Способ переработки химического концентрата природного урана

Изобретение относится к области получения топлива для атомных электростанций и может быть использовано для получения оксидов урана высокой степени чистоты при переработке химического концентрата природного урана. Переработка химического концентрата природного урана ХКПУ с высоким содержанием некоторых примесей (железо, алюминий, фосфор, сульфаты), особенно кремния (0,3-3,6%, в среднем 0,5%) сопровождается серьезными трудностями, связанными с усложнением экстракционной переработки и снижением качества готовой продукции. Сущность изобретения заключается в том, что растворение концентрата проводят в 1,0-1,5 М азотной кислоте с поддержанием в растворе заданного избыточного содержания азотной кислоты 0,3-1,0 М, а перед фильтрацией раствор отстаивают в течение 4-6 часов. Изобретение обеспечивает получение оксидов урана ядерной чистоты. По предлагаемому способу расход азотной кислоты на растворение ХКПУ составляет 0,26 кг/кг урана, увеличивается время эксплуатации используемого оборудования и фильтрующих полотен.

 

Изобретение относится к области получения топлива для атомных электростанций и может быть использовано для получения оксидов урана высокой степени чистоты при переработке химического концентрата природного урана.

Химический концентрат природного урана (ХКПУ) содержит до 40 мас.% урана при влажности ≈40% и представляет собой смесь солей натрий-, аммонийуранилтрикарбонатов и полиуранатов аммония переменного состава. ХКПУ получают осаждением карбонатно-аммиачной смесью из десорбатов после анионообменной сорбции урана из растворов подземного выщелачивания урановых руд. Переработка ХКПУ с высоким содержанием некоторых примесей (железо, алюминий, фосфор, сульфаты), особенно кремния (0,3÷3,6%, в среднем 0,5%) сопровождается серьезными трудностями, связанными с усложнением экстракционной переработки и снижением качества готовой продукции.

Известен способ переработки химического концентрата природного урана с содержанием закиси-окиси урана 80÷90% [1]. Способ состоит в растворении концентрата в смеси серной и соляной кислот при рН 0,5÷2,5 с последующей обработкой полученного раствора хелатной смолой диаминокарбоксилиткислотного типа. При этом из раствора селективно удаляются железо, медь, молибден и ванадий. Раствор, обработанный таким образом, нейтрализуют в два этапа: на первом этапе рН регулируют в диапазоне 2,5÷4,0 гидроксидом кальция для удаления алюминия; на втором этапе в отфильтрованный раствор вводят газообразный аммиак для осаждения диураната аммония. Полученный осадок отделяют от жидкости, прокаливают при 350÷500°С до образования триоксида урана или при 550°С и выше до образования закиси-окиси урана.

Недостатками данного способа являются: многостадийность процесса, потери урана с кальций-алюминийсодержащим кеком, ограниченные возможности по переработке концентратов с высоким содержанием примесей или изменении примесного состава концентрата. При переработке концентратов, содержащих кремний, по данному способу возникают следующие трудности. Во-первых, кремний при ионообменной обработке раствора не сорбируется хелатной смолой. Во-вторых, при рН среды меньше 2 происходит гелеобразование за счет агрегирования кремнезолей, гелеобразная масса при прохождении через слой гранул ионообменной смолы забивает микропоры, снижает сорбционную активность смолы. При этом требуется частая ее промывка. В-третьих, на первом этапе гидролитического осаждения при доведении рН среды оксидом кальция до 2,5÷4,0 только небольшая часть кремния соосаждается с алюминием, а основное его количество на втором этапе нейтрализации газообразным аммиаком соосаждается с диуранатом аммония. На последующей операции термической обработки диоксид кремния не отгоняется, а остается в порошках оксидов урана. К тому же, к недостаткам ионообменной сорбции относятся малая емкость, набухаемость, высокая стоимость сорбентов и низкая скорость процесса по сравнению с жидкостной экстракцией.

