СПОСОБ ИЗОТОПНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО УРАНА
METHOD OF ISOTOPIC RECOVERY OF REGENERATED URANIUM

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, к технологии изотопного восстановления регенерированного урана и может быть использовано при производстве низкообогащенного урана (НОУ) для топлива атомных станций.
235
Ядерное топливо для АЭС производят путем обогащения гексафторида урана на разделительных каскадах обогатительных заводов. Современные обогатительные заводы используют для обогащения урана каскады газовых центрифуг. Под термином «каскад» подразумевается внешняя схема построения взаимосвязанных разделительных элементов (одна центрифуга или группа газовых центрифуг, в свою очередь, объединенных в каскадные схемы), в которую подается обрабатываемое сырье (питание) и из которой выводятся получаемые продукты (потоки отбора и отвала). В качестве питания на каскад может поступать гексафторид, содержащий природный уран с концентрацией U 0,711%, или обедненный уран - отвальный продукт разделительного процесса с концентрацией U (0,1÷0,4)%, или слегка обогащенный (а возможно, и обедненный) уран - регенерат облученного урана, прошедший переработку и очистку на радиохимическом заводе.
Под термином «концентрация» подразумевается массовая доля того или иного изотопа урана именно в смеси изотопов урана.
232
234
236
Сырьевой урановый регенерат загрязнен вредными четными изотопами U, U, U, это приводит к повышенному содержанию вредных изотопов в получаемом из такого сырья НОУ (см. таблицу 1 примера 1).
232
234
236
236
Изотопы U, U, U - источники повышенного радиоактивного излучения, изотоп U повышает паразитный захват нейтронов в ядерном реакторе.
235
Из регенерированного урана получают НОУ с заданными заказчиком концентрациями изотопа U и четных изотопов урана, которые соответствуют требованиям стандартов, технических условий и спецификаций на НОУ, т.е. осуществляют изотопное восстановление регенерированного урана.
235
235
232
234
235
Известен способ изотопного восстановления регенерированного урана (Патент RU №2282904, G21C 19/42, B01D 59/20, опубл. 27.08.2006). В известном способе, включающем разделение изотопной смеси сырьевого уранового регенерата в газоцентрифужном изотопно-разделительном каскаде и смешение выделенной изотопной смеси с ураном-разбавителем, содержание изотопа U в регенерированном уране повышают до (2,0÷5,0) мас.% при понижении абсолютной и (или) относительной концентрации четных изотопов урана. Разделение изотопной смеси ведут в двойном каскаде, обогащают сырьевой урановый регенерат по делящемуся изотопу U в первом ординарном каскаде до содержания более 90,0 мас.%, во втором ординарном каскаде производят очистку изотопной смеси от U и U, а в качестве изотопной смеси на смешение с ураном-разбавителем направляют поток отвала (тяжелую фракцию) второго каскада, обогащенный по изотопу U.
Недостатками способа являются использование высоких, более 90 мас.%, степеней обогащения, потери работы разделения на получение разбавителя при смешении.
235
232
234
236
235
235
235
Известен способ изотопного восстановления регенерированного урана по патенту RU №2242812, G21C 19/42, B01D 159/20, опубл. 20.12.2004 (прототип), заключающийся в повышении содержания изотопа U в регенерированном уране до (2,0÷7,0) мас.% при снижении абсолютной или относительной концентрации изотопов U, U и U, включающий прямое обогащение гексафторида сырьевого уранового регенерата в двойном газоцентрифужном изотопно-разделительном каскаде. В первом каскаде сырьевой урановый регенерат обогащают изотопом U до содержания его в потоке отбора 3,5÷10,0 мас.% или 21,0÷36,0 мас.%, и потоком отбора первого каскада питают второй каскад, в котором обогащение изотопом U ведут до 21,0÷90,0 мас.% при отборе восстановленного топливного материала с содержанием изотопа U не более 50,0 мас.% через поток отвала второго ординарного каскада.
235
Недостатком способа так же, как и предыдущего способа, является использование на одной из стадий высоких степеней обогащения (от 21 до 90%). В соответствии с международными ограничениями в технологии должно применяться обогащение по U не более 20%.
