Способ разделения изотопов урана

Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологии производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов. Способ разделения изотопов урана включает контактирование гексафторида урана и фторида натрия до получения фтороураната натрия или фтороуранатов натрия с последующим термическим разложением солей при давлении не выше величины равновесного давления паров гексафторида урана над соответствующими солями или их смесями при температуре разложения. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости и упрощение аппаратурного парка для осуществления способа, увеличение коэффициента разделения изотопов урана и увеличение производительности процесса. 7 з.п. ф-лы, 5 пр.

 

Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологиям производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов.

В настоящее время в процессе вовлечения в ядерный топливный цикл урана, регенерированного из облученного урана, имеются неоднократные случаи превышения содержания гамма-активного изотопа 232U в обогащаемом по изотопу 235U гексафториде урана, что неприемлемо в соответствии с отечественными и зарубежными стандартами. Очистку гексафторида урана от изотопа 232U в силу его незначительного содержания невыгодно осуществлять традиционными способами, такими как диффузионный (эффузионный) и центрифужный, вследствие их значительной энерго- и материалоемкости. Кроме того, легчайший изотоп урана будет концентрироваться в обогащаемой по изотопу 235U фракции, являющейся целевым продуктом обогащения, что предопределяет дополнительные операции по их разделению. Существует также громадное количество так называемого «отвального» или обедненного гексафторида урана, находящегося на длительном хранении и содержащего в своем составе до 0,1-0,3 мас. % изотопа 235U, переработка которого с целью более глубокого извлечения этого изотопа традиционными методами часто экономически нецелесообразна.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ разделения изотопов урана путем пропускания газообразного гексафторида урана через пористую перегородку, в котором реализуется явление газовой эффузии или диффузии Кнудсена. Коэффициент обогащения практически составляет величину, равную 1,0036 (теоретический 1,0042) [Бенедикт М., Пигфорд Т. «Химическая технология ядерных материалов». Пер. с англ. - М.: Изд-во ГУ по использованию атомной энергии, 1960 г., с. 487]. Недостатками способа являются громадные энерго- и материалозатраты и сложное аппаратурное оформление процесса разделения. Кроме того, коэффициент разделения изотопов урана достаточно низок, что предопределяет многократное повторение единичной стадии разделения с соответствующим аппаратурным оформлением, т.е. создание каскада однотипных разделительных устройств, состоящего из сотен и тысяч разделительных ячеек.

Техническим результатом изобретения является снижение материалоемкости и существенное упрощение аппаратурного парка для осуществления способа при увеличении коэффициента разделения изотопов урана, а также существенное увеличение производительности процесса.

Технический результат достигается тем, что гексафторид урана контактируют с фторидом натрия до получения октафтороураната или гептафтороураната натрия (Na2UF8 и NaUF7 соответственно) или их смеси в любом соотношении с последующим термическим разложением солей при давлении не выше величины равновесного давления паров гексафторида урана над соответствующими солями или их смесями при определенной температуре. Октафтороуранат натрия разлагают при температуре 200-400°С, гептафтороуранат натрия разлагают при температуре 80-200°С, смесь октафтороураната натрия и гептафтороураната натрия разлагают при температуре 50-400°С. Кроме того, давление паров гексафторида урана при терморазложении смеси солей не превышает равновесного давления над более термически устойчивой солью.

Необходимо отметить, что температуру разложения твердых комплексных солей следует рассматривать идентичной температуре кипения, при которой давление пара над солями достигает 760 мм рт.ст. Согласно работе [Katz S. Inorg. Chem., 1966, v. 5, No 4, pp. 666-668] такое давление над октафтороуранатом натрия достигается при 656 K, полученное экстраполированием экспериментальных данных до температуры 598 K, что, в свою очередь, накладывает погрешность на точное значение температуры разложения, равной 656 K. Согласно работе [Katz S. Inorg. Chem., 1964, v. 3, No 11, pp. 1598-1600] температура разложения гептафтороураната натрия равна 478 K, которая также получена экстраполяцией. В работе [Громов О.Б. В кн. «ВНИИХТ- 65 лет» - М.: ООО «Винпресс», 2016, сс. 274-277] рекомендуется считать температуру разложения гептафтороураната натрия, равную 457 K. Кроме того, заметное разложение солей для реализации технологического процесса, т.е. давление пара над солью должно быть не менее 20-30 мм рт.ст., температура составляет 80°С и 200°С для гепта- и октафтороураната натрия.