Известен способ переработки концентрата, содержащего 80% закиси-окиси урана, растворением в ЗМ азотной кислоте с добавлением ортофосфорной кислоты (для осаждения тория) [2]. Образующаяся пульпа содержит менее 1% диоксида кремния, 2М азотную кислоту и около 375 г/л урана. С узла растворения пульпа без фильтрации перекачивается на операцию экстракции. Экстракцию проводят 25% раствором трибутилфосфата (ТБФ) при соотношении водной и органической фаз, равном 1:4. После контактирования насыщенная органика поступает на реэкстракцию и далее по АДУ технологии получают порошок диоксида урана. Недостатками данного способа являются: поступление с растворами при перекачке на экстракцию части кремния в виде геля, образование в процессе экстракции межфазных образований (МФО), большая потеря экстрагента за счет образования МФО, засорение внутренних полостей аппаратов в случаях определенного сочетания кремния с другими сопутствующими примесями вплоть до полной остановки процесса экстракции. К тому же, использование на операции растворения концентрата ЗМ азотной кислоты (189 г/л) приводит к повышению коррозионного воздействия растворов на оборудование.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ переработки концентрата природного урана [3], по которому концентрат, содержащий более 1% кремния, растворяют в 3÷5 М азотной кислоте. Полученный раствор, содержащий 250÷400 г/л урана, фильтруют без отстаивания, отделяют от кремнекислоты на фильтр-прессе и направляют на экстракцию. Экстракцию проводят 15÷40% раствором ТБФ. После окончания контактирования фаз органику, содержащую 120 г/л урана (при использовании 40% раствора ТБФ), направляют на реэкстракцию и по известной технологии перерабатывают до керамического диоксида урана. Недостатками способа являются: высокий расход азотной кислоты на выщелачивание - 0,79 кг/кг урана, снижение коррозионной стойкости оборудования и срока службы фильтроткани при работе с высококислыми растворами, низкая производительность процесса фильтрации из-за быстрого снижения скорости фильтрации, обусловленного закупоркой пор фильтроткани частицами кремнегеля, неэффективное использование экстрагента. На операции экстракции при концентрации в растворе азотной кислоты 190÷300 г/л наблюдается конкурентная экстракция между уранилнитратом и азотной кислотой, которая приводит к снижению емкости ТБФ и, как следствие, к снижению насыщения ТБФ ураном. Так, например, по данному способу максимальное насыщение органики составляет 120 г/л в 40% растворе ТБФ, или 68,2% от теоретического.

Данный способ принимаем за прототип. Указанные недостатки устраняются предлагаемым способом.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа переработки химического концентрата путем растворения его в 3 М азотной кислоте, отделении кремнекислоты фильтрацией на фильтр-прессе с последующей экстракционной очисткой, реэкстракцией, осаждением полиураната аммония, термической обработкой для получения оксидов урана растворение ХКПУ ведут в азотной кислоте более низкой концентрации с поддержанием в растворе определенного заданного избыточного содержания азотной кислоты и с выдержкой раствора перед фильтрацией.

Задачей настоящего изобретения является устранение отрицательного воздействия кремния на процесс фильтрации и экстракции и получение оксидов урана ядерной чистоты.

Поставленная задача решается за счет проведения обработки ХКПУ раствором 1,0÷1,5 М азотной кислоты с поддержанием кислотности в процессе растворения 0,3÷1,0 М, выдержки раствора в течение 4÷6 часов для коагуляции и осаждения кремнекислоты, отделения ее от урансодержащего раствора.

Используемые в предлагаемом способе концентрации азотной кислоты обеспечивают наиболее полное протекание процесса полимеризации кремнекислоты в золь, его агломерации и выпадения в плотный осадок в виде геля. Концентрации азотной кислоты менее 0,3 М недостаточно для гелеобразования, кроме того, возрастают потери урана в результате его неполного перехода в раствор. При концентрации азотной кислоты более 1 М увеличивается переход кремния в раствор, повышается коррозия оборудования и снижается срок эксплуатации фильтрующих полотен.

