способ стабилизации плутония в четырехвалентном состоянии в азотно-кислых растворах (варианты)

Формула изобретения

1. Способ стабилизации плутония в четырехвалентном состоянии в азотно-кислом растворе с использованием гидроксиламина, отличающийся тем, что в раствор с концентрацией азотной кислоты от 0,5 до 3 М, предпочтительно от 1 до 2,5 М, содержащий смесь валентных форм плутония Pu(VI) Pu(IV) и Pu(III), вводят гидроксиламин, раствор выдерживают при температуре от 20 до 40°С, предпочтительно от 25 до 35°С, в течение времени, необходимого для восстановления Pu(VI) до Pu(IV) и Pu(III), после чего концентрацию азотной кислоты доводят до 2,5-4М, предпочтительно от 2,5 до 3 М и выдерживают раствор при температуре от 20 до 40°С до скачкообразного возрастания окислительно-восстановительного потенциала раствора и увеличения его значения до +0,84÷+0,87 В, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную концентрацию гидроксиламина выбирают равной от 0,02 до 0,2 М, предпочтительно от 0,05 до 0,2 М.

3. Способ стабилизации плутония в четырехвалентном состоянии в азотно-кислом растворе с использованием гидроксиламина, отличающийся тем, что в растворе азотной кислоты, содержащем смесь валентных форм плутония Pu(VI), Pu(IV) и Pu(III), создают концентрацию азотной кислоты от 2 до 4М, в раствор вводят гидроксиламин и раствор выдерживают при температуре от 20 до 40°С до скачкообразного возрастания окислительно-восстановительного потенциала раствора и увеличения его значения до +0,84÷+0,87 В, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что начальную концентрацию гидроксиламина выбирают равной 0,05 до 0,2 М, предпочтительно от 0,1 до 0,2 М.

Описание изобретения к патенту

В настоящее время для регенерации и очистки плутония от радиоактивных продуктов деления при переработке отработавших ядерных материалов используется экстракционный метод, основанный на извлечении плутония из водных азотнокислых растворов органическими растворителями, в основном трибутилфосфатом (ТБФ) [В.И.Землянухин, Е.И.Ильенко, А.Н.Кондратьев и др. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., с.82]. Для достижения наиболее полного извлечения и очистки плутония необходимо стабилизировать его перед экстракцией в 4-валентном состоянии, обладающем максимальным коэффициентом распределения по сравнению с другими валентными формами плутония - Pu(III) и Pu(VI).

Известны способы стабилизации плутония(IV) в водных растворах, содержащих смесь валентных форм Pu(III), Pu(IV) и Pu(VI), с применением различных химических реагентов.

Описан способ стабилизации Pu(IV) в водных азотнокислых растворах, с применением пероксида водорода, Н₂О ₂, при концентрации азотной кислоты 5 М и температуре выше 50°С [С.Столер, Р.Ричардс. Переработка ядерного горючего. М.: Атомиздат, 1964 г., с.620].

Недостатком этого способа является невозможность осуществить стабилизацию Pu (IV) при невысокой кислотности (1-2 М HNO₃) и температуре 25-35°С, характерных для экстракционной переработки. Дополнительные сложности при использовании H₂O₂ обусловлены образованием в процессе стабилизации малорастворимых перекисных соединений Pu(IV), что создает угрозу безопасному проведению процесса стабилизации, особенно при высоком содержании плутония в растворе.

Описан способ стабилизации Pu(IV) с использованием растворов нитрита натрия - NaNO₂ [Плутоний. Справочник. Под ред. О.Вика, том 1. 1971, с.343, 351]. Недостатком этого способа является необходимость нагревания растворов с плутонием до высокой температуры (более 50°С). Другой недостаток - введение в перерабатываемые растворы ионов натрия, что исключает применение этого способа при подготовке растворов плутония к оксалатному осаждению. С целью исключения ионов натрия предложен [Р.Rance, В.Zilberman, Proceed. Int. Conf. "GIOBAL-2001", Paris, France, Sept. 9-13, 2001, paper № 314] способ стабилизации Pu(IV) с использованием оксидов азота, NO и NO₂, которые, как и нитрит натрия, при растворении в азотной кислоте образуют азотистую кислоту.

