способ переработки плутония

Формула изобретения

Способ переработки плутония с получением рафинированного металла, включающий две стадии очистки с использованием расплава соли MgCl₂ на первой стадии, отличающийся тем, что массовое соотношение Pu : MgCl₂ на первой стадии выбирают равным (50-100):1, а на второй стадии плутоний подвергают анодному растворению в галогенидном расплаве с получением на катоде целевого продукта для производства реакторного топлива энергетического назначения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу переработки металлического плутония от радиогенных и балластных примесей с получением рафинированного металла для производства реакторного топлива энергетического назначения.

Известен способ переработки плутония, включающий очистку от металлических примесей, методом ликвации (Уилкинсон У.Д. Металлургия и металловедение плутония и его сплавов, М.: Госатомиздат, 1962, с. 94-101). По этому способу загрязненный металлическими примесями плутоний расплавляли в атмосфере гелия и выдерживали металл в жидком состоянии при температуре 600 - 800^oC в течение длительного времени (до 150 часов) и затем расплав фильтровали через фильтр из спеченного танталового порошка в танталовый тигель-приемник. Метод ликвидации позволяет очищать плутоний от циркония, ниобия, молибдена и лантана, которые концентрируются в твердой фазе на фильтре.

Предложен способ рафинирования плутония методом вакуумного переплава (Плутоний. Сборник докладов, М. : Атомиздат, 1964, с.139-140). По этому способу расплавленный металлический плутоний выдерживали в жидком состоянии в течение 1 часа при температуре 1000^oC в глубоком вакууме (P 110^-4 мм рт. ст.). При этом из расплавленного плутония практически полностью испаряются натрий, магний, литий и кальций.

Однако от других легких элементов (алюминия, бора, бериллия и кремния) очистки не происходит, а марганца испаряется ~15% от его первоначального содержания в плутонии. Недостатки приведенных способов - не достигается очистка от ряда балластных примесей.

Известен способ переработки и очистки плутония электронно-лучевым переплавом с отгонкой и конденсацией америция и ряда других элементов (Патент РФ N 2131477, опубл. 10.06.99, МПК C 22 B 60/04). В этом способе поверхность зеркала испарения расплавленного плутония обрабатывали в течение 45 - 120 минут электронным лучом при температуре в приповерхностном слое металла 1300 - 1700^oC. Отгонку америция и других металлических элементов проводили в рабочей камере при высоком вакууме. Способ позволяет очистить плутоний от америция с коэффициентом очистки К₀, равным 80-100, а также от металлических примесей с относительно низкой температурой кипения (до 1500^oC), таких как, например, натрий, калий, магний, кальций, литий. Недостатки способа - сложное технологическое оборудование, невысокая степень очистки от элементов с высокой температурой кипения (железо, никель, хром, вольфрам и др.) и серьезные проблемы, связанные с безопасным хранением и переработкой радиационно-опасных возгонов, представляющих собой смесь плутония и америция.

Известен способ очистки плутония от америция в расплаве хлористого лития с использованием гальванической пары плутоний - литий - висмутовый сплав, содержащий от 1,65x10^-4 до 5,710^-4 мол. долей лития (Mailen J.C., Ferris L. M. "Distribution of transuranium elements between molten lithium chloride and Li-Bi solutions", Inorg. Nucl. Chem. Left, 1971, V.7, N 5, p.431-438). Показано, что при температуре 640^oC жидкий литий-висмутовый сплав обогащается плутонием, а средняя величина коэффициента очистки плутония от америция по шести экспериментам составила K₀-1,7. Недостаток способа - низкий коэффициент очистки плутония от америция.

Известен электролитический способ переработки и очистки металлического плутония в расплаве эквимолярной смеси хлоридов калия и натрия, содержащем 10 мас.% трихлорида или трифторида плутония, при температуре 700^oC (Mullius L. J. , Leary J.A. "Fused - salt electrorefining of molten plutonium and its alloys by the Lawer Processe". - Industrial and Engineering Chemistry, Process Desing and Development, 1965, V.4, n.4, p.394-400. Mullius L.J., Leary J. A. , Morgen W.J. "Plutonium electrorefining".- Industrial and Engineering Chemistry, Process Desing and Development, 1963, V.2, n.1, p.20-24). Электролитический способ рафинирования не требует переводить очищаемый плутоний в какое-либо химическое соединение, так как в процессе рафинирования плутоний из анода переходит в электролит в виде ионов трехвалентного плутония, а на катоде эти ионы разряжаются до металла. Таким образом происходит переход плутония из одного металлического состояния в другое. При этом более электроположительные по сравнению с плутонием элементы (Fe, Ni, Cr, U, Al и др.) остаются в анодном остатке, а более электроотрицательные (Na, K, Ca, Am, Th и др. ) переходят в солевой расплав (электролит) и накапливаются в нем, не разряжаясь на катоде. Способ позволяет приготавливать рафинированный плутоний с суммарным содержанием определяемых элементов в пределах 0,02 - 0,03 мас.%, а приготовленный таким образом металл может быть использован для производства химически чистого реакторного топлива с улучшенными характеристиками, например, в виде микротвэлов на основе оксидов плутония для энергетических реакторов типа ГТ-МГР с высокой степенью выгорания горючего.