Пример 1. Гексафторид урана массой 23,3 г, содержащий 0,367 мас. % изотопа 235U, контактируют с 6,5 г фторида натрия до образования соединения с брутто-формулой UF6⋅2,3 NaF, масса которого составила 28,8 г.

Полученный фтороуранат натрия подвергли термическому разложению при температуре 200°С с постепенным повышением температуры до 350°С. Давление в реакторе поддерживали в пределах 20±10 мм рт.ст. Цикл образования фтороураната натрия и его разложения в указанных условиях повторили 9 раз. После завершения 10-го цикла было получено 16,5 г UF6, содержащего 0,409 мас. % изотопа 235U. Выход обогащенного гексафторида урана в целевую фракцию составил 70,8%. Рассчитанный коэффициент обогащения изотопом 235U за один цикл составил 1,0134.

Пример 2. Гексафторид урана по условиям примера 1, контактировали с NaF до образования NaUF7. Полученную соль разложили при температуре (100±10)°С. Давление гексафторида урана в реакторе при разложении соли равнялось (100±20) мм рт.ст., величина которого соответствовала равновесному давлению гексафторида урана над гептафтороуранатом натрия в интервале указанных температур. Десорбат содержал 0,374 мас. % изотопа 235U. Коэффициент обогащения составил 1,0191.

Пример 3. По условиям примера 2, за исключением того, что при термическом разложении соли производили постоянную откачку реактора до давления не выше 0,1 мм рт.ст. В этих условиях был достигнут коэффициент разделения изотопов 238U и 235U в элементарном цикле, равный 1,0163.

Пример 4.

5 г активированного NaF контактировали с UF6, содержащего 0,365 мас. % изотопа 235U, до образования соединения с брутто-формулой UF6⋅2,06 NaF (фактически получена смесь фтороуранатов натрия). Полученную соль разлагали при температуре 275-300°С и давлении UF6 над солью, равном 50-90 мм рт.ст. В процессе разложения соли отбирали фракции десорбата, которые конденсировали с помощью жидкого азота в предварительно взвешенные пробоотборники. Масса фракций UF6 оказалась равной 1,90 г, 6,19 г и 11,13 г. Содержание изотопа 235U в каждой фракции составило соответственно 0,382, 0,374 и 0,372 мас. %. Соответствующие коэффициенты обогащения по изотопу 235U оказались равны 1,0466, 1,0247 и 1,0055. Расчет средневзвешенного коэффициента обогащения по всей массе десорбата дает величину, равную 1,016, т.е. величину коэффициента разделения, близкую к величинам коэффициентов разделения по условиям примеров 1-3.

Пример 5. Гексафторид урана, содержащий (мас. %): 238U - 97,02, 235U - 2,98, 232U - 1⋅10-7, контактировали с активированным фторидом натрия до образования NaUF7. Полученную соль разлагали при (150±25)°С и произвели отбор 46 мас. % десорбата. Состав UF6 в этой фракции равен (мас. %): 238U - 96,71, 235U - 3,29, 232U - 1,19⋅10-7, а соответствующие коэффициенты обогащения составили: 0,997; 1,104 и 1,190.

Для осуществления способа не требуется разработка сложного технологического оборудования и аппаратов, т.к. фактически для реализации способа можно применять стандартные сорбционные колонны с нагревателями.

1. Способ разделения изотопов урана, отличающийся тем, что гексафторид урана контактирует с фторидом натрия до получения фтороураната натрия или фтороуранатов натрия с последующим термическим разложением солей при давлении не выше величины равновесного давления паров гексафторида урана над соответствующими солями или их смесями при определенной температуре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гексафторид урана контактирует с фторидом натрия до образования октафтороураната натрия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гексафторид урана контактирует с фторидом натрия до образования гептафтороураната натрия.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гексафторид урана контактирует с фторидом натрия до образования смеси октафтороураната натрия и гептафтороураната натрия в любом соотношении.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что октафтороуранат натрия разлагают при температуре 200-400°C.

6. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что гептафтороуранат натрия разлагают при температуре 80-200°C.

7. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что смесь октафтороураната натрия и гептафтороураната натрия разлагают при температуре 80-400°C.

8. Способ по п. 1 или 7, отличающийся тем, что давление паров гексафторида урана при терморазложении смеси солей не превышает равновесного давления над более термически устойчивой солью.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производствам атомной промышленности, в частности к процессу выделения гексафторида урана из газов после фторирования урансодержащих соединений на сублиматных заводах.