235
235
Задача изобретения - исключение опасных высоких концентраций делящегося изотопа U (не более 20% по изотопу U) на любых стадиях процесса, получение продукта (восстановленного по изотопному составу регенерированного урана) с требуемым заказчиком качеством по содержанию изотопов урана.
235
Задачу изобретения решают тем, что в способе изотопного восстановления регенерированного урана, включающем разделение изотопов урана в виде гексафторида изотопной смеси уранового регенерата на установке из двух последовательных газоцентрифужных каскадов, гексафторид восстановленного по изотопному составу урана нарабатывают в потоке отбора второго каскада, питаемого тяжелой фракцией первого каскада, полученной при обогащении легкой фракции первого каскада изотопом U до концентрации, не превышающей 20 мас.%.
232
234
232
234
235
236
Разделение изотопов в первом каскаде ведут с получением концентраций изотопов U и U в тяжелой фракции первого каскада, обеспечивающих требуемые концентрации U и U в отборе второго каскада, а разделение изотопов во втором каскаде ведут с получением концентрации изотопа U в потоке отбора второго каскада, обеспечивающей в нем концентрацию изотопа U.
235
235
Точку подачи уранового регенерата в первый каскад смещают в сторону потока отбора относительно ступени с концентрацией U, близкой концентрации U в регенерате.
235
236
Поток отбора второго каскада получают с концентрацией изотопа U, превышающей номинальную концентрацию в гексафториде восстановленного по изотопному составу урана на величину, обеспечивающую в нем заданную относительную концентрацию изотопа U.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показан двойной центрифужный каскад.
232
234
235
235
235
232
234
235
235
Двойной центрифужный каскад состоит из ординарного каскада 1 и ординарного каскада 2. На питание 3 каскада 1 подают поток гексафторида регенерированного урана (регенерата) и отбирают поток 4 легкой фракции (отбор, поток отбора), обогащенный изотопами U, U и U, причем обогащение по изотопу U в этом потоке не превышает 20%. Поток 5 тяжелой фракции (отвал, поток отвала), обедненный по изотопам U, U, U по сравнению с регенератом, подают на питание каскада 2. В потоке 6 легкой фракции (отбор, поток отбора) каскада 2 отбирают целевой продукт - гексафторид изотопно восстановленного урана, т.е. гексафторид откорректированной по изотопному составу изотопной смеси урана, с повышенной до (2,0÷7,0)% концентрацией изотопа U (НОУ) и пониженной относительной концентрацией хотя бы одного из четных изотопов по сравнению с регенератом (концентрациями, заданными заказчиком, приемлемыми для дальнейшей переработки гексафторида в ядерное топливо). Целевой продукт десублимируют, затаривают в контейнер 7 и направляют заказчику. Поток 8 каскада 2 тяжелой фракции (отвал, поток отвала) гексафторида урана с концентрацией U (0,08÷0,3)% десублимируют, затаривают в контейнер 9 и направляют на хранение.
232
234
235
Поток 4 легкой фракции (отбор каскада 1) гексафторида урана, обогащенный вредными изотопами U и U, затаривают в контейнер 10. Поток 4 является отходом процесса. В целях безопасности хранения его разбавляют обедненным гексафторидом разделительного производства. Для разбавления наиболее целесообразно использовать складские запасы отвалов (хвосты) обогащения природного или слабооблученного урана, содержащие не более 0,15% изотопа U, из которых экономически не выгодно дальнейшее извлечение делящегося изотопа (разбавление на чертеже не показано).
Изотопное восстановление заключается в повышении концентрации изотопа уран-235 до 2÷7% при понижении относительной концентрации вредных изотопов по сравнению с регенератом в восстановленном уране.
235
232
234
235
232
234
235
235
235
232
234
Разделение изотопов в первом каскаде, характеризующееся «уходом» более легких, чем изотоп U, изотопов U и U в отбор каскада и снижением их содержания в отвале каскада, выполняют при степенях обогащения по изотопу U в отборе не более 20%, т.е. при соблюдении международных ограничений на процесс обогащения урана. При этом в потоке отвала первого каскада нормируют (задают) концентрации изотопов U и U, обеспечивающие необходимые концентрации этих изотопов в отборе легкой фракции второго каскада. Кроме того, изменяя точку питания каскада 1 исходным сырьем (урановым регенератом), т.е смещая точку подачи питания от ступени с концентрацией по изотопу U, близкой концентрации U в регенерате, к ступени с большей концентрацией U, чем в регенерате (т.е. в сторону отбора легкой фракции), можно дополнительно корректировать (уменьшать) концентрации изотопов U и U в потоке отвала каскада 1.
