Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА И ПЛУТОНИЯ

Изобретение относится к радиохимической переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ), конкретно - к экстракционному извлечению урана и плутония при переработке ОЯТ с использованием растворов трибутилфосфата (ТБФ) в инертном разбавителе.

Практически во всех случаях извлечение урана, плутония и некоторых сопутствующих элементов (нептуний, технеций) реализуется в простом противоточном процессе с умеренным, 70-75% от стехиометрического, насыщением экстракта суммой экстрагируемых металлов. Такой режим принят практически везде и переходит без изменений из одной технологической схемы в другую (см., например, Копырин А.А., Карелин А.И., Карелин В.А., Технология производства и радиохимической переработки ядерного топлива. М., Атомэнергиздат, стр. 197-335, 2006 г.) и определяется, в основном, требованием к полноте извлечения урана и плутония при умеренном числе ступеней экстракции.

Недостатки способа:

1. Относительно невысокая степень очистки целевых продуктов (U, Pu) от радиоактивных и стабильных примесей, обусловленная тем, что в «заурановой» зоне противоточного процесса примеси извлекаются полным потоком оборотного экстрагента, что препятствует их переходу в рафинат, вследствие чего в головном экстракторе создается зона накопления примесей и поступление примесей в относительно низконасыщенный экстракт.

2. Повышенный объем циркулирующего в цикле экстрагента, который после исчерпания технологического ресурса становится горючим жидким радиоактивным отходом.

Перечисленные недостатки устранены в способе экстракционного извлечения урана и плутония (Патент РФ №2513040, МПК G21C 19/46. Опубл. 20.04.2014 в Бюл. №11), согласно которому непрерывный экстракционный процесс осуществляется в две стадии. На первой стадии водный поток питания обрабатывают оборотным экстрагентом в запредельном режиме с выполнением условия , где V_o - величина органического потока, C_o - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых элементов в этом потоке (емкость экстрагента), V_в - величина водного потока и C_в - концентрация извлекаемых элементов в этом потоке. Экстракт в этой стадии является насыщенным до уровня, близкого к предельному.

Водный поток после первой стадии (промежуточный рафинат) обрабатывают дополнительным потоком оборотного экстрагента в допредельном режиме (режим полного извлечения) с выполнением условия , где - величина дополнительного органического потока и - концентрация извлекаемых элементов в водном потоке после первой стадии процесса.

Далее органические экстракты, полученные на первой и второй стадиях, объединяют и объединенный поток направляют на последующие операции.

Проведение экстракционного извлечения урана и плутония по изложенному способу позволяет сочетать повышенное насыщение объединенного экстракта за счет близкого к предельному насыщению экстракта первой стадии и повышенную очистку за счет подачи на стадию доизвлечения уменьшенного потока оборотного экстрагента.

Проверка способа, в том числе при переработке реального ОЯТ ВВЭР, показала возможность получения уран-плутониевых экстрактов с повышением насыщения до 85% от стехиометрического (~110 г/л по сумме извлекаемых металлов) при повышении очистки от примесей в 3-5 раз.

По технической сущности этот способ является наиболее близким к заявляемому способу и выбран в качестве прототипа. Вместе с тем анализ расчетных и экспериментальных проверок способа, а также анализ возможности реализации способа при различном аппаратурном оформлении процесса выявил ряд существенных недостатков способа прототипа:

1. Близкое к предельному насыщение экстракта первой стадии достигается при достаточно высоком содержании экстрагируемых металлов в промежуточном рафинате (рафинате первой стадии), а поток оборотного экстрагента (следовательно, и экстракта) второй стадии должен быть минимальным, т.к. он является разбавляющим при объединении экстрактов. Выполнение этих требований приводит к потере технологической устойчивости процесса: и водная, и органическая фазы в ступенях блока, близких к выходу рафината, содержат значительные количества урана и плутония и даже небольшое нерегламентное повышение расхода водного потока питания приведет к сбросу извлекаемых продуктов в рафинат, что недопустимо.

2. Состав промежуточного рафината в способе-прототипе зависит от многих факторов (содержание урана и плутония в потоке питания, число ступеней первой стадии, поток экстрагента первой стадии) и может быть установлен только в предварительных тестовых испытаниях процесса, что не всегда возможно. В противном случае выбор основных параметров процесса, т.е. выбор величин потоков экстрагента первой и второй стадий может оказаться неоптимальным и даже привести к запредельному режиму общего процесса, экстракции, что недопустимо, т.к. приведет к сбросу извлекаемых продуктов в рафинат.

3. Структура органических потоков в способе-прототипе существенно ограничивает его аппаратурное оформление. Он не может быть реализован при использовании экстракционных колонн, которые преимущественно применяются на современных заводах по переработке ОЯТ (см. первую ссылку). Такие колонны работают с единственной отстойной зоной (как правило, нижней) и раздельный вывод экстрактов первой и второй стадии для них исключен.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение технологической устойчивости процесса и устранение ограничений по его аппаратурному оформлению.

Указанный технический результат достигается в способе экстракционного извлечения урана и плутония из водного раствора, полученного при растворении облученного ядерного топлива, включающем две последовательные стадии противоточной обработки водного потока (потока питания) оборотным экстрагентом, как правило, 30% раствором трибутилфосфата в инертном разбавителе, первая из которых выполняется в запредельном режиме, а вторая - в допредельном режиме (режиме полного извлечения), причем экстракт, получаемый на второй стадии экстракции, без вывода из экстракционного аппарата, присоединяют к оборотному экстрагенту, поступающему на первую стадию экстракции, с выполнением условия C_о⋅(V'_о+V''_о)≥1,04⋅C_в⋅V_в, при этом , где C_o - предельно достижимая концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в органическом потоке (емкость экстрагента), и - величины потоков оборотного экстрагента первой и второй стадий соответственно; С_в - концентрация суммы извлекаемых урана и плутония в водном потоке и V_в - величина водного потока.

