Способ переработки гексафторида урана



 


Владельцы патента RU 2630801:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

Изобретение относится к способам переработки гексафторида урана гидрометаллургическим методом с получением диоксидифторида урана и оксидов урана и может быть использовано в атомной промышленности для конверсии обогащенного или обедненного (отвального) гексафторида. Способ включает гидролиз гексафторида урана, при этом гексафторид урана предварительно охлаждают до температуры ≤-40°C, а в воду добавляют фторид аммония и лед, количество которого выбирают из условия компенсации тепловыделения при гидролизе гексафторида урана, при этом гексафторид урана постепенно загружают в полученную смесь, а его количество выбирают обратно пропорционально росту температуры раствора продуктов, далее осуществляют обработку продуктов гидролиза аммиачной водой, фильтрацию и термообработку осадка. Изобретение позволяет с высокой эффективностью и производительностью перерабатывать значительное количество гексафторида урана. При этом способ не требует сложной агрегированной системы аппаратов и может быть применен для переработки как высокообогащенного, так и обедненного (отвального) по изотопу U235 гексафторида урана, в том числе после длительного периода его хранения. 6 з.п. ф-лы, 4 пр.

 

Изобретение относится к способам переработки гексафторида урана гидрометаллургическим методом с получением диоксидифторида урана (UO2F2) и оксидов урана и может быть использовано в атомной промышленности для конверсии обогащенного или обедненного (отвального) гексафторида.

Способы переработки гексафторида урана (UF6) делятся на две категории - «сухие» или пирометаллургические и «мокрые» или гидрометаллургические методы. Пирометаллургические способы заключаются в обработке гексафторида урана при температуре 600-1000°С водяным паром или другими газообразными реагентами - продуктами горения кислородно-водородного пламени. Процессы пирогидролиза гексафторида урана перегретым водяным хорошо изучены и широко применяются в промышленности (Б.В. Громов. «Введение в химическую технологию урана». М.: Атомиздат, 1978, стр. 286-287).

Известен способ получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, включающий подачу в предварительно разогретую первую реакционную зону реакционной камеры гексафторида урана и водяного пара, подачу во вторую реакционную зону реакционной камеры смеси водяного пара и водорода с созданием в этой зоне псевдоожиженного слоя для восстановления в ней полученного в первой реакционной зоне диоксидифторида до диоксида урана, выгрузку порошка из реакционной камеры и подачу его в печь, в которую вводят смесь водяного пара и водорода для обеспечения довосстановления непрореагировавшего диоксидифторида урана (патент RU 2381993, МПК C01G 43/025, опубл. 20.02.2010).

Общим недостатком этого и других «сухих» методов переработки гексафторида урана является необходимость использования для проведения процесса сложного и нестандартного аппаратурного оборудования из коррозионностойких в парах фтористого водорода металлов (никеля или сплавов на его основе). Кроме того, в некоторых случаях использование сложных комплексов реакторов и трубчатых вращающихся печей приводит к затруднениям в контроле параметров процессов, что обуславливает повышенные эксплуатационные затраты.

Гидрометаллургические методы переработки сводятся к гидролизу гексафторида урана в воде и последующей обработке продуктов гидролиза аммиаком, фильтрации и термообработке осадка (Н.П. Галкин, А.А. Майоров и др. «Химия и технология фтористых соединений урана». М., 1961, стр. 220-224).

Известен способ переработки гексафторида урана в диоксидифторид урана уранилфторид путем гидролиза водным раствором фтороводорода при перемешивании, с последующим отделением фтороводорода от диоксидифторида урана (патент RU 2311346, МПК C01G 43/06, опубл. 27.11.2007). Недостатком данного способа является использование агрессивного фтороводорода и сложность аппаратурного оформления процесса отделения фтороводорода от диоксидифторида урана.

