способ извлечения плутония из стекловолокнистых аэрозольных фильтров, содержащих бор

Формула изобретения

1. Способ извлечения плутония из стекловолокнистых аэрозольных фильтров, содержащих бор, включающий щелочное вскрытие отработанного фильтрующего материала, обработку нерастворимого осадка смесью водных растворов азотной и плавиковой кислот, сорбционную очистку от примесей, отличающийся тем, что щелочное вскрытие проводят в присутствии магнийсодержащего реагента при количественном отношении масс в пересчете на оксиды магния и бора не менее 0,85 с последующим осаждением оксалата плутония из растворов сорбционной очистки и прокалкой до получения диоксида плутония.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнийсодержащего реагента используют карбонат магния.

Описание изобретения к патенту

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 ,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 MgCO ₃ 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% В₂ О₃ (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:B₂ O₃=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.

Таблица 1 Содержание бора в кислых растворах и конечном продукте
Массовое соотношение МgO:В 2O3	Концентрация бора в азотнокислом плутониевом растворе, мг/л	Содержание бора в PuO2 , % масс.
0,6	42-46	2·10-3
0,7	28-32	4·10-4
0,8	14-18	2·10-4
0,85	8-8,6	0,7·10 -4
0,90	8-9	0,4·10 -4

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что PuO ₂ 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.