СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УРАН-ЦИРКОНИЕВЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF PROCESSING URANIUM-ZIRCON WASTES

Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к способам переработки отходов уран-циркониевых композиций в виде невостребованных твэлов, брака и отходов их производства с целью извлечения урана и последующего его использования в производстве ядерного топлива.
Известны способы гидрометаллургической переработки отходов ядерного производства, например уран-циркониевых, уран-алюминиевых, уран-молибденовых и других композиций, основанные на растворении композиций в кислотах и щелочах, проведении процессов экстракции с использованием органических экстрагентов и последующем рафинировании урана от примесей с помощью оксалатной или пероксидной переочистки (Переработка топлива энергетических реакторов, сб. статей. М.: Атомиздат, 1972).
Недостатком известных способов гидрометаллургической переработки отходов ядерного производства является коррозия конструкционных материалов реакторов, что требует специальных мер защиты, например при растворении уран-циркониевых композиций в плавиковой кислоте для снижения коррозионного действия фтор-иона в раствор добавляют нитрат алюминия, являющийся дорогостоящим реагентом.
Известен способ переработки отходов ядерного производства, представляющих собой уран-циркониевые композиции, заключающийся в растворении в смеси плавиковой и азотной кислот, фильтрации раствора и извлечении из раствора урана экстракционным методом (В.П.Шведов, В.М.Седов и др. Ядерная технология. М.: Атомиздат, 1979, с.66).
Недостатками указанного способа переработки отходов ядерного производства являются высокая степень коррозии аппаратуры за счет присутствия фтор-иона и значительные потери урана вследствие трудности его извлечения из фторидных растворов.
Наиболее близким к предлагаемому способу переработки уран-циркониевых отходов по технической сущности и достигаемому эффекту - прототипом - является способ переработки уран-циркониевых отходов, заключающийся в растворении отходов в смеси плавиковой и азотной кислот и раствора нитрата алюминия, комплексующего избыточный фтор-ион, фильтрации раствора и извлечении урана из раствора экстракционным методом (Переработка ядерного горючего. М.: Атомиздат, 1964, с.86-92, 120).
Недостатками известного способа переработки уран-циркониевых отходов являются сложность и неэкономичность процессов и неудовлетворительная степень извлечения урана.
3
3
2
Эти недостатки связаны с необходимостью использования специального оборудования (реакторов) для приготовления раствора дорогостоящего нитрата алюминия из соли Al(NO)×9НО (содержание Al - 7,2%) и проведении операций корректировки растворов перед экстракцией по кислотности и содержанию нитрата алюминия, а неудовлетворительная степень извлечения урана из отходов связана с недостаточным содержанием нитрата алюминия как высаливателя, но в то же время его концентрация должна соответствовать устойчивости нитратно-фторидных растворов циркония. При увеличении содержания нитрата алюминия происходит захват урана из растворов циркониевым осадком и, соответственно, снижение степени извлечения урана из отходов.
Целью данного изобретения является упрощение способа переработки уран-циркониевых отходов, повышение его экономичности и степени извлечения урана из отходов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе переработки уран-циркониевых отходов, включающем растворение отходов в смеси плавиковой и азотной кислот и раствора нитрата алюминия, комплексующего избыточный фтор-ион, фильтрацию раствора и извлечение урана из раствора экстракционным методом, в качестве раствора нитрата алюминия используют азотнокислые растворы от экстракционной переработки уран-алюминиевых отходов, содержащие нитрат алюминия и нитрат натрия, причем используемые рафинатные растворы берут в количестве, обеспечивающем молярное соотношение комплексуемого избыточного фтор-иона и алюминия в нитрате алюминия 1:(2÷3).
Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем.
Экономичность и упрощение предложенного способа переработки уран-циркониевых отходов достигается за счет исключения применения в процессе специально приготавливаемых дорогостоящих растворов нитрата алюминия, вместо которых используются азотно-кислые рафинатные растворы от экстракционной переработки уран-алюминиевых отходов, содержащие нитрат алюминия и нитрат натрия, обеспечивающие связывание ионами алюминия избытка фтор-иона, ответственного за образование неэкстрагируемого в органическую фазу комплекса урана и коррозию оборудования. Получаемые после растворения отходов растворы не требуют подготовки к экстракции, так как необходимые параметры (кислотность и содержание алюминия) обеспечиваются непосредственно в процессе растворения.