Недостатком этого метода является малая скорость восстановления Pu(VI) и, как следствие, необходимость проведения процесса при высокой температуре (не менее 60°С).

Наиболее распространенный способ стабилизации Pu(IV) в растворах, содержащих смесь валентных форм плутония, заключается в восстановлении Pu(VI) и Pu(IV) до Pu(III) и в последующем окислении Pu(III) до Pu(IV) нитритом натрия. Известен способ стабилизации Pu(IV), основанный на восстановлении плутония до Pu(III) гидразином [Э.М.Рогозина, Л.Ф.Конкина, Д.К.Попов. Радиохимия, 1973, т.15, № 1, с.61].

Недостатками этого способа являются низкая скорость восстановления плутония гидразином (по этой причине процесс проводят при повышенной температуре - 80°С) и образование нитрата аммония, приводящего к увеличению объема жидких радиоактивных отходов, поступающих на захоронение.

В другом способе в качестве восстановителя используется раствор Fe(II) в смеси с гидразином [Г.П.Никитина и др.. Радиохимия, 1975, т.17, № 4, с.573]. Этот способ позволяет восстановить плутоний до трехвалентного состояния при комнатной температуре, однако введение в растворы ионов железа не позволяет использовать его для стабилизации Pu(IV) перед оксалатным осаждением. Кроме того, образующийся нитрат железа дополнительно увеличивает содержание солей в жидких отходах.

Наиболее близким к заявляемому является способ стабилизации Pu(IV) (Патент США № 4011296, кл. C 01 G 043/00, 1977 г.), по которому сначала проводится восстановление плутония до трехвалентного состояния гидроксиламином при низкой кислотности, после чего полученный раствор вводится в кипящий раствор крепкой азотной кислоты и затем объединенный раствор упаривается в 2 раза.

Хотя в описании к указанному изобретению не указаны численные значения концентрации HNO₃ при осуществлении стабилизации Pu(IV), однако известно, что водные растворы после реэкстракции плутония разбавленной азотной кислотой, в которых по прототипу проводилось восстановление гидроксиламином, имеют кислотность менее 1 М HNO₃. Также из описания изобретения следует, что в растворе после упаривания плутоний(IV) присутствует в виде гексанитратного комплекса, Pu(NO₃ )₆ ^2-, и этот раствор поступает на сорбционное извлечение плутония. Известно [Егоров Е.В., Макарова С.Б. Ионный обмен в радиохимии. М.: Атомиздат, 1971, с.71, 125; Анисимов В.И., Козлов А.Г., Шурмель В.А. и др., Атомная энергия, 1977, т.42, №3, с.191], что оптимальной при сорбции плутония на анионобменной смоле является кислотность 7-7.5 М HNO₃ и, следовательно, концентрация кипящей азотной кислоты, в которую вводится раствор плутония, содержащий гидроксиламин, составляет не менее 3.5 М.

Недостатками прототипа являются:

- необходимость проведения стадии восстановления плутония при низкой кислотности, что создает условия для образования полимеров Pu(IV), особенно в растворах с высокой концентрацией плутония (несколько десятков г/л);

- проведение следующих за стадией восстановления операции при высокой температуре (˜100°С), что требует большого расхода тепла и приводит к образованию большого количества радиоактивных паров, газов и аэрозолей;

- многостадийность процесса стабилизации, включающего операции восстановления плутония до Pu(III), подкисления раствора и его упаривания;

- большая продолжительность процесса перехода плутония в трехвалентное состояние, обусловленная сильным торможением реакции восстановления Pu(IV) гидроксиламином ее продуктом - плутонием(IV) [Колтунов B.C., Журавлева Г.И., Радиохимия, 1978, т.20, № 1, с.94].

