Патент на изобретение №2343119

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УРАНСОДЕРЖАЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу переработки радиоактивных отходов топливных композиций, содержащих диоксид урана и полиэтилен, с получением товарной закиси-окиси урана, используемой для воспроизводства ядерного топлива. Способ заключается в том, что урансодержащую композицию, состоящую из диоксида урана и полиэтилена, подвергают термической обработке в протоке водорода в течение 0,5-2 часов при температуре 500-700°С со скоростью нагрева 2-10°С/мин, а выделенную при этом урансодержащую составляющую композиции подвергают повторной термической обработке на воздухе при температуре 500-800°С в течение 2-5 часов в присутствии окислителя в количестве, составляющем 1-5 мас.% от массы урансодержащей составляющей композиции. 1 табл.

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 для аппаратов различного назначения.

Известен способ переработки урансодержащих композиций (уран-алюминий, диоксид урана-алюминий), заключающийся в растворении твэлов в азотной кислоте, сопровождающемся образованием уранилнитрата UO₂(NO₃)₂ и нитрата алюминия Al(NO₃)₃, экстракции продуктов растворения твэлов с выделением уранилнитрата, получении пероксида урана путем переосаждения из растворов перекисью водорода и отжиге пероксида на воздухе при 750-800°С с получением закиси-окиси урана, являющейся товарной продукцией (“Переработка ядерного горючего”. М.: Атомиздат, 1964, с.76-82, 130-182).

Недостатком известного способа переработки урансодержащей композиции применительно к композиции диоксид урана – полиэтилен является низкая степень извлечения урана из композиции при обработке ее азотной кислотой, составляющая до 80%. Этот недостаток связан с тем, что диоксид урана в виде ультрадисперсных частиц (1-3 мкм) блокирован полиэтиленовой матрицей, слабо взаимодействующей с азотной кислотой и препятствующей эффективному извлечению топливного материала в виде уранилнитрата.

Известен способ гидрометаллургической переработки, например, уран-циркониевых, уран-алюминиевых, уран-молибденовых и других композиций, заключающийся в растворении композиций в кислотах и щелочах, проведении процессов экстракции и реэкстракции с использованием органическиз экстрагентов и последующим рафинировании 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%. Причиной этого недостатка является неполное растворение оксида урана кислотами и щелочами из-за блокировки частиц оксида урана инертной к кислотам и щелочам полиэтиленовой матрицей.

Наиболее близкой к предлагаемому способу переработки урансодержащих композиций, состоящих из диоксида урана и полиэтилена, по технической сущности и достигаемому эффекту – прототипом – является 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^-4 тор 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. G01С 19/44, 1996).

При реализации известного способа переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, путем термической обработки композиции в динамическом вакууме при температуре 1500°С, сопровождающейся деструкцией (разложением) полиэтилена с обильным выделением фенола, бензола, СО, СО₂ и аэрозолей, загрязненных ультрадисперсными частицами диоксида урана, 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 аэрозолей, загрязненных ультрадисперсными частицами двуокиси урана, образующимися в результате термической обработки композиции и необходимостью гидрометаллургического передела твердого остатка оксида урана, загрязненного сажевыми остатками полиэтилена. Как образование аэрозолей, так и гидрометаллургический передел сопряжены с потерями урана, что снижает выход годного продукта при переработке уран-содержащей композиции диоксид урана-полиэтилен.

Целью данного изобретения является повышение степени извлечения из композиции урансодержащего компонента – закиси-окиси урана.

Поставленная цель достигается способом переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, включающем термическую обработку композиции, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции, и повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции, согласно изобретению термическую обработку композиции, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции проводят в протоке водорода в течение 0,5-2 часов при температуре 500-700°С со скоростью нагрева 2-10°С в минуту, а повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции проводят на воздухе при температуре 500-800°С в течение 2-5 часов в присутствии окислителя в количестве, составляющем 1-5 мас.% от массы урансодержащей составляющей композиции.

