способ отверждения растворов трансурановых элементов

Формула изобретения

1. Способ отверждения растворов трансурановых элементов, включающий высокотемпературное насыщение гранул силикагеля радионуклидами трансурановых элементов, сушку, прокалку и хранение, отличающийся тем, что после насыщения силикагеля радионуклидами трансурановых элементов осуществляют пропарку водным раствором азотной кислоты, а прокалку осуществляют при 120 650^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходный раствор вводят добавки, способствующие более полному извлечению трансурановых элементов, например комплексообразователи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки высокоактивных растворов, образующихся при регенерации облученного ядерного топлива, переводом их в отвержденное состояние путем включения в неорганическое связующее и может быть использовано в радиохимической промышленности.

Известен способ отверждения растворов трансурановых элементов (ТУЭ) для плутония и нептуния [1] включающий следующие стадии: стабилизацию плутония или нептуния в азотнокислом растворе в четырехвалентном состоянии перекисью водорода; осаждение оксалата плутония или нептуния из азотнокислого раствора путем добавки щавелевой кислоты; фильтрацию осадка; сушку и прокалку до температуры 700-800^oC; хранение диоксида плутония или нептуния.

Недостатками данного способа являются: пылеунос на стадиях сушки, прокалки и хранения; получение маточных растворов на стадии осаждения, требующих переработки; получаемое соединение труднорастворимо при необходимости переработки.

Известен способ отверждения высокоактивных отходов с помощью пористых сорбентов [2] включающий следующие стадии: упаривание исходного раствора; заполнение пор сорбента раствором; прокалку поглотителя до температуры не менее 400^oC с образованием оксидов металлов, повторение двух предыдущих операций необходимое количество раз; прокалку при температуре не менее 1000^oC; бессрочное хранение.

Недостатками указанного способа являются: возможность извлечения только при растворении совместно с сорбентом, нетехнологичность процесса (отсутствие полноты насыщения, сложность аппаратурного оформления), наличие пылеуноса на стадии прокалки и хранения.

Известен способ отверждения высокоактивных отходов [3] выбранный в качестве прототипа, включающий следующие стадии: высокотемпературное насыщение гранул силикагеля радионуклидами при температуре 100-130^oC, сушку и прокалку при температуре 850-1050^oC, бессрочное хранение.

Недостатками указанного способа являются: возможность извлечения радионуклидов только при растворении совместно с силикагелем, наличие пылеуноса на стадии прокалки и хранения.

Задачей данного технического решения является получение твердой формы ТУЭ, пригодного для хранения с последующим извлечением и транспортировки.

Поставленная задача осуществляется с помощью предложенного способа отверждения ТУЭ со следующей схемой: высокотемпературное насыщение силикагеля при температуре 100-130^oC (насыщение составляет до 800 мг плутония на грамм силикагеля, до 750 мг нептуния на грамм силикагеля и до 650 мг америция); сушка и прокалка при температуре 120-650^oC; хранение и в случае необходимости извлечение. Температура сушки ниже 120^oC нецелесообразна из-за наличия физически адсорбированной влаги в силикагеле, потеря которой идет при температуре 120-200^oC, а выше 650^oC из-за резкого снижения десорбции элементов вследствие перехода последних в труднорастворимые диоксиды, хотя оптимальной верхней границей температуры необходимо считать 425^oC, т.к. именно при температуре 400-425^oC начинает снижаться десорбционная характеристика сорбента.

Оптимальная нижняя граница температур зависит от соединения элемента прокалки и для нептуния составляет 180-220^oC, для плутония 180-280^oC и для америция 180-250^oC. Кюрий является полным аналогом америция по своим химическим свойствам и будет себя вести в этом процессе так же, как америций.

Для достижения необходимой полноты извлечения в исходный раствор вводятся специальные добавки, применяющиеся в технологии регенерации ядерного топлива. Такими добавками могут быть комплексообразователи серная кислота, диэтилентриаминпентауксусная кислота (ДТПА); соединения смешанного, комплексообразующего и восстановительного действия карбамид. Для достижения прочности фиксации, т.е. обеднения поверхностного слоя силикагеля сорбированными элементами и уменьшения пылеуноса вводится операция пропарки горячей жидкостью после операции насыщения (например, азотной кислотой различных концентраций).