235
Для снижения количества «грязного» продукта, уходящего в поток 4 отбора каскада 1, и увеличения массы целевого продукта, получаемого в потоке 6 отбора каскада 2 из потока 5 отвала каскада 1, концентрацию изотопа U в потоке 4 отбора каскада 1 увеличивают до максимально возможных значений, но не более 20%.
235
235
236
В каскаде 2, питаемом отвалом каскада 1, разделение изотопов осуществляют с получением концентрации U в отборе 6 каскада 2 не ниже номинального значения (номинал задает заказчик, концентрация изотопа в целевом продукте должна быть не ниже номинальной). При этом величину концентрации U (равную номиналу или превышающую номинал) выбирают (корректируют) исходя из условия обеспечения соответствия относительной концентрации изотопа U в отборе 6 заданному в целевом продукте значению.
Примеры.
Расчет затрат работы разделения в первом каскаде производили в условных единицах. Оптимальное количество ступеней центрифуг - это количество ступеней центрифуг в варианте без смещения точки подачи питания. Затраты работы разделения в варианте без смещения точки подачи питания принимались за единицу. А затраты работы разделения со смещением точки подачи питания в сторону легкой фракции оценивались как отношение количества ступеней газовых центрифуг, требуемого для данного варианта, к количеству ступеней центрифуг в варианте без смещения точки подачи питания.
235
234
232
236
По всем приведенным примерам значения концентраций в потоках питания приведены в % в следующей последовательности: U-U-U-U.
Пример 1. Базовый вариант.
-7
235
235
В таблице 1 приведены данные базового варианта переработки регенерата в одном ординарном каскаде, в котором на питании каскада 1 используют регенерированный уран с изотопным составом: 0,85-0,016-1,5·10-0,35. В потоке отбора такого каскада получают заданную концентрацию НОУ по изотопу U - 4,4% при концентрации изотопа U в потоке 5 отвала 0,3%.
232
Данный вариант характеризуется достаточно высокими значениями изотопа U в НОУ ~ 1е-6%, которые недопустимы в практике современных АЭС.
Таблица 1
Параметры
Поток питания
Поток отбора
Поток отвала
Количество UF6, т
500,000
67,073
432,927
<sup>235</sup>U, %
0,85
4,4
0,3
<sup>234</sup>U, %
0,016
0,0994
0,0031
<sup>232</sup>U, %
1,5·10<sup>-7</sup>
1,07·10<sup>-6</sup>
7,6·10<sup>-9</sup>
<sup>236</sup>U, %
0,35
1,2874
0,2048
232
234
Пример 2. Очистка регенерированного урана от изотопов U и U в каскаде 1.
-7
235
6
В таблице 2 показаны результаты по каскаду 1 для разделения регенерированного урана с содержанием изотопов в потоке 3 питания: 0,85-0,016-1,5·10-0,35 при различных положениях точки подачи питания. Были заданы внешние концентрации изотопа U: потока 4 отбора - 5,0%, потока 5 отвала - 0,711%. В соответствии с базовым вариантом в потоке питания 3 подавалось 500 т UF. В потоке 4 отбора получалось 16,204 т, а в потоке 5 отвала отбиралось 483,796 т UF6.
235
235
Оптимальное количество ступеней газовых центрифуг - 11, номера ступеней возрастают в сторону отбора 4. Первая ступень - это ступень с концентрацией изотопа U, примерно равной (близкой) концентрации изотопа U в потоке питания 3.
Таблица 2
Точка питания (№ ступени)
Поток 4 отбора, <sup>235</sup>U - 5,0% 16,204 т
Поток 5 отвала, <sup>235</sup>U - 0,711% 483,796 т
Затраты работы разделения (усл. ед.)
