СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОКСАЛАТНЫХ МАТОЧНЫХ РАСТВОРОВ И ПУЛЬПООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
METHOD OF PROCESSING OXALATE MOTHER WATERS AND PULP WASTES CONTAINING TRANSURANIUM ELEMENTS

Изобретение относится к области переработки жидких и пульпообразных радиоактивных отходов (РАО), образующихся при регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в радиохимической промышленности.
На многих предприятиях по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) накоплены гидроксидные пульпообразные РАО, содержащие актиноидные элементы и ионы металлов переменной валентности. Ужесточение требований, предъявляемых к хранению РАО, вызывает необходимость переработки таких РАО. Для растворения гидроксидных пульпообразных РАО обычно используют растворы азотной кислоты, содержащие окислители или восстановители [Захарова Е.В., Ермолаев В.М., Бондин В.В. и др. Изучение возможности использования растворов различного состава для дезактивации производственных труднорастворимых осадков от радионуклидов, в первую очередь от плутония. Отчет ИФХ РАН и ГХК, 2003 г. Инв. №13-16/1250 от 23.09.03]. После растворения пульп для извлечения из них актиноидных элементов используют, как правило, экстракционный способ переработки.
В то же время на предприятиях по переработке ОЯТ одной из завершающих стадий переработки ОЯТ является оксалатное осаждение трансурановых элементов (ТУЭ). Использование этой операции в технологических схемах связано с определенными трудностями, обусловленными неизбежным получением относительно больших объемов оксалатных маточных растворов. Данные растворы не являются сбросными, так как содержат до 100 мг/л ТУЭ. Концентрация азотной кислоты в оксалатном маточном растворе составляет 160-200 г/л. Вернуть маточные растворы в экстракционный цикл не позволяет содержание в них до 10 г/л щавелевой кислоты, которая существенно влияет на экстракционное поведение урана, плутония и нептуния. Для того чтобы оксалатные маточные растворы, содержащие ТУЭ, переработать, необходимо предварительно разрушить в них оксалат-ионы.
Известен способ разрушения оксалат-ионов при упарке маточных растворов азотной кислотой с концентрацией 12 моль/л [Jenkins J.L., Keen N.I., Wain A.G. Extractive and physical metallurgy of plutonium and it's alloys. New York: Intersci. Publ. 1960. Р.25].
Недостатками данного способа являются: низкая скорость окисления щавелевой кислоты нитрат-ионами и значительные энергетические затраты.
Известен способ разрушения оксалат-ионов окислением их сильными окислителями [Плутоний. Справочник под редакцией Вика. - М.: Атомиздат, 1971, т. С.408-409].
Недостатками данного способа являются: большой расход окислителей и увеличение массы радиоактивно загрязненных солей, образующихся в результате использования способа, нуждающихся в последующей переработке и иммобилизации.
Известен способ утилизации маточных растворов окислением оксалат-ионов азотной кислотой в присутствии катализатора - ионов металлов с переменной валентностью, в качестве которого используют ионы марганца. Для этого маточный раствор вводят в контакт с силикагелем, содержащим ионы марганца. Процесс ведут при нагревании до полного упаривания водных растворов [Патент Российской Федерации №2111562, кл. G21F 9/04, G21F 9/16 от 20.05.1998]. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатками данного способа являются высокие энергетические затраты и увеличение массы РАО за счет использования дополнительного реагента - силикагель с солями марганца, нуждающимися в последующей переработке и иммобилизации.
Целью предлагаемого способа является снижение энергетических затрат и уменьшение массы образующихся РАО за счет использования совместной переработки маточников, содержащих трансурановые элементы, и твердой фазы гидроксидной пульпы - отхода радиохимического производства.
Поставленная цель достигается тем, что вместо применяемого в известном способе радиационно чистого силикагеля, содержащего марганец, используют отход радиохимического производства - гидроксидную радиоактивную пульпу, содержащую актиноидные элементы и ионы металлов переменной валентности, в присутствии которых происходит разрушение оксалат-ионов. Концентрация азотной кислоты в оксалатных маточных растворах, направляемых на контактирование с твердой фазой пульп, составляет 60-200 г/л.
Использование данной пульпы позволяет разрушать оксалат-ионы в растворе при комнатной температуре и не создает увеличения массы образующихся РАО за счет исключения применения дополнительных радиационно чистых реагентов.
Заявляемый способ проверен в лабораторных условиях. В эксперименте использовали производственный маточный раствор, образовавшийся при переработке облученного ядерного топлива (см. таблица 1, раствор 1). Кроме того, обработки проведены с растворами 2 и 3 (таблица 1), полученными разбавлением исходного маточного раствора дистиллированной водой в 2 и 3 раза, соответственно.
Таблица 1
Составы растворов, взятых для обработки
Номер обработки и раствора
HNO<sub>3</sub>, г/л
H<sub>2</sub>C<sub>2</sub>O<sub>4</sub>, г/л
Рu, мг/л
U, г/л
NH<sub>4</sub>NO<sub>3</sub>, г/л
Раствор 1
190
8
41
13,2
30
Раствор 2
95
4
20,5
6,6
15
Раствор 3
63
2,7
13,7
4,4
10
Обработку растворов по предлагаемому способу проводили твердой фазой гидроксидной радиоактивной пульпы, состав которой приведен в таблице 2.
Таблица 2
Состав гидроксидной пульпы
Компонент или показатель
Размерность
Величина компонента или показателя
Плутоний
мг/л
37,0
Уран
г/л
14,8
МЭД
мкР/л·с
11,1
Активность β-излучающих нуклидов
Кu/л
2,9
Алюминий
г/л
1,8
Марганец
г/л
3,1
Железо
г/л
11,4
Хром
г/л
3,2
Диоксид кремния
г/л
5,2
Никель
г/л
3,1
Нитрат натрия
г/л
334
Карбонат натрия
г/л
<2,0
Гидроксид натрия
г/л
7,3
Нерастворимая в воде твердая фаза
г/л
57,7
В эксперименте по предлагаемому способу использовали порции гидроксидной пульпы объемом по 4 мл. Объем растворов перед обработкой составлял по 50 мл. Температура растворов при обработке образцами твердой фазы составляла 20-22°С. Длительность контакта растворов с образцами твердой фазы при перемешивании составляла 4 ч. Остаток нерастворившейся твердой фазы пульпы подсоединяют к следующей порции пульпы, направляемой для контактирования с новой порцией оксалатного маточного раствора. Выполнение примеров осуществляли в мерных стеклянных цилиндрах.
Результаты, представленные в таблице 3, показывают, что в ходе обработки исходного маточника или его разбавленных растворов происходит разрушение оксалат-ионов. В полученных декантатах происходит снижение общей кислотности раствора за счет разрушения оксалат-ионов и азотной кислоты в ходе окислительно-восстановительных реакций и частичной нейтрализации кислоты гидроксидами металлов. По своему химическому составу полученные растворы пригодны для переработки экстракционными методами.