Сущность заявляемого способа переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, заключается в том, что при переработке композиции выделяют урансодержащую составляющую композиции и переводят ее в товарную закись-окись урана без существенных потерь урана в процессе переработки. В заявленном способе эта цель достигается тем, что термическую обработку композиции проводят в протоке водорода при температуре 500-700°С, что сопровождается пиролизом (разложением) полиэтилена с образованием углерода в виде сажи и порошка диоксида урана. Особо вредные продукты – производные фенола, бензола, аэрозоли и другие вредные элементы, загрязненные ультрадисперсными частицами урана, при этом не образуются. При повторной термической обработке композиции, состоящей из диоксида урана и углерода, при 500-800°С на воздухе в присутствии окислителя, например перманганата калия (KMnO₄), солей хромистого ангидрида (К₂Cr₂О₅), перекиси натрия или калия (K₂О,Na₂О), происходит окисление (сгорание) сажистого углерода с образованием газообразного диоксида углерода и товарной закиси-окиси урана без существенных потерь урансодержащей составляющей.

Параметры процесса переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, установлены экспериментально и имеют следущее обоснование. Температура, время и скорость нагрева при первоначальной термообработке урансодержащей композиции определяют полноту пиролиза полиэтилена и, следовательно, степень извлечения оксида урана из композиции. При температуре, времени и скорости нагрева менее, соответственно, 500°С, 0,5 часа и 2°С/мин пиролиз полиэтилена происходит не полностью и, следовательно, снижается степень извлечения оксида урана. Увеличение этих параметров более, соответственно, 700°С, 2 часов и 10°С/мин не оказывает влияния на выход годного продукта и экономически нецелесообразно. При повторной термической обработке уже композиции, состоящей из оксида урана и углерода (сажи), температура, время и количество окислителя определяют полноту окисления углерода и степень извлечения закиси-окиси урана. При температуре, времени и количестве окислителя менее, соответственно, 500°С, 2 часов и 1 мас.%, наблюдается неполное окисление и удаление углерода из композиции, что снижает степень извлечения закиси-окиси урана. При значении этих параметров более заявленных пределов – 800°С, 5 часов и 5 мас.% окислителя – увеличение степени извлечения закиси-окиси урана не происходит, потому экономически не оправдано.

Продолженный способ переработки урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена илюстрируется следующим примером.

Пример.

Урансодержащую композицию, состоящую из диоксида урана (16 мас.%) и полиэтилена в виде фрагментов в количестве 300 г, загружали в тигель из нержавеющей стали, помещали в электропечь сопротивления, проводили продув очищенным водородом и осуществляли нагрев до температуры 500-700°С со скоростью 2-10°С/мин в протоке водорода в течение 0,5-2 часов. Полученный продукт, состоящий из порошка оксида урана и сажистого углерода, смешивался с окислителем (KMnO₄) и помещался в электропечь сопротивления. Термическую обработку продукта осуществляли на воздухе при температуре 500-800°С в течение 2-5 часов в присутствии окислителя в количестве 1-5 мас.% от массы композиции. В результате этой термической обработки происходит газофикация сажистого углерода с образованием газообразного оксида углерода и товарной закиси-окиси урана.

В таблице приведены примеры осуществления предложенного способа переработки композиции, содержащей диоксид урана и полиэтилен, на граничные и промежуточные значения его 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 (примеры 1-3) обеспечивает, в сравнении с известным способом (пример 6), повышение степени извлечения закиси-окиси урана из урансодержащей композиции. Осуществление предлагаемого способа за пределами заявленных параметров (примеры 4, 5) сопряжено с неоправданным увеличением длительности процесса и энергозатрат (пример 5) и снижением степени извлечения закиси-окиси урана (пример 4).

Формула изобретения

Способ переработки урансодержащей композиции, включающей термическую обработку композиции, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции и повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции, отличающийся тем, что при переработке урансодержащей композиции, состоящей из диоксида урана и полиэтилена, термическую обработку композиции, сопровождающуюся выделением урансодержащей составляющей композиции, проводят в протоке водорода в течение 0,5-2 ч при температуре 500-700°С со скоростью нагрева 2-10°С/мин, а повторную термическую обработку выделенной урансодержащей составляющей композиции проводят на воздухе при температуре 500-800°С в течение 2-5 ч в присутствии окислителя в количестве, составляющем 1-5 мас.% от массы урансодержащей составляющей композиции.