Времени отстаивания менее 4 часов недостаточно для полного осаждения кремнекислоты, за 6 часов раствор полностью отстаивается, увеличение продолжительности отстаивания более 6 часов нецелесообразно из-за снижения производительности переработки.

Из полученного по предлагаемому способу раствора после экстракционной очистки от примесей по известной технологии получают оксиды урана ядерной чистоты.

По предлагаемому способу расход азотной кислоты на растворение ХКПУ составляет 0,26 кг/кг урана, увеличивается время эксплуатации используемого оборудования и фильтрующих полотен.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Пример 1

Проба ХКПУ имеет следующий состав, %: U=40; Н₂O=40; Si=3,6; Fe=2,0; SO₄ ^-2=4,5; PO₄ ^-3=0,05; Na=0,06; K=0,001; Mg=0,007; F=0,01. В емкость с мешалкой заливают 1,5 М НМО₃. Порционно загружают химический концентрат природного урана (ХКПУ) при температуре 40°С и постоянном перемешивании. Дозируют азотную кислоту и воду так, чтобы избыточная кислотность после загрузки очередной порции концентрата составляла 1 М HNO₃. После растворения последней порции концентрата пульпу отстаивают 4 часа и фильтруют через ткань "Бельтинг". В растворе после фильтрации содержится, г/л: U=150; HNO₃=63; Si=0,2. Полученный фильтрат корректируют по азотной кислоте до 1,8 М и урану до 100 г/л и направляют на экстракцию и реэкстракцию. Из реэкстракта осаждают полиуранат аммония (ПУА), прокаливают ПУА до закиси-окиси урана. Полученные пробы закиси-окиси урана анализируют на содержание примесей. Содержание примесей соответствует ядерной чистоте. В частности, содержание кремния составляет Si≤0,01%.

Пример 2

Проба ХКПУ имеет следующий состав, %: U=35; Н₂O=45; Si=1,0; Fe=1,2; SO₄ ^-2=6,5; РО₄=0,03; Na=0,04; K=0,001; Mg=0,007; F=0,04. В емкость с мешалкой заливают 1,0 М HNO₃. Порционно загружают химический концентрат природного урана (ХКПУ) при температуре 40°С и постоянном перемешивании. Дозируют азотную кислоту и воду так, чтобы избыточная кислотность после загрузки очередной порции концентрата составляла 0,5 М HNO₃. После растворения последней порции концентрата пульпу отстаивают 6 часов и фильтруют через ткань "Бельтинг". В растворе после фильтрации содержится, г/л: U=130; HNO₃=33; Si=0,1. Полученный фильтрат корректируют по азотной кислоте до 1,5 М и урану до 100 г/л и направляют на экстракцию и реэкстракцию. Из реэкстракта осаждают полиуранат аммония (ПУА), прокаливают ПУА до закиси-окиси урана. Полученные пробы закиси-окиси урана анализируют на содержание примесей. Получают ядерночистый продукт. Содержание кремния составляет Si≤0,01%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США №4832924, 1989.

2. А.А., Майоров, И.Б.Браверман. Технология получения порошков керамического диоксида урана. М., Энергоатомиздат, 1985, с.72.

3. А.Н.Зеликман. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана, М., Гос. научно-техническое изд-во, 1961, с.332-334.

Способ переработки химического концентрата природного урана, включающий растворение концентрата в азотной кислоте, фильтрацию раствора, экстракцию и реэкстракцию урана, осаждение полиураната аммония, термическую обработку для получения оксидов урана, отличающийся тем, что растворение концентрата проводят в 1,0-1,5 М азотной кислоте с поддержанием в растворе заданного избыточного содержания азотной кислоты 0,3-1,0 М, а перед фильтрацией раствор отстаивают в течение 4-6 ч.