Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПЛУТОНИЯ ИЗ СТЕКЛОВОЛОКНИСТЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ, СОДЕРЖАЩИХ БОР

Изобретение относится к области переработки и утилизации твердых радиоактивных отходов предприятий атомной промышленности, а именно к способу извлечения из отработанных фильтров плутония, который используется для получения плутониевого продукта.

Технологические процессы радиохимических и химико-металлургических производств неразрывно связаны с очисткой газоаэрозольных отходов, содержащих ценные компоненты, например плутоний. Для очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей разработаны фильтры на основе искусственных неорганических сверхтонких стеклянных штапельных волокон с диаметром менее 0,5 мкм (микротонкие - МТБ), от 0,51 до 1,0 мкм (ультратонкие - УТВ) и от 1,01 до 3,0 мкм (супертонкие - СТВ). Для их производства применяют стекло №20 (марка ШСЩ-20, ТУ 21-23-92-76), в состав которого входит 3% оксида бора [1].

В отработанном в условиях химико-металлургического производства фильтре при массе фильтрующего материала от 2 до 3 кг содержится до 500 г плутония.

Известен способ извлечения плутония из отработанных стекловолокнистых фильтров тонкой очистки воздуха [2]. Технология извлечения плутония включает в себя:

- щелочное вскрытие отработанного фильтрующего материала водным раствором с концентрацией гидроксида натрия 100 г/л при объемно-массовом отношении фаз (W) 75-150 л/кг сырья, t=(105±5)°С и продолжительности обработки 3 часа. При этом выщелачивание бора в раствор составляет 30-33% (С_в=28-31 мг/л), а содержание плутония - от 0,5 до 0,6 мг/л (сбросные по его содержанию растворы). Скорость фильтрования суспензии ~800 л/м² ч;

- фильтрацию после охлаждения суспензии и промывку осадка на фильтре водой;

- обработку нерастворенного осадка смесью водных растворов 7 моль/л азотной и 0,3 моль/л плавиковой кислот при соотношении жидкой и твердой фаз 100-175 л/кг и t=(105±5)°С в течение 3 часов. При этом выщелачиваемость бора в раствор составляет 67-70% от исходного количества (С_в=60-65 мг/л), извлечение плутония 99,9%, содержание плутония в твердых отходах менее 0,01% (сбросные по нормам технологического регламента). Скорость фильтрования - 2200 л/м² ч;

- сорбционную очистку азотно-фторидного плутониевого раствора от примесей;

- осаждение оксалата плутония с последующим прокаливанием осадка при температуре (525±25)°С для получения диоксида плутония. При этом содержание бора в диоксиде плутония составляет более 1·10⁴%, то есть не выполняется условие ТУ.

Недостатками способа являются:

1. Наличие большого количества бора в азотно-фторидном плутониевом растворе, что приводит при дальнейшей переработке к получению некондиционного по бору плутониевого продукта (диоксида плутония). По ТУ массовая доля бора по отношению к РuО₂ не должна превышать 0,8·10^-4%.

2. Присутствие бора с высоким содержанием (60-65 мг/л) в азотно-фторидном плутониевом растворе увеличивает нейтронный фон по α,n - реакции примерно на 20%. Это повышает радиационную опасность для обслуживающего персонала за счет нейтронного облучения.

При анализе общедоступной литературы каких-либо других известных аналогов, наиболее близких заявляемому способу, не найдено.

При создании изобретения ставилась задача снижения содержания бора в азотно-фторидном плутониевом растворе для получения кондиционного по бору диоксида плутония путем более полного его перевода в щелочной раствор, который является сбросным по плутонию (<1,5 мг/л).

Поставленная задача решается тем, что на стадии щелочного вскрытия сырья (отработанного фильтрующего материала) вводят магнийсодержащий реагент предпочтительно в виде MgCO₃ при количественном отношении масс в пересчете на оксиды магния и бора не менее 0,85 с образованием борида магния.

