Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана



Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана

 


Владельцы патента RU 2579055:

Акционерное общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии" (RU)

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана. Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана включает обработку поверхностей газообразными фторирующими реагентами, содержащими ClF3 и F2 в массовом соотношении (1,7÷3,6):1, в условиях динамического течения процесса, путем циркуляции газов через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°C. Изобретение обеспечивает интенсификацию процесса фторирования, селективное извлечение из газа гексафторида урана и исключение образования коррозионно-активных и легкоконденсирующихся продуктов реакций. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана.

Одна из основных технических проблем технологического оборудования - газоделительные аппараты, емкостное оборудование, трубопроводы, контролирующие приборы и т.д., образование твердых отложений в оборудовании в результате различного воздействия на гексафторид урана - гидролиз от взаимодействия с парами воды от натечки атмосферного воздуха, радиолиз за счет воздействия радиоактивного излучения, восстановление органическими соединениями, выделяющимися из уплотняющих конструкционных и смазочных материалов. Твердые отложения уранилфторида и нелетучих фторидов урана (тетрафторид и промежуточные фториды) оказывают вредное воздействие на штатную эксплуатацию оборудования, в частности на газовые центрифуги, вызывая забивку трасс и дебаланс роторов. Образование твердых отложений приводит к потере гексафторид урана, в том числе обогащенного по изотопу уран-235.

Для очистки от отложений урана и сопутствующих примесей в различных типах оборудования в производстве как на отечественных, так и на зарубежных предприятиях применяли гидрометаллургические методы вскрытия соединений урана и извлечения его из полученных растворов [Б.В. Громов Введение в химическую технологию урана. - М.: Атомиздат, 1978]. Суть этих методов заключается в обработке поверхности горячим раствором карбоната аммония с последующей пропаркой острым паром. Иногда обработку отложений урана проводили с применением перекиси водорода или щавелевой кислоты. Основные недостатки способа: полная потеря урана в химической форме фторидов, в частности гексафторида урана, многостадийность, образование значительного объема жидких радиоактивных растворов, содержащих, кроме того, коррозионно-активный фтор-ион и т.п.

Наиболее выгодными способами очистки поверхностей от отложений нелетучих фторидов урана и, тем самым, обеспечение штатной работы оборудования является их фторирование высокоактивными фторагентами, позволяющее переводить в газовую фазу твердые соединения урана и продукты его деления, а также и рудные примеси, всегда присутствующие в гексафториде урана, и некоторые продукты коррозии оборудования, которые подвергаются тем же воздействиям, что и основное рабочее соединение.

Известен способ газификации твердых продуктов урана (Патент GB №1473075, МПК C23G 5/00, C01G 43/06. Приор. 06.02.1975), в котором продукты восстановления обрабатывают гептафторидом йода при температуре 20°С. Обработку проводят при давлении 26,7-30,7 Па. Основной недостаток способа - образование JF5, который легко конденсируется и экранирует отложения, прекращая подвод JF7 к урановым отложениям. Кроме того, восстановление гептафторида йода может протекать вплоть до элементного йода, который также будет затруднять фторирование отложений.

Известен способ фторирования твердых соединений урана с использованием дифторида кислорода (Авт. свид. СССР №628682, МПК C01G 43/06, 1978). Основной недостаток этого способа заключается в использовании неустойчивого в химическом отношении и взрывоопасного реагента, каковым является OF2.

Известен способ удаления урановых отложений из оборудования, работающего в среде гексафторида урана (Патент US 4311678, МПК C01G 43/06. Приор. от 19.01.1982). Способ заключается в обработке урансодержащих соединений смесью бромтрифторметана и дибромдифторметана в присутствии окислителя, в качестве которого используют все тот же JF7. При взаимодействии смеси газов образуется BrF3, реагирующий с урансодержащими отложениями с образованием UF6 и элементного брома. Гептафторид йода переводит образующийся Вr2 в BrF3, тем самым обеспечивая необходимое содержание BrF3 в системе. Этот способ-аналог характеризуется рядом существенных недостатков, затрудняющих его практическое применение: использование взаимосвязанных бинарных газов, сложность поддержания их соотношения в реакционной зоне, возможность конденсации BrF3 и восстановленного JF5 на рабочих поверхностях, невозможность контроля протекания процесса и др.