Кроме того, нитраты алюминия и натрия, содержащиеся в рафинатных растворах, повышают степень извлечения урана в процессе экстракции за счет значительного высаливающего эффекта.
В то же время предлагаемый способ позволяет использовать сбросные отходы - рафинатные растворы от переработки уран-алюминиевых композиций, что исключает необходимость специальной подготовки раствора нитрата алюминия и утилизации радиоактивных растворов от переработки уран-алюминиевых отходов. Эти обстоятельства существенно упрощают предлагаемый способ переработки уран-циркониевых отходов и повышают его экономические показатели.
Молярное соотношение комплексуемого избыточного фтор-иона и алюминия в нитрате алюминия в рафинатных растворах должно составлять 1:(2÷3). Это соотношение определяет степень извлечения урана.
При молярном соотношении больше 1:2 снижается степень извлечения урана на стадии экстракционной переработки из-за низкого содержания нитрата алюминия (основного высаливающего агента) в растворах.
При избытке алюминия (соотношение меньше 1:3) нитратно-фторидные растворы алюминия и циркония становятся агрегативно неустойчивыми: наблюдается помутнение и выпадение осадков, захватывающих уран, что приводит к снижению извлечения последнего.
Реализация предложенного способа переработки уран-циркониевых отходов иллюстрируется следующим примером.
Пример.
В реактор емкостью 400 л заливали 215 л азотнокислых растворов от переработки уран-алюминиевых отходов. Раствор содержал 20 г/л алюминия в виде нитрата алюминия. Затем туда же заливали 31 л 10-молярной азотной кислоты и 7,8-8,8 л 27-молярной плавиковой кислоты. В полученный раствор загружали 4000 г уран-циркониевых отходов, содержащих 3600 г циркония, и проводили растворение при температуре 80±10°С в течение 6 часов при непрерывном перемешивании сжатым воздухом и механической мешалкой.
При этом молярное соотношение избыточного комплексуемого фтор-иона и алюминия в нитрате алюминия составляло 1:(2÷3). После растворения отходов объем содержимого реактора доводили водой до 300 л. Полученный раствор фильтровали и отправляли на экстракционное извлечение урана.
В таблице приведены варианты осуществления предложенного способа переработки уран-циркониевых отходов на граничные и промежуточные значения параметров процесса (пп.1-3), на значения параметров, выходящие за заявленные пределы (пп.4, 5) в сопоставлении с известным способом (п.6).
Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный способ переработки уран-циркониевых отходов (пп.1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом (п.6) упрощение способа, повышение его экономичности и степени извлечения урана из отходов.
При осуществлении способа за заявленными пределами параметров процесса (пп.4, 5) степень извлечения урана из отходов снижается.
Таблица
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ПЕРЕРАБОТКИ УРАН-ЦИРКОНИЕВЫХ ОТХОДОВ
№ п/п
Раствор, содержащий нитрат алюминия
Молярное соотношение избыточного фтор-иона и алюминия в Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
Степень извлечения урана, %
Примечание
1.
Раствор от экстракционной переработки уран-алюминиевых отходов [Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>+NaNO<sub>3</sub>]
1:2,0
99,4
Экономичность - исключение применения специально приготавливаемых растворов нитрата алюминия, использование сбросных отходов (рафинатных растворов) переработки UAl композиций;
2.
1:2,5
99,8
3.
1:3,0
99,5
упрощение - отсутствие необходимости приготовления растворов нитрата алюминия и корректировки урансодержащих растворов перед экстракцией
4.
Раствор от экстракционной переработки уран-алюминиевых отходов [Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>+NaNO<sub>3</sub>]
1:1,0
93,5
Экономичность - исключение применения специально приготавливаемых растворов нитрата алюминия, использование сбросных отходов (рафинатных растворов) переработки UAl композиций; упрощение - исключение необходимости приготовления растворов нитрата алюминия и корректировки урансодержащих растворов перед экстракцией
5.
1:4,0
92,9
6.
Специально приготовленный раствор нитрата алюминия Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>
1:1
93,5
Неэкономичность - использование нитрата алюминия - дорогостоящего реагента;сложность - необходимость приготовления растворов нитрата алюминия и корректировки урансодержащих растворов перед экстракцией