<sup>234</sup>U, %
<sup>232</sup>U, %
<sup>236</sup>U, %
<sup>234</sup>U, %
<sup>232</sup>U, %
<sup>236</sup>U, %
1
0,1325
1,92·10<sup>-6</sup>
1,2947
0,0121
9,06·10<sup>-8</sup>
0,3184
1,00
2
0,1362
2,08·10<sup>-6</sup>
1,2700
0,0120
8,52·10<sup>-8</sup>
0,3192
1,07
3
0,1387
2,19·10<sup>-6</sup>
1,2526
0,0119
8,18·10<sup>-8</sup>
0,3198
1,24
4
0,1414
2,29·10<sup>-6</sup>
1,2338
0,0118
7,83·10<sup>-8</sup>
0,3204
1,44
5
0,1453
2,45·10<sup>-6</sup>
1,2101
0,0117
7,28·10<sup>-8</sup>
0,3212
1,71
6
0,1506
2,69·10<sup>-6</sup>
1,1832
0,0115
6,48·10<sup>-8</sup>
0,3221
2,09
7
0,1566
2,98·10<sup>-6</sup>
1,1559
0,0113
5,52·10<sup>-8</sup>
0,3230
2,69
8
0,1630
3,26·10<sup>-6</sup>
1,1281
0,0111
4,60·10<sup>-8</sup>
0,3239
3,59
9
0,1695
3,49·10<sup>-6</sup>
1,0989
0,0109
3,82·10<sup>-8</sup>
0,3249
4,84
10
0,1757
3,66·10<sup>-6</sup>
1,0690
0,0107
3,25·10<sup>-8</sup>
0,3259
6,48
232
234
236
Как видно из таблицы 2, можно добиться заметного снижения содержания изотопа U и изотопа U в отвале каскада 1 при смещении точки подачи потока 3 питания в сторону потока 4 отбора. Но при этом концентрация изотопа U в отвале увеличивается.
232
234
Приведенный пример имеет определенный минус - относительно высокую величину потока 4 отбора, загрязненного изотопами U и U, и, соответственно, не очень большую величину потока 5 отвала, из которого в каскаде 2 нарабатывают продукт.
235
Этот отрицательный момент может быть уменьшен увеличением концентрации изотопа U в потоке 4 отбора (Пример 3).
232
234
Пример 3. Очистка регенерированного урана от изотопов U и U в каскаде 1.
235
235
6
В таблице 3 приведены результаты разделения изотопов в каскаде 1 при увеличении концентрации изотопа U в потоке 4 отбора до величины 20%, при концентрации изотопа U 0,711% в потоке 5 отвала. Поток 4 отбора в этом случае составляет 3,603 т UF6, а отвала - 496,397 т (в поток 3 питания подается 500 т UF). Оптимальное количество ступеней газовых центрифуг - 16, номера ступеней возрастают по направлению к отбору 4.
Таблица 3
Точка питания (№ ступени)
Поток 4 отбора, <sup>235</sup>U - 20,0% 3,603 т
Поток 5 отвала, <sup>235</sup>U - 0,711% 496,397 т
Затраты работы разделения (усл. ед.)