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.

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.

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха от трития и его концентрации в форме сверхтяжелой воды. Способ очистки воздуха от газообразного трития заключается в окислении трития воздуха в водородно-кислородном пламени. Устройство для очистки воздуха и концентрации трития в воде содержит герметично закрытую камеру для окисления трития при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из водородно-кислородного генератора, насос для вывода полученной смеси воздуха и водяных паров, холодильник для ее охлаждения, водяной фильтр для удержания конденсированной воды, оборудование для хранения трития.

Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода.

Изобретение относится к способу получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и устройству для его осуществления. Способ включает охлаждение питьевой воды путем добавления гранул твердого диоксида углерода в соотношении воды к диоксиду углерода 1 : 10, перемешивание в течение 15-20 минут при скорости вращения мешалки 45-50 об/мин, обработку воды электромагнитным полем низких частот в интервале 18-48 Гц в процессе перемешивания, фильтрование через металлокерамический обеспложивающий фильтр с получением жидкой и твердой фаз, сбор жидкой фазы, обедненной дейтерием, нагревание и утилизацию твердой фазы.

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.
Изобретение относится к области получения радиоактивных изотопов, а более конкретно к технологии получения радиоактивного изотопа никель-63, используемого в производстве бета-вольтаических источников тока.

Изобретение относится к реакторной технологии получения радионуклидов и может быть использовано для производства радионуклида 63Ni, являющегося основой для создания миниатюрных автономных источников электрической энергии с длительным сроком службы, работающих на бета-вольтаическом эффекте.

Изобретение относится к установке для разделения изотопов методом фракционной перегонки. Установка содержит многоканальную ректификационную колонну 1, выполненную в виде каскада последовательно расположенных в вертикальном направлении модулей 11 с параллельно расположенными трубками 2, образующими рабочие каналы с насадкой 12, верхний буфер 3 и нижний буфер 4, конденсатор 7, испаритель 8 и дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6, соединенными с рабочими каналами.

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов водорода, и может быть использовано для выделения изотопа дейтерия D. Способ лазерного разделения изотопов водорода включает облучение исходного газа в качестве которого используется хлористый водород НСl резонансным инфракрасным излучением длиной волны 4,662 мкм, последующее воздействие лазерным излучением оптического или инфракрасного диапазона интенсивностью превышающей 1013 Вт/см2 и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния хлорида дейтерия DCl.

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов хлора, и может быть использовано для получения изотопически обогащенного хлора.

Изобретение относится к способу разделения изотопов и может быть использовано для получения требуемых концентраций изотопов и для обогащения различных стабильных и радиоактивных изотопов.

Изобретение относится к разделению изотопов элементов, в частности к способу получения изотопов неодима. Способ заключается в применении метода центрифугирования, в котором разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс изотопов, при этом в качестве рабочего газа выбирают неодимсодержащее газообразное соединение из класса соединений повышенной летучести, полученных обработкой бета-дикетонатов неодима полифторированными эфирами этиленгликоля, полифторированными эфирами диэтиленгликоля или полифторированными формалями, определяют технологические параметры рабочего газа: зависимость давления насыщенного пара выбранного вещества от соответствующей ему температуры и температуру его разложения, выбирают температуру эксплуатации разделительной установки, обеспечивающую давление насыщенного пара, выбранного вещества не ниже 4 мм рт.ст., но не выше 0,8 от температуры разложения, и осуществляют нагрев и поддержание выбранной температуры эксплуатации разделительной установки, включающей коммуникации, контрольные и регулирующие устройства и газовые центрифуги. Изобретение обеспечивает получение высокообогащенных изотопов неодима, изотопа 150Nd с концентрацией более 99,3%, изотопа 142Nd с концентрацией более 99,9%, изотопа 146Nd с концентрацией более 88,4%. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологии производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов. Способ разделения изотопов урана включает контактирование гексафторида урана и фторида натрия до получения фтороураната натрия или фтороуранатов натрия с последующим термическим разложением солей при давлении не выше величины равновесного давления паров гексафторида урана над соответствующими солями или их смесями при температуре разложения. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости и упрощение аппаратурного парка для осуществления способа, увеличение коэффициента разделения изотопов урана и увеличение производительности процесса. 7 з.п. ф-лы, 5 пр.

Наверх