Способ переработки облученного ядерного топлива атомных электростанций



Способ переработки облученного ядерного топлива атомных электростанций
Способ переработки облученного ядерного топлива атомных электростанций
Способ переработки облученного ядерного топлива атомных электростанций

 


Владельцы патента RU 2454741:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр ядерной и радиационной безопасности" (RU)

Изобретение относится к методам переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) и направлено на локализацию циркония в 1 экстракционном цикле путем совместной экстракции урана, нептуния, плутония, технеция и циркония с селективной реэкстракцией последнего. Способ переработки ОЯТ атомных электростанций включает экстракцию урана(VI), плутония(VI), нептуния(VI), технеция(VII) и циркония(IV) раствором разбавленного трибутилфосфата и реэкстракцию циркония в раствор азотной кислотой с отмывкой экстрагентом от актинидов. Экстракцию проводят в присутствии Cr(VI) при мольном отношении хром(VI): цирконий(IV)>1, а из экстракта, содержащего все эти элементы, проводят реэкстракцию в раствор азотной кислотой с концентрированием циркония, совместно с технецием или селективно, при введении несолеобразующего восстановителя, не вызывающего реэкстракцию плутония. Изобретение направлено на полное извлечение циркония на стадии экстракции, а также на улучшение экстракции нептуния, извлечение которого в центробежных экстракторах и пульсационных колоннах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 4 пр.

 

При переработке высоковыгоревшего облученного ядерного топлива атомных электростанций (ОЯТ АЭС) возникают проблемы образования осадков в виде молибдата циркония, причем цирконий и молибден являются продуктами деления с высоким выходом. Образование этих осадков наиболее существенным образом проявляется при упаривании рафинатов и обработке кубового остатка перед отверждением высокоактивных отходов (ВАО). Одним из путей решения этой проблемы является получение комплексов молибдена при упаривании рафината, например, с щавелевой кислотой при удалении циркония экстракцией в рамках первого экстракционного цикла (Патент RU №2303306, МПК G21F 9/08, опубликованный 20.07.2007, Бюл. Изобр. №20, 2007).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ экстракции циркония совместно с ураном, плутонием, нептунием и технецием раствором 30% трибутилфосфата (ТБФ) за счет эффекта «сверхэкстракции циркония» в присутствии урана в противоточном каскаде (Патент SU 1804652 A3, опубликованный 23.03.1993, Бюл. Изобр. №11, 1993).

Этот способ имеет ограниченный диапазон применения, поскольку требует проведения экстракции при высоком отношении удельных расходов экстрагента к исходному раствору (n>3,2) во всей зоне экстракции, что обеспечивается за счет повышенной концентрации урана и других элементов из ОЯТ в исходном растворе, а также отказа от присоединения раствора от кислотной промывки экстракта к потоку исходного раствора с превращением этой операции в реэкстракцию циркония в сочетании с дополнительно вводимой операцией отмывки делящихся актинидов (урана, плутония, в меньшей мере нептуния) из этого реэкстракта дополнительным потоком экстрагента.

Недостатком этого способа является также необходимость проведения для его реализации частичной реконструкции в высокоактивном узле действующих производств с установкой дополнительных экстракционных ступеней и емкостей, а также ограничения в узле осветления исходного раствора ОЯТ, связанные с ограничением удельного объема промывных растворов.

Указанные недостатки могут быть преодолены благодаря обнаруженному эффекту аномального повышения экстрагируемости циркония в присутствии хрома(VI), что иллюстрирует табл.1. При этом уран существенно не влияет на соэкстракцию циркония и хрома(VI).

Известны данные о введении хрома(VI) в исходный раствор низковыгоревшего ОЯТ (облученного природного урана) при его подготовке к переработке с использованием метилизобутилкетона как экстрагента (Переработка ядерного горючего, под ред. С.Столер и Р. Ричардс, М.: Атомиздат, 1964, стр.162-168), причем хром(VI) применялся в качестве окислителя для стабилизации плутония(VI). В Пурекс-процессе (экстракция актинидов с использованием ТБФ) надобность в окислителе плутония отпала, и о применении в таком процессе хрома(VI) не сообщалось. Точно также не известны опубликованные данные о влиянии хрома(VI) на экстракцию циркония.