Технической задачей изобретения является ускорение химического процесса стабилизации Pu(IV). Решение этой задачи позволяет сократить число стадий процесса, снизить расход тепла на нагревание растворов и уменьшить выделение радиоактивных газов и аэрозолей.

В первом варианте заявляемого способа поставленная задача решается тем, что в известном способе стабилизации плутония в четырехвалентном состоянии в водном азотнокислом растворе (включающем восстановление Pu(VI) и Pu(IV) до Pu(III) гидроксиламином и последующее окисление Pu(III) при температуре ˜100°С) в раствор с концентрацией азотной кислоты от 0,5 до 3 М, предпочтительно от 1 до 2,5 М, содержащий смесь валентных форм плутония Pu(VI), Pu(IV) и Pu(III), вводят гидроксиламин, раствор выдерживают при температуре от 20 до 40°С, предпочтительно от 25 до 35°С, в течение времени, необходимого для восстановления Pu(VI) до Pu(IV) и Pu(III), после чего концентрацию азотной кислоты доводят до 2,5-4 М, предпочтительно от 2,5 до 3 М, и выдерживают раствор при температуре от 20 до 40°С до скачкообразного возрастания окислительно-восстановительного потенциала раствора и увеличения его до значения от +0,84 до +0,87 В, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

В частном случае осуществления первого варианта изобретения начальную концентрацию гидроксиламина выбирают равной от 0,02 до 0,2 М, предпочтительно от 0,05 до 0,2 М.

Нижний предел концентрации HNO₃ (0,5 М) ограничен полимеризацией плутония, особенно в растворах с высокой его концентрацией (несколько десятков г/л) и при повышенной температуре. Верхний предел концентрации HNO₃ (3 М) ограничен быстрым разложением гидроксиламина по его реакции с азотной кислотой, что приводит к неполному восстановлению Pu(VI), особенно при невысокой начальной концентрации гидроксиламина.

Величина начальной концентрации гидроксиламина должна выбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить полное восстановление Pu(VI) с учетом дополнительного расходования гидроксиламина в его параллельно протекающих реакциях с азотной и азотистой кислотами. Значение начальной концентрации гидроксиламина выбирается в зависимости от кислотности раствора и температуры. При низкой кислотности раствора (0,5-1 М HNO₃) и невысокой температуре 20-25°С минимальная величина начальной концентрации гидроксиламина составляет 0,02 М; при низкой кислотности и высокой температуре (40°С), а также при высокой кислотности (3 М HNO₃) и низкой температуре эта величина составляет 0,05 М; при высокой кислотности и высокой температуре она должна быть не менее 0,1 М.

Время, необходимое для восстановления Pu(VI), определяется либо экспериментально (например, спектрофотометрическим методом по поглощению света в области длины волны 830 нм), либо расчетным путем (по кинетическим уравнениям химических реакций, протекающих в растворе).

Процесс окисления плутония ведут при концентрации азотной кислоты от 2.5 до 3 М при температуре от 25 до 40°С до достижения величины окислительно-восстановительного потенциала раствора от +0,84 В до +0,87 В, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Численное значение потенциала зависит от концентрации HNO₃ (оно увеличивается с ростом кислотности).

В качестве восстановителя ионов плутония предлагается использовать нитрат гидроксиламина, разлагающийся под действием азотной кислоты до газообразной закиси азота, NaO, и воды и не приводящий к увеличению количества жидких радиоактивных отходов. Гидроксиламин достаточно быстро восстанавливает Pu(VI) даже при комнатной температуре (20-25°С) и при относительно высокой кислотности (более 1М HNO₃), тогда как полный переход плутония в трехвалентное состояние в этих условиях протекает существенно медленнее. Основная особенность процесса восстановления по предлагаемому способу состоит в том, что в отличие от прототипа не требуется переводить весь плутоний в трехвалентное состояние, а достаточно восстановить Pu(VI) до низших валентных форм Pu(IV) и Pu(III), что позволяет существенно сократить продолжительность стадии восстановления.

