Способ экстракционного извлечения урана и плутония

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к области переработки облученного ядерного топлива. Способ экстракционного извлечения урана и плутония из водного раствора включает две последовательные стадии противоточной обработки водного потока (потока питания) оборотным экстрагентом, как правило, 30% раствором трибутилфосфата в инертном разбавителе. Первая стадия выполняется в запредельном режиме. Вторая стадия проводится в допредельном режиме (режиме полного извлечения). Экстракт, получаемый на второй стадии экстракции, без вывода из экстракционного аппарата, присоединяют к оборотному экстрагенту, поступающему на первую стадию экстракции, с выполнением условия Cо·(V′о-V′′о)≥1,04·Cв·Vв, при этом V′о≥V′′о, где Со - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в органическом потоке (емкость экстрагента), V′о и V′′о - величины потоков оборотного экстрагента первой и второй стадий соответственно; Cв - концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в водном потоке и Vв - величина водного потока. Техническим результатом является повышение технологической устойчивости процесса и устранение ограничений по его аппаратурному оформлению. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

.

 

Изобретение относится к радиохимической переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ), конкретно - к экстракционному извлечению урана и плутония при переработке ОЯТ с использованием растворов трибутилфосфата (ТБФ) в инертном разбавители.

Практически во всех случаях извлечение урана, плутония и некоторых сопутствующих элементов (нептуний, технеций) реализуется в простом противоточном процессе с умеренным, 70-75% от стехиометрического, насыщением экстракта суммой экстрагируемых металлов. Такой режим принят практически везде и переходит без изменений из одной технологической схемы в другую (см., например, Копырин А.А., Карелин А.И., Карелин В.А., Технология производства и радиохимической переработки ядерного топлива. М., Атомэнергиздат, стр. 197-335, 2006 г. ) и определяется, в основном, требованием к полноте извлечения урана и плутония при умеренном числе ступеней экстракции.

Недостатки способа:

1. Относительно невысокая степень очистки целевых продуктов (U, Pu) от радиоактивных и стабильных примесей, обусловленная тем, что в «заурановой» зоне противоточного процесса примеси извлекаются полным потоком оборотного экстрагента, что препятствует их переходу в рафинат, вследствие чего в головном экстракторе создается зона накопления примесей и поступление примесей в относительно низконасыщенный экстракт.

2. Повышенный объем циркулирующего в цикле экстрагента, который после исчерпания технологического ресурса становится горючим жидким радиоактивным отходом.

Перечисленные недостатки устранены в способе экстракционного извлечения урана и плутония (Патент РФ №2513040, МПК G21C 19/46. Опубл. 20.04.2014 в Бюл. №11), согласно которому непрерывный экстракционный процесс осуществляется в две стадии. На первой стадии водный поток питания обрабатывают оборотным экстрагентом в запредельном режиме с выполнением условия , где Vo - величина органического потока, Co - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых элементов в этом потоке (емкость экстрагента), Vв - величина водного потока и Cв - концентрация извлекаемых элементов в этом потоке. Экстракт в этой стадии является насыщенным до уровня, близкого к предельному.

Водный поток после первой стадии (промежуточный рафинат) обрабатывают дополнительным потоком оборотного экстрагента в допредельном режиме (режим полного извлечения) с выполнением условия , где - величина дополнительного органического потока и - концентрация извлекаемых элементов в водном потоке после первой стадии процесса.

Далее органические экстракты, полученные на первой и второй стадиях, объединяют и объединенный поток направляют на последующие операции.

Проведение экстракционного извлечения урана и плутония по изложенному способу позволяет сочетать повышенное насыщение объединенного экстракта за счет близкого к предельному насыщению экстракта первой стадии и повышенную очистку за счет подачи на стадию доизвлечения уменьшенного потока оборотного экстрагента.

Проверка способа, в том числе при переработке реального ОЯТ ВВЭР, показала возможность получения уран-плутониевых экстрактов с повышением насыщения до 85% от стехиометрического (~110 г/л по сумме извлекаемых металлов) при повышении очистки от примесей в 3-5 раз.