Наиболее близким по технической сущности является способ переработки гексафторида урана, который заключается в том, что растворяют гексафторид урана в воде с получением раствора диоксидифторида урана, полученный раствор обрабатывают аммиачной водой с получением твердого полиураната аммония и раствора фторида аммония. Твердую фракцию отфильтровывают и прокаливают при температуре 450-600°С до октаоксида триурана и далее раствор после фильтрации упаривают до получения твердого фторида аммония (патент RU 2489357, МПК C01G 43/06, опубл. 10.08.2013). Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком данного способа является то, что он применим при небольших загрузках UF6 (до 10 г). При больших загрузках UF6 (более 10,0 г), вследствие высокого значения теплоты реакции гидролиза (118 ккал/моль) и большого тепловыделения, происходит сильный неконтролируемый разогрев образующегося раствора, что приводит к испарению (возгонке) UF6 и уменьшению выхода продукта, а также необходимости применения сложной агрегированной системы улавливания и конденсации испарившего UF6 (конденсаторы, скрубберы, сорбенты и т.п.).

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего с высокой эффективностью перерабатывать значительное количество гексафторида урана и не требующего при этом дополнительной сложной агрегированной системы аппаратов.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки гексафторида урана, включающем его гидролиз, обработку продуктов гидролиза аммиачной водой, фильтрацию и термообработку осадка, согласно изобретению гексафторид урана предварительно охлаждают до температуры ≤-40°С, перед гидролизом гексафторида в воду добавляют фторид аммония (NH4F) и лед, количество которого выбирают из условия компенсации тепловыделения при гидролизе гексафторида урана, а затем в полученную смесь постепенно загружают гексафторид урана, количество которого выбирают обратно пропорционально росту температуры раствора продуктов гидролиза.

Глубокое охлаждение гексафторида урана до температуры ≤(-40)°С позволяет без применения специальной агрегированной аппаратуры осуществлять работу с гексафторидом урана в открытом виде при атмосферном давлении, поскольку указанная температура является границей резкого снижения давления паров UF6 при атмосферном давлении.

Перед гидролизом гексафторида в воду добавляют фторид аммония и лед. Добавление фторида аммония приводит к образованию комплексов с гексафторидом и диоксидифторидом урана (NH4UF7, (NH4)3UO2F5), что способствует более полному превращению UF6 в готовый продукт. Кроме того, образование комплексов с гексафторидом приводит к снижению давления паров UF6 и тем самым уменьшает потери урана в процессе его гидролиза. Добавление льда перед гидролизом позволяет компенсировать тепловыделение при гидролизе гексафторида. При этом количество льда для выполнения условий компенсации тепловыделения определяется величиной суммарной загрузки гексафторида урана и воды. Исходя из тех же соображений, гексафторид урана загружают в полученную смесь постепенно, уменьшая загрузку обратно пропорционально росту температуры в процессе гидролиза UF6..

В частных случаях осуществления изобретения охлажденный UF6 постепенно порциями погружают в водный раствор фторида аммония и льда. Величину загружаемых порций гексафторида урана можно определить экспериментально или рассчитать по формуле:

,

где

ΔT=Tni-Tno - рост температуры раствора в процессе гидролиза гексафторида урана, °С;

Тno - начальная температура воды и льда, °С;

Тni - температура воды и льда после i-й загрузки, °С;

ΔM - масса порционной загрузки UF6, г.

При этом интервал между загрузками гексафторида урана можно рассчитать по формуле:

,

где

ΔТ=Тni-Тno - рост температуры раствора в процессе гидролиза гексафторида, °С;

Δt - интервал времени между порциями гексафторида, мин.

Оптимальное объемное соотношение льда и воды составляет 1:(4-5), поскольку увеличение объема льда может затруднить теплообмен и снизить поглощающую способность гидролизующей системы, особенно в начальный период.

Оптимальное весовое отношение фторида аммония к гексафториду урана составляет (1-3):10. Оно подобрано экспериментальным путем из условия обеспечения образования водорастворимых комплексов NH4UF7 и (NH4)3UO2F5.