Окисление Pu(III) до Pu(IV) предлагается проводить либо путем подкисления раствора до концентрации HNO ₃ не менее 2,5 М (если кислотность раствора после стадии восстановления была меньше 2,5 М HNO₃), либо путем нагревания раствора до температуры выше 20°С (если температура раствора после стадии восстановления была меньше 20°С), либо одновременно путем подкисления и нагревания раствора.

Нижний предел концентрации HNO₃ в этом варианте осуществления изобретения связан с особенностями поведения гидроксиламина в растворах азотной кислоты, обусловленными конкуренцией двух параллельно протекающих реакций гидроксиламина с азотной и азотистой кислотами. Верхний предел концентрации HNO₃ связан с необходимостью обеспечить безопасное проведение процесса окисления (без пиковых выбросов газообразных продуктов).

Продолжительность процесса окисления (она снижается при увеличении концентрации азотной кислоты и температуры и при уменьшении концентрации гидроксиламина) определяется по изменению величины окислительно-восстановительного потенциала раствора, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Экспериментально установлено, что переход плутония в четырехвалентное состояние сопровождается увеличением окислительно-восстановительного потенциала раствора, измеряемого платиновым электродом относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Стабилизация плутония в четырехвалентном состоянии завершается после скачкообразного возрастания потенциала до значения, равного от +0,84 до +0,87 В (в зависимости от концентрации HNO₃).

В приведенных ниже примерах 1, 2 и 3 описано осуществление предлагаемого способа стабилизации четырехвалентного плутония по первому варианту на установке, схема которой показана на фиг.1, где

1 - реактор с рубашкой;

2 - солевой мостик;

3 - хлорсеребрянный электрод сравнения;

4 - измерительный электрод из платины;

5 - потенциометр;

6 - регистрирующий прибор.

На фиг.2 - изменение величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов) при окислении Pu(III) в растворе 2,7 М HNO₃, содержащем гидроксиламин.

На фиг.3 - изменение величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов) при окислении Pu(IV) гидроксиламином в растворе 2,6 М HNO₃.

Пример 1. В раствор с концентрацией азотной кислоты 1 М, содержащий 0,023 М Pu(VI) и 0,10 М Pu(IV), вводится гидроксиламин до концентрации 0,2 М, раствор выдерживается при температуре 25°С в течение 30 мин. Затем в раствор помещается измерительный электрод из платины для измерения величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов) и раствор подкисляется до концентрации HNO₃, равной 3 М. В процессе подкисления происходит скачок Е_ов до величины +0,846 В. Спектрофотометрический анализ полученного раствора указывает на отсутствие в растворе других валентных форм плутония, кроме плутония(IV).

Пример 2. В раствор с концентрацией азотной кислоты 1 М, содержащий 0,020 М Pu(VI) и 0,084 М Pu(IV), вводится гидроксиламин до концентрации 0,1М, и раствор выдерживается при температуре 25°С в течение 35 мин. Затем в раствор помещается измерительный электрод из платины для непрерывной регистрации изменения величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов), и раствор подкисляется до концентрации HNO₃, равной 2,7 М. Спустя 20 мин происходит скачок Е_ов до +0,844 В (фиг.2). Спектрофотометрический анализ полученного раствора указывает на присутствие плутония в растворе только в четырехвалентном состоянии.