<sup>234</sup>U, %
<sup>232</sup>U, %
<sup>236</sup>U, %
<sup>234</sup>U, %
<sup>232</sup>U, %
<sup>236</sup>U, %
1
0,5765
8,63·10<sup>-6</sup>
4,0463
0,0119
8,84·10<sup>-8</sup>
0,3232
1,00
2
0,5992
9,49·10<sup>-6</sup>
3,9115
0,0118
8,22·10<sup>-8</sup>
0,3241
1,05
3
0,6107
9,93·10<sup>-6</sup>
3,8377
0,0117
7,90·10<sup>-8</sup>
0,3247
1,17
4
0,6169
1,01·10<sup>-5</sup>
3,7792
0,0116
7,77·10<sup>-8</sup>
0,3251
1,31
5
0,6247
1,03·10<sup>-5</sup>
3,7041
0,0116
7,63·10<sup>-8</sup>
0,3257
1,46
6
0,6373
1,06·10<sup>-5</sup>
3,6042
0,0115
7,42·10<sup>-8</sup>
0,3264
1,62
7
0,6562
1,11·10<sup>-5</sup>
3,4830
0,0114
7,08·10<sup>-8</sup>
0,3273
1,80
8
0,6838
1,18·10<sup>-5</sup>
3,3451
0,0112
6,54·10<sup>-8</sup>
0,3283
2,01
9
0,7220
1,29·10<sup>-5</sup>
3,1996
0,0109
5,73·10<sup>-8</sup>
0,3293
2,28
10
0,7701
1,44·10<sup>-5</sup>
3,0589
0,0105
4,64·10<sup>-8</sup>
0,3303
2,65
11
0,8235
1,61·10<sup>-5</sup>
2,9316
0,0101
3,44·10<sup>-8</sup>
0,3313
3,17
12
0,8778
1,76·10<sup>-5</sup>
2,8160
0,0097
2,36·10<sup>-8</sup>
0,3321
3,88
13
0,9315
1,87·10<sup>-5</sup>
2,7052
0,0094
1,56·10<sup>-8</sup>
0,3329
4,79
235
232
234
235
235
232
234
Из таблиц 2 и 3 видно следующее. При большей концентрации изотопа U в потоке 4 отбора каскада 1 (20%), при смещении точки подачи питания в каскад 1 для обеспечения лучшей очистки потока 5 отвала каскада 1 от изотопов U, U происходит меньшее возрастание затрат работы разделения при переходе от ступени к ступени (табл.3), чем при меньшей концентрации изотопа U (5%) в потоке 4 отбора каскада 1 (табл.2). В результате несмотря на увеличение концентрации изотопа U в потоке 4 отбора в таблице 3 по сравнению с таблицей 2 для достижения необходимой очистки потока отвала 5 от изотопов U и U требуются меньшие затраты работы разделения.
232
-8
235
235
Так, при получении концентрации изотопа U в потоке 5 отвала каскада 1 не выше 4·10 % для случая 5,0%-ного обогащения по изотопу U требуется сместить точку питания в 9-ю ступень (табл.2). А для случая обогащения потока 4 отбора по изотопу U до 20% необходимо сместить точку питания в 11-ю ступень (табл.3). Затраты работы разделения, оцениваемые по необходимому суммарному количеству газовых центрифуг, в случае 20%-ного обогащения меньше.
Пример 4. Получение НОУ в каскаде 2.
235
235
Точка питания каскада 2 потоком 5 отвала каскада 1 - это ступень с концентрацией изотопа U, примерно равной (близкой) концентрации изотопа U в потоке питания 5.
-8
235
В таблице 4 показаны результаты разделения изотопов в каскаде 2 при использовании на его питании потока 5 отвала каскада 1 с параметрами 0,711-0,0109-3,82·10-0,3249. Эти параметры соответствуют работе каскада 1 при обогащении отбора 4 по изотопу U 5,0% и подаче потока 3 питания в 9-ю ступень (табл.2).
235
НОУ получают в потоке 6 отбора каскада 2 с концентрацией изотопа U 4,4% и пониженными относительными концентрациями изотопов уран-232 и уран-236 по сравнению с регенератом.
Таблица 4
Параметры
Поток 5 питания
Поток 6 отбора
Поток 8 отвала
Количество UF6, т
483,796
48,498
435,298
<sup>235</sup>U, %
0,711
4,4
0,3
<sup>234</sup>U, %
0,0109
0,0836
0,0028
<sup>232</sup>U, %
3,82·10<sup>-8</sup>
3,53·10<sup>-7</sup>
3,2·10<sup>-7</sup>
<sup>236</sup>U, %
0,3249
1,3613
0,2095
232
-6
-7
234
236
Суммарные затраты работы разделения для схемы двух каскадов в 1,7 раза больше, чем в базовом варианте. Однако это позволяет снизить содержание изотопа U в НОУ в 3 раза - с 1,07·10 % в базовом варианте (пример 1) до 3,53·10% в примере 4. Уменьшается и концентрация изотопа U - с 0,099 до 0,084%. Концентрация изотопа U 1,3613% удовлетворяет требованиям заказчика.
Пример 5. Получение НОУ в каскаде 2.