Гексафторид загружают в смесь воды, льда и фторида аммония постепенно при весовом отношении общего количества гексафторид урана к воде и льду, равном 1:(5-7). Указанное соотношение ингредиентов является оптимальным и обеспечивает полную растворимость образующихся диоксидифторида урана и его комплекса с фторидом аммония без кристаллизации продуктов реакции.

Охлаждение гексафторида урана можно проводить жидким азотом или «сухим льдом».

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Пример 1

600 г гексафторида урана охлаждали жидким азотом до температуры -85°С. В воде (3000 мл) растворяли 180 г фторида аммония, далее добавляли 600 мл льда.

Охлажденный UF6 постепенно порциями по ≤100 г погружали в водный раствор фторида аммония и льда с получением раствора диоксидифторида урана, его комплекса с фторидом аммония и бифторида аммония (NH4HF2):

UF6+2Н2O=UO2F2+4HF;

UO2F2+3NH4F=(NH4)3UO2F5;

NH4F+HF=NH4HF2 .

В процессе гидролиза гексафторида урана за счет тепловыделения температура гидролизующей системы (вода, лед, фторид аммония, диоксидифторид урана) увеличивалась с 3°С до 23°С. Величину загружаемых порций рассчитывали по формуле .

Согласно формуле (1) порции UF6 уменьшали обратно пропорционально росту температуры раствора в процессе гидролиза:

При ΔТ=0°С ΔМ=100/{1+0,1(0)}=100 г.

При ΔТ=5°С ΔМ=100/{1+0,1(5)}=66,6 г.

При ΔТ=10°С ΔМ=100/{1+0,1(10)}=50 г.

При ΔТ=20°С ΔМ=100/(1+0,1(20)}=33,3 г.

Интервал между порциями гексафторида урана увеличивали прямо пропорционально росту температуры раствора и в соответствии с формулой (2).

Δt=1+0,2ΔТ интервал составлял:

При ΔТ=0°С Δt=1+0,2(0)=1 мин.

При ΔТ=5°С Δt=1+0,2(5)=2 мин.

При ΔТ=10°С Δt=1+0,2(10)=3 мин.

При ΔТ=20°С Δt=1+0,2(20)=5 мин.

Полученный раствор обрабатывали 1050 мл 25% аммиачной воды с получением твердого ураната аммония (NH4)2U2O7 и раствора фторида аммония NH4F:

2UO2F2+6NH4OH=(NH4)2U2O7+4NH4F+3H2O.

Уранат аммония (NH4)2U2O7 фильтрационно отделяли от раствора фторида аммония и прокаливали при температуре 600°С до октаоксида триурана:

3(NH4)2U2O7=2U3O8+6NH3+3H2O+O2.

В результате перечисленных операций получили порошок U3O8 массой 478,2 г. Химический выход урана составил 99,93%.

Пример 2

600 г гексафторида урана охлаждали «сухим льдом» (твердая двуокись углерода) до температуры -44°С. В воде (3000 мл) растворяли 60 г фторида аммония и далее добавляли 600 мл льда и затем в полученную смесь постепенно порциями загружали гексафторид урана. Интервал между порционными загрузками гексафторида урана, как и в примере №1, с ростом температуры, согласно формуле (2), увеличивали с 1 мин до 5 мин. Полученный раствор обработали 1050 мл 25% аммиачной воды, фильтрационно отделили твердый продукт (NH4)2U2O7 и прокалили его при 600°С. Получили U3O8 массой 470,2 г. Химический выход урана составил 98,03%.

