-236, во второй ординарный каскад, в котором производят очистку от изотопов уран-232 и уран-234, дополнительно подают гексафторид урана-разбавителя для снижения абсолютного содержания в каскаде изотопа уран-232, при этом товарную изотопную смесь получают смешиванием потока тяжелой фракции второго каскада с ураном-разбавителем, а поток легкой фракции второго каскада подают непосредственно в поток тяжелой фракции первого каскада.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание изотопа уран-235 в товарном восстановленном регенерированном уране до 2,0÷6,0 мас. %.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве урана-разбавителя используют уран природного происхождения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве урана-разбавителя используют слабооблученный регенерированный уран.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве урана-разбавителя используют сырьевой регенерированный уран.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первом ординарном каскаде сырьевой регенерированный уран обогащают по изотопу уран-235 до содержания 10,0 мас. % и более.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание изотопа уран-235 в отвале первого ординарного каскада составляет 0,07-0,3 мас. %.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во второй ординарный каскад подается поток урана-разбавителя.

9. Способ по пп. 3, 4, 5 и 8, отличающийся тем, что содержание изотопа уран-235 в уране-разбавителе составляет 0,1-2,0 мас. %.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотопную смесь потока тяжелой фракции второго ординарного каскада смешивают с ураном-разбавителем до содержания изотопа уран-235 2,0÷6,0 мас. %.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток легкой фракции второго ординарного каскада подается непосредственно в поток тяжелой фракции второго ординарного каскада без промежуточных переделов.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что в результате смешения потоков содержание изотопа уран-235 в изотопной смеси – 0,2÷0,4 мас. %.