Известен также способ газификации нелетучих соединений урана смесью бромсодержащего газа и реагента, фторирующего бром (Патент RU 2219132 С2, МПК C01G 43/06. Приор. от 13.02.2002). В качестве фторирующего реагента опять использован JF7, который выполняет функции, подобные предыдущему аналогу. Способ характеризуется теми же недостатками, что и предшествующий ему аналог: использование взаимосвязанных бинарных газов, сложность поддержания их соотношения в реакционной зоне, возможность конденсации BrF3 и восстановленного JF5 на рабочих поверхностях, невозможность контроля протекания процесса и др. Кроме того, при дальнейшей переработке образовавшейся многокомпонентной газовой смеси выделение из нее ценного компонента - гексафторид урана, - весьма проблематично.

В патенте DE №3009933 (МПК C01G 43/06, 1981) описан способ газификации соединений урана путем обработки бромидами фосфора и/или бора с последующим фторированием полученных соединений галогенфторидами - ClF3 и/или JF7.

Недостатками способа: многостадийность, образование коррозионно-активных и легкоконденсирующихся соединений, например Вr2, многокомпонентная газовая смесь, разделение которой с целью выделения UF6 весьма сложная техническая задача.

В способе, который выбран в качестве прототипа [Николаев Н.С. и др. Химия галоидных соединений фтора. - М.: Изд-во «Наука», 1968, с. 68], контактирование нелетучих фторидных соединений урана осуществляют с трифторидом хлора в статическом режиме. Напуск ClF3 при температуре помещения до давления 40,5-60,8 кПа производят 2-4 раза с выдержкой до 8 часов за каждую замену реагента. Полученные смеси направляют в специальный рессивер для последующего извлечения гексафторида урана.

Недостатками способа-прототипа являются значительный расход ClF3 при малой степени его использования (не более 50%), длительный период обработки, вероятность образования коррозионно-активных соединений, например элементного хлора.

Мы предлагаем способ очистки металлических поверхностей от отложений урана из различных емкостей и аппаратов, работающих в среде гексафторида урана, в динамических условиях, то есть в условиях, обеспечивающих интенсивный подвод к отложениям урана обогащенной фторокислителем газовой смеси. Отложения урана контактируют с газовой смесью, состоящей из трифторида хлора и элементного фтора, пропуская ее последовательно через отложения урана и нагретый слой фторида натрия, на котором сорбируется образовавшийся гексафторид урана.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в интенсификации процесса фторирования вследствие динамического течения процесса, вывода из зоны реагирования продуктов реакции, влияющих на скорость протекания целевого процесса, селективного извлечения из газа гексафторида урана и исключение образования коррозионно-активных и легкоконденсирующихся продуктов реакций.

Технический результат достигается тем, что отложения урана фторируют газовой смесью из трифторида хлора и элементного фтора, взятых в массовом отношении (1,7-3,6):1, которую циркулируют последовательно через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°С.

При циркуляции газов обеспечивается интенсивное ивзаимодействие обогащенного фторагентами газа с поверхностью отложений, вывод из зоны реакции продуктов реакций, включая летучий гексафторид урана, и транспортировка их к сорбенту фториду натрия, на котором, во-первых, улавливается UF6 и, во-вторых, происходит фторирование продуктов разложения трифторида хлора до исходного ClF3.

Основные химические реакции, протекающие в данной системе:

Проведенными мной с сотр. исследованиями было доказано, что отложения урана в оборудовании разделительных производств представлены преимущественно в химической форме промежуточных фторидов, а также наличием уранилфторида. Массовое соотношение первых ко вторым равно приблизительно 9:1. Известно, что ClF3 несколько сильнее по химической активности, чем элементный фтор, особенно при повышенной температуре [Николаев Н.С. и др. Химия галоидных соединений фтора. - М.: Изд-во «Наука», 1968]. Кроме того, в публикации [Громов О.Б., Михаличенко А.А., Никонов В.И. и Михеев П.И. Методы извлечения пентафторида урана из отработанного фторида натрия // Химическая технология, 2011, т. 12, №5, сс. 300-307] показано, что элементный фтор преимущественно фторирует соединения урана в химической форме уранилфторида или тетрафторида, а промежуточные фториды урана, в частности пентафторид урана, фторирует только при весьма высоких температурах. Отличие же трифторида хлора в том, что он практически одинаково газифицирует фториды урана. Поэтому роль трифторида хлора в газовой смеси согласно заявленным условиям обоснована тем, что он предназначен для преобразования нелетучих соединений урана в летучий гексафторид урана. Кроме того, возможно фторирование отложений урана до гексафторида урана и другими компонентами газовой смеси (например, ClF, ClO2F), содержание которых в производимом трифториде хлора доходит до 30 об. %:

При взаимодействии газовой смеси, состоящей из ClF3 и F2, с отложениями урана в большей степени будет расходоваться ClF3 с образованием гексафторида урана и продуктов разложения трифторида хлора. Снижение массовой доли ClF3 менее 1,7 приведет к уменьшению степени фторирования отложений и непропорциональному увеличению продолжительности процесса. Увеличение массовой доли ClF3 в газе свыше 3,6 приведет к непропорциональному повышению расхода реагента без достижения заметных преимуществ.