-8
235
235
В таблице 5 показаны результаты разделения изотопов в каскаде 2 при использовании на его питании потока 5 отвала каскада 1 с параметрами 0,711-0,0101-3,44·10-0,3313. Эти параметры соответствуют работе каскада 1 при обогащении отбора 4 по изотопу U 20% и подаче потока 3 питания в 11-ю ступень (табл.3). НОУ получают в потоке 6 отбора каскада 2 с концентрацией изотопа U 4,4% и пониженными относительными концентрациями всех четных изотопов по сравнению с регенератом.
Таблица 5
Параметры
Поток 5 питания
Поток 6 отбора
Поток 8 отвала
Количество UF6, т
496,397
49,761
446,636
<sup>235</sup>U, %
0,711
4,4
0,3
<sup>234</sup>U, %
0,0101
0,0781
0,0026
<sup>232</sup>U, %
3,44·10<sup>-8</sup>
3,17·10<sup>-7</sup>
2,90·10<sup>-9</sup>
<sup>236</sup>U, %
0,3313
1,3878
0,2135
232
234
236
Из сравнения данных таблиц 4 и 5 видно, что переход к 20%-ному обогащению в каскаде 1 позволяет улучшить качество получаемого продукта по изотопу U и изотопу U при несущественном ухудшении по изотопу U. Суммарные затраты работы разделения в этом случае меньше в 1,06 раза, чем в базовом варианте.
235
236
Пример 6. Дообогащение НОУ по изотопу U для компенсации избытка изотопа U.
236
235
Абсолютная концентрации изотопа U в НОУ (поток 6 отбора в таблице 5) составляет 1,3878%, относительная (относительно изотопа уран-235) концентрация изотопа уран-236 равна 1,3878:4,4=0,3154. В том случае если относительная концентрация изотопа уран-236 превышает величину, заданную заказчиком, производят дополнительное обогащение НОУ по изотопу U.
235
-8
235
В таблице 6 показано получение НОУ в потоке 6 отбора каскада 2 с концентрацией изотопа U 4,75% из гексафторида урана потока 5 питания с содержанием изотопов 0,711-0,0101-3,44·10-0,3313 (обогащение в каскаде 1 по изотопу U 20%, поток питания 3 в каскад 1 в 11-ю ступень, табл.3). Абсолютная концентрация изотопа уран-236 в НОУ в табл.6 (поток 6 отбора) составляет 1,4833%, относительная концентрация урана-236 равна 1,4833:4,75=0,3123, что удовлетворяет требованиям заказчика.
Обогащение НОУ до 4,75% соответствует осуществлению дополнительного, равного 0,35%, обогащения отбора 6 изотопом уран-235 (по сравнению с номинальным, равным 4,4%).
232
234
Дополнительное обогащение не приводит к существенному изменению качества НОУ по другим вредным четным изотопам U и U - приведенные в таблице 6 концентрации удовлетворяют требованиям заказчика. Затраты работы разделения немного возрастают (в 1,05 раза) и несколько уменьшается количество НОУ (соответственно 45,847 т вместо 49,761 т).
Относительные концентрации всех четных изотопов понижены по сравнению с регенератом.
Таблица 6
Параметры
Поток 5 питания
Поток 6 отбора
Поток 8 отвала
Количество UF6, т
496,397
45,847
450,550
<sup>235</sup>U, %
0,711
4,75
0,3
<sup>234</sup>U, %
0,0101
0,0846
0,0026
<sup>232</sup>U, %
3,44·10<sup>-8</sup>
3,44·10<sup>-7</sup>
2,9·10<sup>-9</sup>
<sup>236</sup>U, %
0,3313
1,4833
0,2140
Пример 7. Переработка грязного потока 4 отбора каскада 1.
232
234
-5
-7
Грязный отбор каскада 1 с повышенной концентрацией вредных изотопов U и U разбавляют для снижения ядерной активности смеси отвалами разделительного производства. Так, можно взять в качестве разбавителя отвальный гексафторид урана разделительного производства с концентрациями изотопов 0,1-0,0002-0-0. При разбавлении в 100 раз потока 4 отбора каскада 1 с процентным содержанием изотопов 20,0-0,8235-1,61·10-2,9316 (строка 11 таблицы 3) получается смесь с концентрациями изотопов 0,2-0,008-1,60·10-0,03, которую десублимируют и отправляют на хранение.