На вторую стадию направляют поток оборотного экстрагента, удовлетворяющий условию .

Протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции соответствует условию , где L_общ - протяженность всей зоны массообмена процесса экстракции и L₁ - протяженность зоны массообмена первой стадии экстракции.

Коэффициент 1,04 в соотношении ограничивает насыщение общего органического потока (~96% от стехиометрии), что исключает переход процесса в запредельный режим.

Ограничение величины потока оборотного экстрагента второй стадии соответствует задаче извлечения преобладающей части урана и плутония на первой стадии, а оптимизированное соотношение потоков первой и второй стадий отвечает согласованному выполнению требований к процессу: высокое насыщение экстракта, полнота извлечения и повышенная очистка.

Отношение протяженности зоны первой стадии к протяженности всей зоны массообмена также определяется требованием согласованной эффективности первой и второй стадий процесса.

При проведении процесса экстракции урана и плутония по предлагаемому способу устраняются перечисленные выше недостатки способа-прототипа:

1. При одновременной подаче на первую стадию экстракции оборотного экстрагента 1 стадии и экстракта 2 стадии извлечение урана и плутония на 1 стадии существенно возрастет за счет: а) дополнительного поступления свободного экстрагента с ненасыщенным экстрактом 2 стадии; и б) увеличения коэффициента экстракции, (α - коэффициент распределения, n - соотношение потоков органической и водной фаз), за счет увеличения органического потока. Оба фактора приводят к радикальному снижению содержания извлекаемых элементов в промежуточном рафинате 1 стадии, снижению накопления урана и плутония на ступенях 2 стадии и повышению технологической устойчивости процесса в целом.

2. Для организации процесса, т.е. определения величин и , необходимо знать только состав и расход водного потока питания, что всегда известно.

3. В предлагаемом способе ни один поток из головного экстрактора (блок дискретных аппаратов, экстракционная колонна) не выводится, что снимает ограничения с применяемого в способе аппаратурного оформления процесса экстракции.

В качестве примера было проведено сопоставительное математическое моделирование процесса экстракции урана и плутония по способу-прототипу и по предлагаемому способу. Условия проведения процесса (общее число ступеней в блоке, число ступеней на первой и второй стадиях процесса, состав потока питания, расходы потока питания и оборотного экстрагента первой и второй стадий, эффективность каждой из ступеней) были приняты одинаковыми для способа-прототипа и для предлагаемого способа. Различие состояло только в структуре органических потоков, что и отражено на фиг. 1 и фиг. 2, где схематично представлено движение потоков в способе-прототипе (фиг. 1) и в предлагаемом способе (фиг. 2).

Условия численного эксперимента следующие. Состав потока питания, г/л: азотная кислота - 189; уран - 300; плутоний - 3,082; нептуний - 0,23; цирконий - 1,04 и технеций - 0,36.

Расход потока питания (V_в) - 100 единиц/час,

Расход оборотного экстрагента (30% трибутилфосфат в инертном разбавителе) первой стадии - 180 единиц/час, второй стадии единиц/час, , условие выполняется.

Общее число ступеней в блоке - 10, из них в зоне первой стадии (I) - 3, в зоне второй стадии (II) - 7, эффективность каждой ступени - 95%.

Распределение урана и плутония в водной и органической фазах по ступеням блока представлено в табл.1. Нумерация ступеней - от ступени выхода рафината (1-я) до ступени входа потока питания (10-я).

При насыщении органического потока экстрагируемыми металлами его объем несколько увеличивается, расчетный поток экстракта составляет 261,3 ед. Следовательно, насыщение по сумме урана и плутония в пересчете на оборотный экстрагент и в способе-прототипе, и в предлагаемом способе составляет 121,3 г/л или 93,3% от стехиометрического.

В предлагаемом способе вся зона второй стадии экстракции (ступени 1-7) практически свободна от извлекаемых урана и плутония, в способе-прототипе эти ступени заполнены и концентрация урана и плутония уже в водной фазе 2 ступени приближается к недопустимой.

Был выполнен еще один численный эксперимент. В условия его выполнения внесено одно изменение: зона первой стадии увеличена до 4 ступеней, соответственно зона второй стадии составила 6 ступеней. Остальные условия без изменений. Распределение урана и плутония по ступеням представлено в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, заполнение зоны второй стадии экстракции при ее сокращении в способе-прототипе возросло и недопустимая концентрация (с точки зрения сброса в рафинат) урана обнаруживается уже в первой ступени.

В предлагаемом способе, как и в примере 1, ступени 1-7 практически свободны от урана и плутония.

В реальном техническом процессе это означает, что при неизбежных флуктуациях расхода потока питания при проведении процесса по способу-прототипу даже незначительное и кратковременное повышение расхода приведет к недопустимым потерям урана и плутония с рафинатом. При проведении процесса по предлагаемому способу в этом случае будет происходить только частичное заполнение зоны второй стадии экстракции ураном и плутонием и освобождение зоны при возвращении расхода к регламентному.

Таким образом, по всем важным параметрам процесса экстракции урана и плутония - технологическая устойчивость, оптимальное распределение оборотного экстрагента и зон массообмена по стадиям процесса и отсутствие ограничений по аппаратному оформлению процесса - предлагаемый способ демонстрирует превосходство над прототипом.