СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УРАНСОДЕРЖАЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF URANIUM-CONTAINING COMPOSITION PROCESSING

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам переработки урансодержащих твэлов, состоящих из диоксида урана и полиэтилена, с целью получения оксида урана и последующего его использования в производстве ядерного топлива.
Известен способ гидрометаллургической переработки уран-циркониевых, уран-алюминиевых, уран-молибденовых и других композиций, заключающийся в растворении композиций в кислотах и щелочах, проведении процессов экстракции и реэкстракции с использованием органических экстрагентов и последующем рафинированием урана от примесей с помощью оксалатной или пероксидной переочистки, осаждении урана и получении закиси-окиси урана в качестве готовой товарной продукции ("Переработка топлива энергетических реакторов", сб. статей, М., Атомиздат, 1972).
Недостатком известного способа переработки урансодержащих композиций применительно к композиции диоксид урана-полиэтилен является низкая степень извлечения урана из композиции, составляющая до 80%.
Причинами этого недостатка являются неполные извлечение и растворение оксида урана кислотами и щелочами из-за блокировки частиц оксида урана инертной к кислотам и щелочам полиэтиленовой матрицей.
-4
Известен способ переработки урансодержащей композиции (уран-бериллий), заключающийся в термической обработке композиции, сопровождающейся выделением урансодержащей составляющей композиции (урана) путем расплавления и отгонки бериллия при давлении не выше 1·10 Торр и температуре 1500-1550°С, кристаллизации нелетучего остатка (урана), термической обработке выделенной урансодержащей составляющей композиции (урана) в атмосфере воздуха при температуре не ниже 500°С в течение не менее 1 часа, растворении твердого остатка азотной кислотой с получением уранилнитрата, пероксидной очистки и повторной термической обработке при 750-800°С с получением закиси-окиси урана (Патент RU №2106029, кл. G01C 19/44, 1996).
При реализации известного способа для переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, путем термической обработки композиции в динамическом вакууме при температуре 1500°С, с последующим растворением твердого остатка азотной кислотой, получением уранилнитрата, пероксидной очисткой и повторной термической обработкой при 750-800°С, получена закись-окись урана при степени извлечения 76-82%.
Низкая степень извлечения закиси-окиси урана связана с образованием в процессе термической обработки композиции аэрозолей, содержащих ультрадисперсные частицы двуокиси урана, и необходимостью гидрометаллургического передела твердого остатка оксида урана, загрязненного сажевым остатком полиэтилена. Как образование аэрозолей, так и гидрометаллургический передел сопряжены с потерями урана, что снижает выход годного продукта при переработке урансодержащей композиции диоксид урана-полиэтилен.
Наиболее близким к предлагаемому способу переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, по технической сущности и достигаемому эффекту - прототипом - является способ переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, заключающийся в первичной термической обработке композиции, сопровождающейся выделением урансодержащей составляющей в потоке водорода в течение 0,5-2 часов при температуре 500-700°С со скоростью нагрева 2-10°С/мин, повторной термической обработке выделенной урансодержащей составляющей композиции на воздухе при температуре 500-800°С в течении 2-5 часов в присутствии окислителя в количестве, составляющем 1-5 мас.% от массы урансодержащей составляющей композиции (Патент RU №2343119, МПК C01G 43/01, 06.09.2007).
Недостатками известного способа переработки композиции диоксид урана-полиэтилен является пожаро- и взрывоопасность, связанная с применением водорода, образующего в смеси с воздухом горючую и взрывоопасную смесь, снижение ядерной безопасности процесса, обусловленное напуском в систему дополнительного количества водорода, являющегося замедлителем нейтронов, а также неудовлетворительная степень извлечения закиси-окиси урана, составляющую 96,5-97,5%. Недостаточная степень извлечения закиси-окиси урана связана, вероятно, с тем, что в процессе повторной термической обработки композиции, состоящей из оксида урана и углерода (сажи), в присутствии окислителя наблюдается неполное удаление углерода в виде газообразного оксида углерода, загрязняющего конечный продукт с образованием карбидов урана, что снижает степень извлечения закиси-окиси урана.
Целью данного изобретения является снижение пожароврывоопасности и ядерной опасности процесса и повышение степени извлечения из композиции закиси-окиси урана.
Поставленная цель достигается способом переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, включающим первичную термическую обработку, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции, и повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции на воздухе, согласно изобретению первичную термическую обработку композиции, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции, проводят в реакционной емкости с установленным над ней вытяжным зонтом с зазором, площадь сечения которого (между реакционной емкостью и вытяжным зонтом) составляет 10-20% от площади поперечного сечения реакционной емкости, термическую обработку осуществляют на воздухе при температуре до 500°С, причем нагрев от температуры 250 до 500°С проводят со скоростью 0,5-1°С/мин при разрежении в вытяжном зонте 0,9-0,8 ата, а повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции осуществляют при температуре 850-950°С в течение 5-10 часов.