Известен способ очистки плутония от америция, заключающийся в обработке жидкого металла расплавом смеси хлоридов KCl-NaCl-MgCl₂ при температуре 750^oC (James D. "Navratil Americhium-241 process technology", - Actinides-89. Abstracts of International conference. Tashkent, USSR, September 24-29, 1989. - M. : Nauka, 1989, p. 25-26). По этому способу 2 кг металлического плутония с содержанием Am ~0,15 мас.% расплавляли в атмосфере аргона и при температуре 750^oC подвергали в течение 60 минут 2-стадийному контактированию с солевым расплавом 34,9 KCl - 27,1 NaCl - 38,0 MgCl₂ (мас.%), взятом в количестве 255,0 г (массовое соотношение плутоний : солевой расплав = 7,8 : 1).

После проведения операции очистки и охлаждения вес слитка плутония уменьшился и составил 1940 г при содержании в нем америция 0,015 мас.%, а вес солевого слитка увеличился и составил 317,7 г при содержании в нем америция 0,8 мас. %; коэффициент очистки плутония от америция составил К₀ = 10,3, данных по очистке от балластных примесей не приводится. Способ, выбранный в качестве прототипа заявляемому изобретению, основан на экстракции америция из жидкого плутония в солевой расплав.

Техническим результатом предложенного способа переработки плутония является более глубокая очистка металла от радиогенных (в частности америция) и других элементов при значительном сокращении - по сравнению с прототипом - количества радиационно-опасных отходов.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки плутония с получением рафинированного металла, включающем две стадии очистки с использованием расплава соли MgCl на первой стадии, согласно изобретению, массовое соотношение Pu : MgCl на первой стадии выбирают равным (50-100):1, а на второй стадии плутоний подвергают анодному растворению в галогенидном расплаве с получением на катоде целевого продукта для производства реакторного топлива энергетического назначения.

Сущность способа поясняется примером.

Пример

На первой стадии проводят экстракционный процесс в системе расплавленный плутоний - расплавленный хлорид магния при массовом соотношении Pu:MgCl₂ = (50-100):1, в результате которого происходит экстракция америция из плутония в солевую фазу. На этой стадии удаляют основное количество америция (до 90%), содержащегося в плутонии. Плутоний после экстракционной очистки, отлитый на этой операции в слиток, анализируют на содержание америция и других элементов и после получения результатов анализа направляют на электролитическое рафинирование в солевом расплаве.

Электролитическое рафинирование плутония проводят в электролизной ячейке, которая включает в себя керамический тигель, изготовленный, например, из оксида магния, с катодным и анодным отделениями, вольфрамовый катод, жидкий плутониевый анод, керамическую мешалку для перемешивания электролита, токоподводы к катоду и аноду. Для приготовления электролита используют эквимолярную смесь KCl-NaCl, содержащую 3-5 мас.% MgCl₂.

После размещения слитка плутония в анодном отделении керамического тигля и установки катода и мешалки в рабочее положение тигель загружают галогенидными солями, предварительно обезвоженными вакуумной сушкой, и загруженную электролизную сборку, защищенную охранным стаканом из жаропрочной стали, опускают в электролизный аппарат. Аппарат герметизируют, вакуумируют, заполняют очищенным аргоном и нагревают до температуры расплавления плутония и солей, после чего пропускают через расплавленные соли (электролит) постоянный ток от выпрямительного агрегата.

Процесс осуществляют при температуре 700-750^oC, катодной плотности тока 0,05-0,1 А/см², анодной плотности тока 0,45-0,9 А/см² с перемешиванием электролита, и после его окончания электролизный аппарат охлаждают, извлекают электролизную ячейку и производят ее разборку. От металлического плутония, выделившегося на катоде, отбирают пробу (в виде стружки) для определения в нем содержания анализируемых элементов (металлических и неметаллических). Рафинированный плутоний используют для энергетических целей.

Образующиеся при реализации способа отходы (керамический бой, солевые расплавы, отработанный электролит, анодные остатки и др.) перерабатывают по стандартной гидрометаллургической технологии с использованием оксалатной и сорбционной схем переработки и очистки плутониевых растворов, в результате которых осуществляется регенерация плутония и вывод радиогенных и балластных примесей из технологической цепочки с водно-хвостовыми растворами.

Предложенный в заявляемом изобретении способ позволяет очищать плутоний от радиогенных примесей, например америция, концентрируя основное их количество в минимальной массе хлорида магния, и получать рафинированный плутоний высокой степени чистоты. Предполагается, что коэффициент очистки плутония, например, от америция составит К₀=80-100, а количество радиационноопасных отходов уменьшится по сравнению с прототипом в 6-10 раз.