Задачей заявляемого способа является полное извлечение циркония на стадии экстракции с последующей его реэкстракцией. Как показала стендовая проверка на модельных и реальных растворах, при введении хрома(V1) при мольном отношении Cr(VI):Zr(IV)>1 в головной экстракционный блок классической структуры (экстракция - двухзонная кислотная промывка) было достигнуто практически количественное извлечение циркония из раствора, содержащего 250 г/л урана и 3 моль/л азотной кислоты. Далее осуществляется полная реэкстракция циркония совместно с технецием 3,5-5,5 моль/л азотной кислотой, причем с вдвое более высоким концентрированием по сравнению с патентом (Патент RU №2132578, опубликованный 27.06.1999, Бюл. Изобр. №24, 1999) при введении в зону сильнокислотной реэкстракции раствора либо перекиси водорода, либо гидразиннитрата как восстановителя. Нижняя граница кислотности определяется реэкстрагируемостью технеция, а верхняя - проскоком циркония с экстрактом или «зависанием» обоих элементов в каскаде вследствие соэкстракции. Введение восстановителя с сильнокислым раствором обусловлено предотвращением его взаимодействия с плутонием в слабокислой зоне.

Было также показано, что хром(VI) может быть введен с исходным раствором или с сильнокислым промывным раствором, присоединяемым к исходному раствору, или отдельным потоком в зону экстракции. Кроме того, в качестве восстановителей могут быть использованы азотсодержащие соединения, в частности гидроксиламин или гидразин в сильнокислой среде, или перекись водорода и ее производные, а также низшие первичные спирты, причем восстановители вводят в отношении к хрому(VI) в количестве, близком к стехиометрическому.

Другим техническим результатом реализации заявляемого способа является улучшение экстракции нептуния, извлечение которого в центробежных экстракторах и пульсационных колоннах в отличие от смесителей-отстойников, не превышает 70% вследствие кинетических ограничений. Введение хрома(VI) в головной экстрактор повышает извлечение нептуния до 99% и более.

Наряду с этим также была успешно применена селективная слабокислотная реэкстракция циркония с его концентрированием в 10 раз по отношению к экстракту, также с введением восстановителя хрома(VI), не затрагивающего плутоний. В качестве такового использовали раствор перекиси водорода. При этом технеций преимущественно остается в экстракте.

Техническая применимость способа иллюстрируется примерами. Схема операций с извлечением и реэкстракцией циркония в 1 цикле переработки ОЯТ АЭС на стенде центробежных экстракторов иллюстрируется рисунком.

Примеры

Пример 1. Проверка предлагаемого способа была осуществлена на стенде малогабаритных центробежных экстракторов. Расходы и составы потоков отражены в табл.2. Дальнейшие операции по реэкстракции Pu и U и их очистке от Np, а также регенерация оборотного экстрагента проводятся любым известным способом и на схеме не показаны.

Исходный раствор, содержащий 250 г/л U и 3 моль/л HNO3, реальные концентрации Np, Тс и Zr, а также в 20 раз более низкую концентрацию Pu (по сравнению с типовым ОЯТ ВВЭР-1000 с выгоранием 40 ГВт*сут/т U) подают на экстракцию 30% ТБФ в смеси с додеканом. Экстракт проходит двухзонную кислотную промывку, причем структура промывной зоны соответствует прототипу с тем отличием, что промывной раствор как обычно присоединяют в экстракторе к потоку исходного раствора, а не выводят в качестве реэкстракта Zr (после отмывки от актинидов). Оба промывных раствора содержат Cr(VI), причем основное количество последнего вводят с сильнокислым промывным раствором в соотношении по балансу Cr(VI):Zr>1. В результате весь Zr экстрагируется наряду с U, Pu, Np и Тс, причем Np также экстрагируется полностью.

Совместная кислотная реэкстракция Zr и Тс проводится путем проведения двухзональной операции с оптимальным соотношением и кислотностью потоков, причем с сильнокислым реэкстрагирующим раствором вводя стехиометрическое по отношению к Cr(VI) количество гидразиннитрата в качестве восстановителя, взаимодействующего быстро с Cr(VI). В результате удается сконцентрировать оба эти элемента в 2,2 раза по отношению к входящему экстракту.

Пример 2. Процесс проводят идентично примеру 1, но Cr(VI) в процесс не вводят. В результате практически весь Zr выводится в рафинат, как и положено в стандартном Пурекс-процессе.