Пример 3

600 г гексафторида урана охлаждали жидким азотом до температуры -77°С. В воде (3200 мл) растворяли 60 г фторида аммония и далее добавляли 800 мл льда и затем в полученную смесь постепенно порциями загружали гексафторид урана. Интервал между порционными загрузками гексафторида урана, как и в примерах 1 и 2, с ростом температуры, согласно формуле (2), увеличивали с 1 мин до 5 мин. Полученный раствор обработали 1050 мл 25% аммиачной воды, фильтрационно отделили твердый продукт (NH4)2U2O7 и прокалили его при 600°С. Получили U3O8 массой 471,3 г. Химический выход урана составил 98,23%.

Пример 4

650 г гексафторида урана охлаждали жидким азотом до температуры -73°С. В воде (2650 мл) растворяли 120 г фторида аммония и далее добавляли 600 мл льда и затем в полученную смесь постепенно порциями загружали гексафторид урана. Интервал между порционными загрузками гексафторида урана, как и в предыдущих примерах, увеличивали с 1 мин до 5 мин. Полученный раствор обработали 1000 мл 25% аммиачной воды, фильтрационно отделили твердый продукт (NH4)2U2O7 и прокалили его при 600°С. Получили U3O8 массой 469,2 г. Химический выход урана составил 97,98%.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что осуществление способа в соответствии с заявленным изобретением позволяет с высокой эффективностью и производительностью перерабатывать значительное количество гексафторида урана. При этом способ не требует сложной агрегированной системы аппаратов и может быть применен для переработки как обедненного (отвального), так и высокообогащенного по изотопу U235 гексафторида урана, в том числе после длительного периода его хранения.

1. Способ переработки гексафторида урана, включающий его гидролиз, обработку продуктов гидролиза аммиачной водой, фильтрацию и термообработку осадка, отличающийся тем, что гексафторид урана предварительно охлаждают до температуры ≤-40°C, перед гидролизом гексафторида урана в воду добавляют фторид аммония и лед, количество которого выбирают из условия компенсации тепловыделения при гидролизе гексафторида урана, а затем в полученную смесь постепенно загружают гексафторид урана, количество которого выбирают обратно пропорционально росту температуры раствора продуктов гидролиза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что постепенную загрузку гексафторида урана осуществляют порциями, величину которых рассчитывают по формуле:

ΔM=100/(1+0,1ΔТ), где

ΔT=Tni-Tno - рост температуры раствора в процессе гидролиза гексафторида, °C;

Tno - начальная температура воды и льда, °C;

Tni - температура воды и льда после i-ой загрузки, °C;

ΔM - масса порционной загрузки UF6, г.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гексафторид урана загружают постепенно с интервалом, величину которого рассчитывают по формуле:

Δt=1+0,2ΔT, где

ΔT=Tni-Tno - рост температуры раствора в процессе гидролиза гексафторида урана, °C;

Δt - интервал времени между загрузками гексафторида, мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объемное отношение льда и воды выбирают равным 1:(4-5).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весовое отношение фторида аммония к гексафториду урана выбирают равным (1-3):10.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весовое отношение общего количества гексафторида урана к смеси вода-лед выбирают равным 1:(5-7).

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение гексафторида урана проводят жидким азотом или «сухим льдом».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ, а именно к способу получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана.

Изобретение относится к способам очистки загрязненного вредными изотопами сырья для использования его в дальнейшем для получении восстановленного урана для ядерного топлива.

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана.

Изобретение относится к области разработки технологии конверсии обедненного гексафторида урана с получением тетрафторида урана и, далее, металлического урана для военных целей или оксидов урана для длительного хранения или использования в быстрых реакторах, а также безводного HF.

Изобретение относится к переработке гексафторида урана (ГФУ) и может быть использовано для извлечения гексафторида урана из баллонов различной вместимости. Способ испарения гексафторида урана из баллона, включающий нагрев баллона двухсекционным индуктором, подачу азота в баллон в импульсном режиме.

Изобретение относится к ядерной технике и химической промышленности и может быть использовано для очистки и восстановления металлических поверхностей установок, предназначенных для разделения изотопов урана.

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.

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.
Наверх