Прохождение газовой смеси через фторид натрия при 185-225°С совмещает несколько процессов:

- селективное извлечение из циркуляционного газа UF6;

- увеличение концентрации трифторида хлора в газе;

- эффективное окисление продуктов разложения трифторида хлора до ClF3 на нагретой развитой поверхности сорбента, равной 3,5-10 м2/г.

Необходимо отметить, что развитая поверхность сорбента, так называемый активированный сорбент, достигается посредством проведения нескольких циклов сорбции-десорбции фтороводорода [Галкин Н.П., Зайцев В.А., Серегин М.Б. Улавливание и переработка фторсодержащих газов. - М.: Атомиздат, 1975].

После насыщения сорбента гексафторидом урана до максимально возможной рабочей емкости, равной 4 г UF6 / г NaF, гексафторид урана десорбируют при 350-420°С по реакции

Полученный чистый гексафторид урана можно использовать в качестве рабочего соединения в процессе разделения изотопов урана, тем самым существенно сокращая оборот основного продукта в разделительном процессе.

Температурный интервал работы сорбента обусловлен тем, что при температуре, меньшей чем 185°С, резко снижается степень фторирования продуктов разложения трифторида хлора и начинают сорбироваться прочие микропримеси, которые в дальнейшем могут загрязнить десорбируемый гексафторид урана, который, в свою очередь, будет не пригоден для непосредственного направления в разделительный каскад. Наиболее существенной примесью является HF, практически всегда присутствующий в подобных газах. Именно для того, чтобы гарантировано исключить сорбцию HF на фториде натрия температура сорбента должна быть не менее 185°С При увеличении температуры слоя сорбента выше 225°С существенно уменьшается степень сорбции UF6, а во фторирующей смеси, соответственно, уменьшается концентрация фторагентов из-за присутствия последнего.

Пример.

Отложения урана образовались в транспортных баллонах, в которых перевозили гексафторид урана и поверхность которых подвергалась воздействию продукта как в газовой, так и в жидкой и твердой фазах. Газовую смесь, содержащую ClF3 и F2, циркулировали последовательно через емкости, загрязненные урановыми отложениями, и сорбент фторида натрия при различных температурах в интервале температуре 160-230°C. Химический анализ отложений урана показал, что они состоят преимущественно из промежуточных фторидов и уранилфторида в качестве примеси. Газовые смеси ClF3 и F2 в определенном массовом соотношении реагентов сначала направляли в нагретую сорбционную колонну с NaF и затем после пропускания через отложения урана в емкостях газ циркулировали в течение определенного времени. Контроль завершения процесса осуществляли посредством определения содержания UF6 в пробах газа, одним из наличествующих способов, например ИК-спектроскопией.

В таблице представлены результаты исследований испытаний по условиям прототипа (5), заявляемых условий (1, 2) и параметрам, выходящих за границы заявляемых условий (3, 4).

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом являются:

- существенное снижение расхода ClF3 (около 0,1-0,15 кг/кг урана) за счет его циркуляции и восстановления;

- увеличение эффективности за счет интенсификации и снижения продолжительности процесса;

- резкое сокращение периода возврата урана в разделительный процесс.

Для использования способа на практике не потребуется разрабатывать специальное технологическое оборудование.

Способ очистки металлических поверхностей от отложений урана путем обработки газообразными фторирующими реагентами, отличающийся тем, что обработку ведут путем циркуляции газов, содержащих ClF3 и F2 в массовом соотношении (1,7÷3,6):1, в условиях динамического течения процесса через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 185-225°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу обработки твердых радиоактивных отходов, образованных при переработке ядерного топлива водо-водяных реакторов и реакторов РБМК. Способ заключается в хлорировании отходов молекулярным хлором при температуре 400-500°С и разделении полученных продуктов, при этом огарок и отфильтрованные пылевидные продукты направляют в пурекс-процесс, газовую смесь с целью очистки от ниобия и других легирующих элементов обрабатывают водородом при температуре 450-550°С и пропускают через керамический фильтр, нагретый до 500-550°С, очищенный тетрахлорид циркония кристаллизуют в конденсаторе при температуре не выше 150°С.