Пример 3. Экстракцию и промывку экстракта проводят аналогично примеру 1, однако равное количество Cr(VI) вводят с исходным раствором с тем же результатом. Реэкстракцию Zr (без Tc) с его существенным концентрированном проводят с помощью слабокислого раствора; необходимое количество перекиси водорода для восстановления Cr(VI) вводят в ступень ввода экстракта.

Пример 4. Процесс проводят как в примере 3, но в качестве восстановителя используют этиловый спирт, который вводят в эквимолярном количестве со слабокислым реэкстрагирующим раствором, обеспечивая идентичный результат.

1. Способ переработки отработанного ядерного топлива атомных электростанций, включающий экстракцию урана, плутония, нептуния, технеция и циркония раствором разбавленного трибутилфосфата и реэкстракцию циркония в раствор азотной кислотой с отмывкой экстрагентом от актинидов, отличающийся тем, что в экстракционную систему вводят хром (VI) при мольном отношении хром (VI): цирконий (IV)>1, а последующую реэкстракцию с концентрированием циркония проводят совместно с технецием или селективно, с введением несолеобразующего восстановителя, не вызывающего реэкстракцию плутония.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хром (VI) вводят с исходным раствором или с сильнокислым промывным раствором, присоединяемым к исходному раствору, или отдельным потоком в зону экстракции.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве восстановителей используют азотсодержащие соединения, в частности гидроксиламин или гидразин в сильнокислой среде, или перекись водорода или ее производные, или низшие первичные спирты, причем восстановители вводят в отношении к хрому (VI) в количестве, близком к стехиометрическому.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что совместную реэкстракцию циркония и технеция проводят с получением реэкстракта, содержащего 3,5-5,5 моль/л азотной кислоты при отношении органической и водной фаз в сильнокислой зоне не более 2,5, а в слабокислой зоне не более 5.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к методам фракционирования долгоживущих радионуклидов при комплексной переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) и направлено на селективное выделение нептуния из совместного экстракта урана, нептуния, плутония и технеция.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. .

Изобретение относится к прессам для компактирования и может быть использовано для упаковки твердых отходов, в частности радиоактивных, в бочки перед их утилизацией или захоронением.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, пригодным для работы в неокисляющейся среде. .

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к атомной энергетике, и предназначено для использования при переработке (обезвреживании) смешанных радиоактивных отходов.
Изобретение относится к способу иммобилизации ядерных отходов матрицей на базе минеральной композиции, полученной приготовлением основы, содержащей определенное количество минерального материала, синтезированного по меньшей мере частью живой структуры, выбранной из растительного, животного царства и/или из числа микроорганизмов.

Изобретение относится к химической технологии, конкретно - к технологии переработки отработавшего ядерного топлива. .

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей, и может найти применение для дезактивации поверхностей отходов свинца, углеродистых и нержавеющих сталей, образующихся при ремонте и демонтаже оборудования радиохимических лабораторий и производств.

Изобретение относится к радиохимии, а именно к перемешиванию обогащенных по урану и плутонию растворов в кольцевых аппаратах ядерно-безопасной геометрии, в частности при переработке отработавшего ядерного топлива.

Изобретение относится к технологии переработки отработанного ядерного топлива атомных электростанций (ОЯТ АЭС)
Изобретение относится к способу остекловывания продуктов деления, получаемых при переработке облученного топлива

Изобретение относится к способу переработки жидких радиоактивных отходов низкого уровня активности и может быть использовано для дезактивации воды различных водных систем
Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для дезактивации радиоактивно загрязненного оборудования и конструкционных элементов на атомных электрических станциях (АЭС), промышленных и медицинских предприятиях, в научных и учебных учреждениях, деятельность которых связана с радиоактивными материалами
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, реабилитации территорий, загрязненных техногенными радиоактивными изотопами

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для струйного размыва осадка, скопившегося в емкостях-хранилищах радиоактивных отходов высокого уровня активности
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к способам переработки (обезвоживания) отработавших на АЭС радиоактивных ионообменных смол (ИОС)
Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при очистке и дезактивации оборудования, эксплуатируемого в среде жидкометаллического свинцово-висмутового теплоносителя

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности реабилитации радиоактивно загрязненных территорий
Наверх