По технической сущности этот способ является наиболее близким к заявляемому способу и выбран в качестве прототипа. Вместе с тем анализ расчетных и экспериментальных проверок способа, а также анализ возможности реализации способа при различном аппаратурном оформлении процесса выявил ряд существенных недостатков способа прототипа:

1. Близкое к предельному насыщение экстракта первой стадии достигается при достаточно высоком содержании экстрагируемых металлов в промежуточном рафинате (рафинате первой стадии), а поток оборотного экстрагента (следовательно, и экстракта) второй стадии должен быть минимальным, т.к. он является разбавляющим при объединении экстрактов. Выполнение этих требований приводит к потере технологической устойчивости процесса: и водная, и органическая фазы в ступенях блока, близких к выходу рафината, содержат значительные количества урана и плутония и даже небольшое нерегламентное повышение расхода водного потока питания приведет к сбросу извлекаемых продуктов в рафинат, что недопустимо.

2. Состав промежуточного рафината в способе-прототипе зависит от многих факторов (содержание урана и плутония в потоке питания, число ступеней первой стадии, поток экстрагента первой стадии) и может быть установлен только в предварительных тестовых испытаниях процесса, что не всегда возможно. В противном случае выбор основных параметров процесса, т.е. выбор величин потоков экстрагента первой и второй стадий может оказаться неоптимальным и даже привести к запредельному режиму общего процесса, экстракции, что недопустимо, т.к. приведет к сбросу извлекаемых продуктов в рафинат.

3. Структура органических потоков в способе-прототипе существенно ограничивает его аппаратурное оформление. Он не может быть реализован при использовании экстракционных колонн, которые преимущественно применяются на современных заводах по переработке ОЯТ (см. первую ссылку). Такие колонны работают с единственной отстойной зоной (как правило, нижней) и раздельный вывод экстрактов первой и второй стадии для них исключен.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение технологической устойчивости процесса и устранение ограничений по его аппаратурному оформлению.

Указанный технический результат достигается в способе экстракционного извлечения урана и плутония из водного раствора, полученного при растворении облученного ядерного топлива, включающем две последовательные стадии противоточной обработки водного потока (потока питания) оборотным экстрагентом, как правило 30% раствором трибутилфосфата в инертном разбавителе, первая из которых выполняется в запредельном режиме, а вторая - в допредельном режиме (режиме полного извлечения), причем экстракт, получаемый на второй стадии экстракции, без вывода из экстракционного аппарата, присоединяют к оборотному экстрагенту, поступающему на первую стадию экстракции, с выполнением условия , при этом , где Co - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в органическом потоке (емкость экстрагента), и - величины потоков оборотного экстрагента первой и второй стадий соответственно; Св - концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в водном потоке и Vв - величина водного потока.

На вторую стадию направляют поток оборотного экстрагента, удовлетворяющий условию .

Протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции соответствует условию , где Lобщ - протяженность всей зоны массообмена процесса экстракции и L1 - протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции.

Коэффициент 1,04 в соотношении ограничивает насыщение общего органического потока (~96% от стехиометрии), что исключает переход процесса в запредельный режим.

Ограничение величины потока оборотного экстрагента второй стадии соответствует задаче извлечения преобладающей части урана и плутония на первой стадии, а оптимизированное соотношение потоков первой и второй стадий отвечает согласованному выполнению требований к процессу: высокое насыщение экстракта, полнота извлечения и повышенная очистка.

Отношение протяженности зоны первой стадии к протяженности всей зоны массообмена также определяется требованием согласованной эффективности первой и второй стадий процесса.

При проведении процесса экстракции урана и плутония по предлагаемому способу устраняются перечисленные выше недостатки способа-прототипа:

1. При одновременной подаче на первую стадию экстракции оборотного экстрагента 1 стадии и экстракта 2 стадии извлечение урана и плутония на 1 стадии существенно возрастет за счет: а) дополнительного поступления свободного экстрагента с ненасыщенным экстрактом 2 стадии; и б) увеличения коэффициента экстракции, (α - коэффициент распределения, n - соотношение потоков органической и водной фаз), за счет увеличения органического потока. Оба фактора приводят к радикальному снижению содержания извлекаемых элементов в промежуточном рафинате 1 стадии, снижению накопления урана и плутония на ступенях 2 стадии и повышению технологической устойчивости процесса в целом.

2. Для организации процесса, т.е. определения величин и , необходимо знать только состав и расход водного потока питания, что всегда известно.