Изобретение относится к средствам детритирования. Заявленное устройство содержит печь (1) для плавления тритированных отходов, при этом указанная печь содержит топку для приема тритированных отходов и барботажное устройство для ввода гидрогенизированного барботирующего газа в топку во время плавления и обработки тритированных отходов в печи.
Изобретение относится к средствам для наружного употребления в качестве дезактивирующего моющего средства для очистки кожных покровов человека и наружной поверхности оборудования от загрязнений радиоактивными веществами.
Изобретение относится к средствам переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В заявленном способе разрушенные при рубке ТВЭЛов таблетки оксидного отработавшего ядерного топлива подвергают растворению при нагревании в водном растворе нитрата железа(III) при мольном отношении железа к урану в топливе, равном 1,5-2,0:1, образовавшийся осадок основной соли железа с нерастворенными продуктами деления ядерного топлива отделяют фильтрованием, а из полученного слабокислого раствора осаждают пероксид уранила путем последовательной подачи в раствор при перемешивании динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Изобретение относится к средствам кондиционирования радиоактивных отходов пористо-волокнистых теплоизоляционных материалов (ТИМ) путем включения в магнезиальный цемент.

Изобретение касается области радиационной экологии и биогеохимии и предназначено для концентрирования Th из морской воды и определения его содержания, которое может быть использовано для измерения скорости седиментационных процессов в морских водоемах.
Заявленное изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при утилизации, захоронении и рефабрикации облученных изделий из бериллия, таких как, например, отражатель нейтронов ядерных и термоядерных реакторов.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для струйного растворения и размыва осадка, скопившегося на дне емкостей-хранилищ радиоактивных отходов любого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенное состояние и выдачи раствора и суспензии из емкости.

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для более полного освобождения емкостей-хранилищ от радиоактивных осадков, и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях.

Заявленное изобретение относится к способам обработки радиоактивных отходов, а именно к очистке платины в виде лома технологического оборудования, и может быть использовано для очистки вторичной платины от радиоактивного заражения плутонием.

Изобретение относится к неорганической химии урана, в частности к технологии получения тетрафторида урана. Способ получения тетрафторида урана заключается в осаждении его из растворов, содержащих хлоридно-фторидный комплекс U+4, фтористоводородной кислотой, при температуре процесса 70-80°C, при этом используют фтористоводородную кислоту, содержащую четырехвалентный уран в количестве, не превышающем его растворимость.

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к способу получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза и к установке для его осуществления.
Изобретение относится к области экологии и направлено на предупреждение возможности загрязнения окружающей среды и отравления населения радиоактивными веществами.

Изобретение может быть использовано при получении чистых солей и окислов из гексафторида урана (ГФУ). Аппарат для гидролиза гексафторида урана содержит корпус, в верхней части которого установлены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора.
Изобретение относится к технологии получения соединений урана и, в частности к очистке тетрафторида урана от соединений углерода, фосфора, азота и других примесей.

Изобретение относится к способам переработки уран-фторсодержащих растворов, полученных от растворения огарков фторирования в производстве гексафторида урана. Способ включает растворение огарков в растворе азотной кислоты, извлечение урана из фторсодержащего азотнокислого раствора путем восстановления его гидразином на платиновом катализаторе, при постоянной очистке поверхности катализатора от осадка тетрафторида урана, отделение катализатора от азотнокислого раствора и осадка тетрафторида урана, обеспечение эквимолярного отношения фторид-ионов к урану (IV) в полученном растворе и разделение осадка тетрафторида урана и азотнокислотного раствора, при этом азотнокислотный раствор повторно используют для растворения огарков фторирования, предварительно доукрепив по азотной кислоте.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана. .

Изобретение относится к способам получения тетрафторида урана, а именно к способам получения тетрафторида урана на переделе гидрофторирования диоксида урана, и может быть использовано в производстве гексафторида урана или металлического урана.
Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов, а именно к способам очистки гексафторида урана от фторидов рутения, и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) в гексафторид низкообогащенного урана (НОУ).

Изобретение относится к ядерной технике и химической промышленности и может быть использовано для очистки и восстановления металлических поверхностей установок, предназначенных для разделения изотопов урана. Способ включает последовательную циркуляцию газовой смеси, содержащей ClF3 и F2 в массовом соотношении (1,5÷3,5):1, через отложения урана и слой фторида натрия, нагретого до 190-220°C. Изобретение позволяет увеличить эффективность процесса фторирования, снизить расход ClF3, увеличить степень возврата UF6 в разделительный каскад и сократить период возврата UF6 в разделительный процесс. 3 ил., 1 табл.
Наверх