Способ осуществляется следующим образом:

1. щелочное вскрытие отработанного фильтрующего материала водным раствором с концентрацией гидроксида натрия 100 г/л при объемно-массовом отношении фаз (W) 75-150 л/кг сырья, t=105±5°С и продолжительности обработки 3 часа. Предварительно в щелочной раствор вводится магнийсодержащий реагент, например MgCO₃, при массовом отношении в пересчете на оксиды магния и бора не менее 0,85;

2. фильтрация после охлаждения суспензии и промывка осадка на фильтре водой;

3. обработка нерастворенного осадка смесью водных растворов 7 моль/л азотной и 0,3 моль/л плавиковой кислот при соотношении жидкой и твердой фаз 100-175 л/кг и t=105±5°С в течение 3 часов;

4. сорбционная очистка азотно-фторидного плутониевого раствора от примесей (на смоле ВП-1АП);

5. осаждение оксалата плутония и его прокаливание при температуре 525±25°С;

6. анализ полученных порошков на содержание бора.

В результате введения в композицию магния в щелочной раствор выщелачивается 88-90% бора, что обеспечивает получение диоксида плутония в соответствии с требованиями технических условий (менее 0,8-10^-4% мас.) и снижает нейтронный фон на 20% по сравнению с прототипом, что существенно улучшает радиационную обстановку в обслуживаемой рабочей зоне.

Пример 1

Массовое отношение MgO:B₂O₃=0,6. К 1 кг исходного сырья (стекловолокна), где содержится 3% В₂О₃ (30 г), добавили карбонат магния в пересчете на 18 г MgO. Щелочное вскрытие сырья с последующей обработкой остатка в смеси азотной и плавиковой кислот производили по режиму, указанному в предлагаемой технологии переработки. При этом в щелочной раствор при W=100 л/кг перешло 50-55% бора (С_в=46-52 мг/л), в азотнокислый - 45-50% (С_в=42-46 мг/л). Концентрация плутония в щелочном растворе при этом составила ≤0,5 мг/л, что является сбросной величиной.

Пример 2

Массовое отношение MgO:B₂0₃=0,7. К исходному сырью добавили карбонат магния в пересчете на 21 г MgO. Обработку сырья производили аналогично примеру 1. При этом в щелочной раствор при W=100 л/кг перешло 65-70% бора (С_в=60-65 мг/л), в азотнокислый - 30-35% (С_в=28-32 мг/л). Концентрация плутония в щелочном растворе составила 0,55 мг/л.

Пример 3

Массовое отношение MgO:B₂O₃=0,8. К исходному сырью добавили карбонат магния в пересчете на 24 г MgO. Щелочную обработку сырья проводили аналогично примеру 1. При этом в щелочной раствор при W=100 л/кг перешло 80-85% бора (С_в=75-79 мг/л), в азотнокислый - 15-20% (С_в =14-18 мг/л).

Пример 4

Массовое отношение MgO:B₂O₃=0,85. К исходному сырью добавили карбонат магния в пересчете на 25,5 г MgO. Щелочную обработку проводили аналогично примеру 1. При этом в щелочной раствор при W=100 л/кг перешло 88-92% бора (С_в=82-86 мг/л). Остальные 8-12% бора поступили в азотнокислый раствор (С_в=8-8,6 мг/л).

Пример 5

Массовое отношение MgO:B₂O₃=0,9. К исходному сырью добавили карбонат магния в пересчете на 27 г MgO. Щелочную обработку проводили аналогично примеру 1. При этом в щелочной раствор при W=100 л/кг перешло 90-92% бора (С_в=84-86 мг/л). В азотнокислом растворе концентрация бора составляет 8-9 мг/л.

В таблице 1 представлены данные из примеров 1-5 по содержанию бора в азотнокислом растворе и конечном продукте (РuO₂), полученном после сорбционной очистки азотно-фторидного раствора от примесей на смоле ВП-1АП, осаждению оксалата и прокалке при температуре 525±25°С.

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что PuO₂ по содержанию бора соответствует ТУ только в тех случаях, когда щелочную обработку проводили при массовом отношении MgO: В₂О₃ не менее 0,85, то есть когда концентрация бора в азотнокислом растворе не превышала 10 мг/л.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Караханиди Н.Г., Кибардин Р.Н., Тупицин И.Н., Полик Б.М. Изделия из сверхтонкого стеклянного штапельного волокна. Обзорная информация, вып. 2. - М., НИИТЭХИМ, 1993, с.1-2, 9-10.

2. Ровный С.И., Гужавин В.И., Пятин Н.П., Евланов Д.С. Регенерация плутония из отработавших стеклобумажных фильтров тонкой очистки воздуха. - Атомная энергия, 2002, т.92, вып.3, с.201-204.