3. В предлагаемом способе ни один поток из головного экстрактора (блок дискретных аппаратов, экстракционная колонна) не выводится, что снимает ограничения с применяемого в способе аппаратурного оформления процесса экстракции.

В качестве примера было проведено сопоставительное математическое моделирование процесса экстракции урана и плутония по способу-прототипу и по предлагаемому способу. Условия проведения процесса (общее число ступеней в блоке, число ступеней на первой и второй стадиях процесса, состав потока питания, расходы потока питания и оборотного экстрагента первой и второй стадий, эффективность каждой из ступеней) были приняты одинаковыми для способа-прототипа и для предлагаемого способа. Различие состояло только в структуре органических потоков, что и отражено на фиг. 1 и фиг. 2, где схематично представлено движение потоков в способе-прототипе (фиг. 1) и в предлагаемом способе (фиг. 2).

Условия численного эксперимента следующие. Состав потока питания, г/л: азотная кислота - 189; уран - 300; плутоний - 3,082; нептуний - 0,23; цирконий - 1,04 и технеций - 0,36.

Расход потока питания (Vв) - 100 единиц/час,

Расход оборотного экстрагента (30% трибутилфосфат в инертном разбавителе) первой стадии - 180 единиц/час, второй стадии единиц/час, , условие выполняется.

Общее число ступеней в блоке - 10, из них в зоне первой стадии (I) - 3, в зоне второй стадии (II) - 7, эффективность каждой ступени - 95%.

Распределение урана и плутония в водной и органической фазах по ступеням блока представлено в табл.1. Нумерация ступеней - от ступени выхода рафината (1-я) до ступени входа потока питания (10-я).

При насыщении органического потока экстрагируемыми металлами его объем несколько увеличивается, расчетный поток экстракта составляет 261,3 ед. Следовательно, насыщение по сумме урана и плутония в пересчете на оборотный экстрагент и в способе-прототипе, и в предлагаемом способе составляет 121,3 г/л или 93,3% от стехиометрического.

В предлагаемом способе вся зона второй стадии экстракции (ступени 1-7) практически свободна от извлекаемых урана и плутония, в способе-прототипе эти ступени заполнены и концентрация урана и плутония уже в водной фазе 2 ступени приближается к недопустимой.

Был выполнен еще один численный эксперимент. В условия его выполнения внесено одно изменение: зона первой стадии увеличена до 4 ступеней, соответственно зона второй стадии составила 6 ступеней. Остальные условия без изменений. Распределение урана и плутония по ступеням представлено в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, заполнение зоны второй стадии экстракции при ее сокращении в способе-прототипе возросло и недопустимая концентрация (с точки зрения сброса в рафинат) урана обнаруживается уже в первой ступени.

В предлагаемом способе, как и в примере 1, ступени 1-7 практически свободны от урана и плутония.

В реальном техническом процессе это означает, что при неизбежных флуктуациях расхода потока питания при проведении процесса по способу-прототипу даже незначительное и кратковременное повышение расхода приведет к недопустимым потерям урана и плутония с рафинатом. При проведении процесса по предлагаемому способу в этом случае будет происходить только частичное заполнение зоны второй стадии экстракции ураном и плутонием и освобождение зоны при возвращении расхода к регламентному.

Таким образом, по всем важным параметрам процесса экстракции урана и плутония - технологическая устойчивость, оптимальное распределение оборотного экстрагента и зон массообмена по стадиям процесса и отсутствие ограничений по аппаратному оформлению процесса - предлагаемый способ демонстрирует превосходство над прототипом.

1. Способ экстракционного извлечения урана и плутония из водного раствора, полученного при растворении облученного ядерного топлива, включающий две последовательные стадии противоточной обработки водного потока (потока питания) оборотным экстрагентом, как правило, 30% раствором трибутилфосфата в инертном разбавителе, первая из которых выполняется в запредельном режиме, а вторая - в допредельном режиме (режиме полного извлечения), отличающийся тем, что экстракт, получаемый на второй стадии экстракции, без вывода из экстракционного аппарата, присоединяют к оборотному экстрагенту, поступающему на первую стадию экстракции, с выполнением условия Cо·(V′о-V′′о)≥1,04·Cв·Vв, при этом V′о≥V′′о, где Со - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в органическом потоке (емкость экстрагента), V′о и V′′о - величины потоков оборотного экстрагента первой и второй стадий соответственно; Cв - концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в водном потоке и Vв - величина водного потока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на вторую стадию направляют поток оборотного экстрагента, удовлетворяющий условию V′′o=(0,35÷1)·V′о.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции соответствует условию L1=(0,2÷04)·Lобщ, где Lобщ - протяженность всей зоны массообмена процесса экстракции и L1 - протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к переработке израсходованных ядерных топлив. Отделяют америций от других металлических элементов, присутствующих в кислотной водной фазе или в органической фазе, путем образования комплекса америция с водорастворимым производным этилендиамина.