Пример 3. В раствор с концентрацией азотной кислоты 2,5 М, содержащий 0,017 М Pu(VI) и 0,077 М Pu(IV), вводится гидроксиламин до концентрации 0,1 М, раствор выдерживается при температуре 25°С в течение 30 мин. Затем в раствор помещается измерительный электрод из платины, и раствор нагревается до температуры 40°С; одновременно производится непрерывная регистрация изменения величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов). Спустя 15 мин происходит скачок Е_ов до значения +0,845 В. Спектрофотометрический анализ полученного раствора указывает на отсутствие в растворе других валентных форм плутония, кроме плутония(IV).

Во втором варианте заявляемого способа поставленная задача решается тем, что в известном способе стабилизации плутония в четырехвалентном состоянии в водном азотнокислом растворе (включающем восстановление Pu(VI) и Pu(IV) до Pu(III) гидроксиламином и последующее окисление Pu(III) при температуре ˜100°С) в растворе азотной кислоты, содержащем смесь валентных форм плутония Pu(VI), Pu(IV) и Pu(III), создается концентрация азотной кислоты от 2 до 4 М, в раствор вводится гидроксиламин и полученный раствор выдерживают при температуре от 20 до 40°С до скачкообразного возрастания окислительно-восстановительного потенциала раствора и увеличения его до значения от +0,84 до +0,87 В, измеряемого относительно хлорсеребряного электрода сравнения.

В частном случае осуществления второго варианта изобретения начальная концентрация гидроксиламина выбирается равной от 0,05 до 0,2 М, предпочтительно от 0,1 до 0,2 М.

Стабилизацию Pu(IV) при низкой кислотности (2 М HNO₃) предпочтительно осуществлять при нагревании раствора до температуры 35-40°С и при концентрации гидроксиламина 0,05-0,1 М (в зависимости от концентрации плутония), а при высокой кислотности (4М HNO₃) - при комнатной температуре и концентрации гидроксиламина 0,2 М.

В примерах 4, 5 и 6 описывается осуществление предлагаемого способа стабилизации четырехвалентного плутония по второму варианту на лабораторной установке, показанной на фиг.1.

Пример 4. В раствор с концентрацией азотной кислоты 2,6 М, содержащий 0,025 М Pu(VI) и 0,078 М Pu(IV) и имеющий температуру 25°С, помещается измерительный электрод из платины, вводится гидроксиламин до концентрации 0,1 М, и раствор нагревается до температуры 40°С с непрерывной записью изменения величины окислительно-восстановительного потенциала раствора (Е_ов). После скачка Е_ов до величины +0,856 В (фиг.3) производится запись спектра поглощения раствора, который указывает на отсутствие в растворе других валентных форм плутония, кроме плутония(IV).

Пример 5. В раствор с концентрацией азотной кислоты 4,1 М, содержащий 0,016 М Pu(VI) и 0,050 М Pu(IV) и имеющий температуру 20°С, помещается измерительный электрод из платины и вводится гидроксиламин до концентрации 0,2 М. Через 48 мин происходит скачок Е_ов до величины +0,870 В. Спектр поглощения конечного раствора указывает на отсутствие в растворе других валентных форм плутония, кроме плутония(IV).

Пример 6. В раствор с концентрацией азотной кислоты 2 М, содержащий 0,024 М Pu(VI) и 0,044 М Pu(IV) и имеющий температуру 22°С, помещается измерительный электрод из платины и вводится гидроксиламин до концентрации 0,1 М. Через 16 минут происходит скачок Вов до величины +0,840 В. Спектр поглощения конечного раствора указывает на отсутствие в растворе других валентных форм плутония, кроме плутония(IV).

По сравнению с известными способами, в том числе с прототипом, предлагаемый способ позволяет проводить процесс стабилизации Pu(IV) в одну стадию в широком интервале кислотности раствора (от 2 до 4 М HNO₃) при невысоких температурах (от 20 до 40°С) за короткое время (в оптимальных условиях за 20-30 мин). Плутоний (IV) в растворах, полученных по предлагаемому способу, устойчив при хранении и не изменяет своей валентности в течение, по меньшей мере, 15 дней при комнатной температуре.