Пример 1. Способ проверяют в лабораторных условиях. 1 10 г силикагеля марки КСКГ насыщали из азотнокислого раствора ТУЭ с концентрацией ТУЭ 0,05-0,1 моль/л и азотной кислоты 3 моль/л. Сорбцию проводят в стеклянной колбе или фарфоровом тигле на песчаной бане при слабом кипении. Насыщение составляло 200 мг плутония или нептуния на грамм сорбента, а для америция 50 мг/г.

Сушку и прокалку до температуры 220^oC проводят на оборудовании, описанном выше, а при более высокой температуре в муфельной печи. Десорбцию проводят в статических условиях за 4 операции при температуре 25^oC азотной кислотой с концентрацией 3 моль/л.

Влияние температуры прокалки на извлечение из силикагеля показано в табл. 1.

Получаемые после сушки и прокалки при температуре 120-220^oC нитраты ТУЭ пригодны как форма хранения или транспортировки только во внутризаводских или лабораторных операциях из-за радиолиза физически адсорбированной воды и радиолиза и взрывоопасности нитратов. Разложение нитратов плутония и америция завершается при температуре 220-250^oC, но полученный после прокалки при этой температуре выход элементов при десорбции не позволяет использовать такую форму хранения.

Нитрат нептуния разлагается при температуре 150-180^oC, и полученная закись-окись нептуния полностью десорбируется после прокалки при температуре 220-425^oC и даже после прокалки при 650^oC десорбируется 55% нептуния. Дальнейшее повышение температуры прокалки резко снижает десорбируемость элементов.

Пример 2. Для достижения при необходимости полноты извлечения ТУЭ при десорбции в исходный раствор вводят специальные добавки - комплексообразователи. Добавки проверяют по операциям, аналогичным примеру 1. Результаты приведены в табл.2.

Оптимальным соединением являются сульфаты ТУЭ, выход при десорбции которых составляет более 99% Потеря воды X-водным сульфатом ТУЭ происходит при прокалке в диапазоне температур 220-280^oC. Однако как сульфат плутония, так и четырехводный сульфат плутония обладают исключительной устойчивостью к радиолизу.

Пример 3. Для снижения пылеуноса после операции насыщения проводят пропарку: после полного упаривания исходного раствора, но когда сам сорбент еще влажный, добавляют 3-5 мл горячей азотной кислоты с концентрацией 3 моль/л и высушивают силикагель до сыпучести.

Снижение пылеуноса достигается за счет "проталкивания" ТУЭ в более глубокий слой гранулы силикагеля с относительным обеднением поверхностного слоя, т. е. увеличением прочности фиксации. При этом выход ценного компонента за 4 операции десорбции не меняется, а уменьшается десорбция за первую операцию (см. табл. 3) на 10-12%

Об увеличении прочности фиксации можно также судить по уменьшению выщелачиваемости ТУЭ после прокалки насыщенного силикагеля при более высокой температуре. Выщелачивание проводят в статических условиях при температуре 25^oC азотной кислотой с концентрацией 10^-4 моль/л. Результаты приведены в табл. 4 для плутония и нептуния, из которых видно, что выщелачиваемость уменьшается в 2-4 раза.

Возможность дальнейшего использования проверяют по экстракции ТУЭ из десорбатов в 30% ТБФ в углеводородном разбавителе. Все показатели процесса экстракции были удовлетворительными. Все применяемые добавки используются в технологии регенерации ОЯТ, например в Пурекс- процессе, что делает возможным использование готовых продуктов, а коэффициент очистки превышает 210⁴. Так, перевод в предлагаемую форму хранения плутония на более ранней стадии технологии переработки позволяет уменьшить количество технологических операций и активных отходов, т.к. получаемый сейчас диоксид плутония может храниться только 2 года [1] после чего из-за накопления продуктов распада требуется повторная переработка. При отсутствии необходимости извлечения ТУЭ насыщенный силикагель можно прокалить при высокой температуре и захоронить [3]

Другое возможное использование предлагаемого способа это транспортировка ТУЭ, когда требуется надежность фиксации, отсутствие пылеуноса и легкоизвлекаемость. Сам силикагель может быть использован повторно, утилизирован в процессе [3] или при варке боросиликатного стекла.