Сущность заявляемого способа переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, заключается в следующем.
Проведение процесса первичной термической обработки в реакционной емкости с установленным над ней вытяжным зонтом на воздухе позволяет интенсивно, беспрепятственно и в полной мере удалять продукты термоокислительной деструкции полиэтилена из зоны реакции.
Проведение процесса повторной термической обработки выделенной урансодержащей составляющей композиции обеспечивает полное выгорание остаточного углерода и окончательную конверсию диоксида урана в товарную продукцию - закись-окись урана.
Параметры процесса переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, установлены экспериментально и имеют следующее обоснование.
Осуществление первичной термической обработки композиции при температуре до 500°С со скоростью нагрева от 250 до 500°С 0,5-1°С/мин определяет полноту и устойчивость реакции термоокислительной деструкции полиэтилена на воздухе.
При температуре термической обработки более 500°С наблюдается бурный процесс деструкции с выносом наряду с газообразными продуктами и аэрозолей урансодержащего материала, что снижает выход годного продукта.
При скорости нагрева более 1°С/мин происходит ускоренная деструкция полиэтилена, сопровождающаяся уносом урансодержащего продукта. При скорости нагрева менее 0,5°С/мин процесс деструкции полиэтилена неоправданно замедляется, что снижает производительность способа.
Размещение вытяжного зонта над реакционной емкостью с зазором, площадь сечения которого составляет менее 10% от площади поперечного сечения реакционной емкости, снижает производительность процесса за счет уменьшения доступа воздуха в зону термоокислительной деструкции полиэтилена.
При площади зазора между реакционной емкостью и вытяжным зонтом больше 20% от площади сечения реакционной емкости количество поступающего воздуха в зону реакции избыточно, что приводит к выбросам газообразных продуктов деструкции совместно с аэрозолями, содержащими урансоставляющую композиции.
Разрежение в вытяжном зонте определяет интенсивность протекания термокислительной деструкции полиэтилена. При разрежении хуже 0,9 ата процесс деструкции замедляется из-за недостаточного количества поступающего воздуха в зону реакции, замедлении эвакуации газообразных продуктов деструкции и в целом замедляет процесс переработки композиции. При разряжении более 0,8 ата процессы деструкции ускоряются настолько, что происходит неконтролируемый унос пылевидных частиц (аэрозолей) урансодержащей композиции.
Повторная термическая обработка выделенной урансодержащей составляющей композиции проводится при температуре 850-950°С в течение 5-10 часов. При температуре менее 850°С и времени менее 5 часов наблюдается неполное выгорание остаточного углерода и сохраняются следы оксида урана в товарной продукции - закиси-окиси урана. Осуществление повторной термообработки при температуре более 950°С в течение более 10 часов не приводит к улучшению качества конечной продукции, но удлиняет процесс и энергетически неоправданно.
Предложенный способ переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, иллюстрируется следующим примером.
Пример
Твэлы подкритического размножителя ПР СО-1 из урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана (16% масс.) и полиэтилена, фрагментируют путем токарной обработки с получением стружки сечением 2÷5×5÷10 мм.
Фрагментированную композицию загружали в реакционную емкость из нержавеющей стали диаметром 250 мм, над реакционной емкостью устанавливали вытяжной зонт с зазором 6,25-12,5 мм, что составляло 10-20% от площади поперечного сечения реакционной емкости. Вытяжной зонт подсоединяли к вытяжной вентиляции и создавали разрежение в вытяжном зонте 0,9-0,8 ата. Реакционную емкость нагревали с помощью электроплиты до температуры 250°С в течение 1 часа (4,2°С/мин), а затем до температуры 500°С со скоростью 0,5-1°С/мин. При достижении температуры 500°С завершается процесс термоокислительной деструкции полиэтилена с выделением урансодержащей составляющей композиции и эвакуацией газообразных продуктов деструкции в вытяжную вентиляцию. Повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции осуществляли в муфельной электропечи при температуре 850-950°С в течение 5-10 часов. Полученный продукт переработки представлял собой товарную закись-окись урана.
В таблице приведены примеры осуществления предложенного способа переработки композиции, содержащей диоксид урана и полиэтилен, на граничные и промежуточные значения параметров, а также на параметры процесса, выходящие за заявленные пределы, в сопоставлении с известным способом.
Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный способ переработки урансодержащей композиции (пример 1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом (пример 6) снижение пожаровзрывоопасности и ядерной опасности процесса и повышение степени извлечения из композиции закиси-окиси урана. Осуществление предлагаемого способа за пределами заявленных параметров приводит к увеличению длительности процесса переработки и присутствию в закиси-окиси урана примесей диоксида урана и неполностью выгоревшего углерода (пример 4) или к увеличению энергоемкости процесса и потерям урансодержащего продукта в виде ультрадисперсного порошка диоксида урана в вентиляционной системе (пример 5).