Изобретение относится к способу очистки азотнокислых урановых продуктов от изотопов рутения. В заявленном способе осуществляется очистка технологических азотнокислых урановых продуктов переработки отработавшего ядерного топлива от рутения, содержащих уран до 300 г/л и азотную кислоту до 40 г/л, на твердофазном катализаторе в присутствии восстановителя гидразин-нитрата с концентрацией до 10 г/л.

Изобретение относится к способу переработки отработанного ядерного топлива. Заявленный способ включает очистку урана и плутония, присутствующих в азотнокислой водной фазе, совместную реэкстракцию в азотнокислую водную фазу урана и плутония, разделение урана и плутония, присутствующих в азотнокислой водной фазе, получаемой ранее, селективную экстракцию всего или части урана в степени окисления VI в органическую фазу, несмешивающуюся с водой, реэкстракцию в азотнокислую водную фазу урана и очистку плутония или смеси урана и плутония, присутствующих в водной фазе, получаемой экстракцией.
Изобретение относится к средствам для ингибирования образования осадка молибдата циркония в водном растворе, содержащем элемент молибден и элемент цирконий, и характеризуется тем, что предусмотрено применение химического элемента, выбираемого из плутония, теллура, сурьмы и их смесей, для ингибирования образования осадка молибдата циркония в водном растворе, содержащем элемент молибден и элемент цирконий.

Изобретение относится к способу переработки отработанного ядерного топлива. Заявленный способ включает очистку урана, плутония и нептуния, присутствующих в азотнокислой водной фазе, полученной при растворении упомянутого ядерного топлива в HNO3, от примесей актинидов (III) и большей части продуктов деления, также присутствующих в данной фазе, причем указанная очистка от примесей включает в себя, по меньшей мере, совместную экстракцию урана, плутония и нептуния в фазу растворителя; разделение урана, плутония и нептуния, присутствующих в фазе растворителя, на первую водную фазу, содержащую либо плутоний без U или Np, либо смесь Pu+U без Np, или смесь Pu+U+Np, и вторую водную фазу, содержащую либо смесь U+Np без Pu, либо уран без Pu и Np; хранение первой водной фазы; очистку плутония, либо смеси Pu+U, либо смеси Pu+U+Np, присутствующих в первой водной фазе, от продуктов деления, все еще присутствующих в данной фазе, при этом указанная очистка включает в себя, по меньшей мере, однократное добавление урана для получения в конце данной стадии водного раствора, содержащего смесь Pu+U или Pu+U+Np; и совместную конверсию полученной таким образом смеси Pu+U или Pu+U+Np в смешанный оксид.
Изобретение относится к области регенерации плутония из отработанного ядерного топлива водными методами. Предложен способ реэкстракции плутония из органического раствора трибутилфосфата, содержащего плутоний в четырехвалентном состоянии, в водный азотнокислый раствор осуществляют путем контактирования указанного органического раствора с водным раствором, содержащим азотную кислоту, карбогидразид в качестве восстановителя, переводящего плутоний в трехвалентное состояние, и аминокарбоновую кислоту.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к области переработки отработавшего ядерного горючего, и может быть использовано в технологической схеме переработки ОЯТ.

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 способам экстракционной очистки регенерированного урана и может быть использовано в технологических процессах при переработке облученного ядерного топлива, где необходима очистка урана от плутония, тория-228 и нептуния-237.

Изобретение относится к способу коллективного отделения всех актинидов (III), (IV), (V) и (VI), находящихся в сильнокислой водной фазе, от продуктов распада, и, в частности, лантанидов, также находящихся в этой фазе, путем применения двух экстрагентов, которые действуют в несвязанных химических областях.
Наверх