способ растворения металлического урана и отработавшего ядерного топлива на его основе

Формула изобретения

1. Способ растворения металлического урана и ОЯТ на его основе, заключающийся в порционном растворении урана или ОЯТ при повышенной температуре с получением концентрированных по урану растворов, отличающийся тем, что растворение проводят при температуре 80-95°С в присутствии порошкообразных кислородных соединений урана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного кислородного соединения урана используют закись-окись урана U ₃O₈.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что массовое отношение металлического урана к кислородному соединению урана составляет 5-10.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к области переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в технологических схемах переработки металлического урана и ОЯТ на основе металлического урана.

В настоящее время для растворения металлического урана и ОЯТ на основе металлического урана используют концентрированные растворы азотной кислоты. Непрерывные экстракционные процессы переработки растворов от растворения ОЯТ требуют организации достаточно высокой скорости растворения ОЯТ. Скорость растворения в сильной степени зависит от общей площади поверхности металлического урана, поэтому в ряде случаев для увеличения площади поверхности и скорости растворения, соответственно, загружают в аппарат растворитель урана, дробленный на куски (см. Переработка топлива энергетических реакторов. Сборник статей, пер. с англ. Э.А.Межова, B.C.Шмидта. Под ред. В.Б.Шевченко. - М.: Атомиздат, 1972 г.). Недостатком данного способа является то, что измельчение слитков урана - очень трудоемкая и дорогостоящая операция, которая заметно ухудшает экономические показатели процесса переработки ОЯТ.

Известен способ переработки ОЯТ на основе металлического урана, в котором для увеличения скорости растворения урана в азотной кислоте осуществляли введения комплексообразующих добавок: HF, (NH₄)₂SiF₆, CaF₂, (NH₄)S₂O₈ и Na₂SO ₄ (см. С.М.Стелер, Р.Ричардс. Переработка ядерного горючего. - Пер. с англ. под ред. A.M.Зефирова. - М.: Атомиздат, 1964 г.). Однако эти добавки увеличивают лишь начальную скорость растворения урана и их влияние затем подавляется растворенным ураном, в результате чего добавки не оказывают существенного влияния на общую скорость растворения урана.

Известен способ переработки ОЯТ на основе металлического урана с добавкой фосфорной кислоты в качестве катализатора. В этом способе невысокие концентрации фосфорной кислоты 0,01-0,15 М увеличивают скорость растворения урана в 5-10 М HNO₃ (см. С.М.Стелер, Р.Ричардс. Переработка ядерного горючего. - Пер. с англ. под ред. A.M.Зефирова. - М.: Атомиздат, 1964 г.). Недостатком известного способа является то, что скорость растворения замедляется при более высокой концентрации фосфорной кислоты или при более низких концентрациях азотной кислоты и возможность образования малорастворимых соединений на основе фосфатов циркония, ниобия, плутония и фосфомолибдатов, а также повышение солесодержания образующихся при переработке ОЯТ отходов.

Наиболее близким способом к заявляемому, выбранным в качестве прототипа, является растворение металлического урана или ОЯТ на основе металлического урана в 6-11 М азотной кислоты при температуре кипения раствора 95-110°С, причем скорость растворения повышается с ростом концентрации кислоты и урана в растворе. Однако данный способ повышения скорости растворения приводит к значительному парообразованию и разложению азотной кислоты и увеличению ее удельного расхода, что в свою очередь приводит к дополнительным затратам на растворение урана или ОЯТ.

Целью настоящего изобретения является повышение скорости растворения металлического урана и ОЯТ на основе металлического урана и снижение удельного расхода азотной кислоты на процесс растворения.

Поставленная цель достигается тем, что для эффективного растворения металлического урана в растворе азотной кислоты процесс растворения металлического урана и ОЯТ на его основе проводят в присутствии порошкообразных кислородных соединений урана при массовом соотношении металлического урана к порошкообразному кислородному соединению урана, равном 5-10, и процесс растворения ведут при температуре 80-95°С. В этом случае кислородные соединения урана в первую очередь начинают растворяться в азотной кислоте, при этом повышается концентрация урана в растворе, что приводит к повышению скорости растворения металлического урана. А в связи с тем, что процесс проводят при сравнительно низких температурах (ниже температур интенсивного кипения и разложения азотной кислоты), при растворении урана не происходит повышенного удельного расхода азотной кислоты.

ПРИМЕР

В аппарат-растворитель объемом 1 дм³, изготовленный из нержавеющей стали, загружали предварительно взвешенный и освобожденный от алюминиевой оболочки слиток металлического урана. Добавляли заданное количество кислородного соединения урана - закиси-окиси урана (U₃O₈ ). Заливали стехиометрическое количество 8 М азотной кислоты. Растворение проводили при температуре 80-95°С. В этом же аппарате-растворителе проводили растворение слитка металлического урана по способу, выбранному в качестве прототипа, - в азотной кислоте 8 М при температуре 95-110°С. Результаты опытов приведены в таблице. Как видно из данных, представленных в таблице, на растворение металлического урана близкой массы при температуре 80-95°С по предлагаемому способу потребовалось в 2,5 раза меньше времени, т.е. скорость растворения была значительно выше, и в 1,6-1,7 раза меньше азотной кислоты, нежели при растворении по способу-прототипу. При растворении урана в присутствии оксидов урана при температуре ниже 80°С скорость растворения снижается, а при температуре выше 95°С происходит увеличение удельного расхода азотной кислоты.

Таблица
Результаты опытов по растворению слитков металлического урана
№ опыта	Продолжительность опыта, ч	Температура опыта, °С	Масса U блока, г	Масса U3O8, г	Масса израсходованной HNO3, г	Масса растворившегося U, г	Удельный расход НNО3, г/г U
1	2	95	1515	353	434	705	0,616
2	2	80	1515	353	350	566	0,619
3	6	50	1515	353	12,4	20	0,620
4	2	110	1515	353	484	538	0,909
5	5	110	1768	OTCT.	681	643	1,060

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только повысить скорость растворения металлического урана, но и снизить удельный расход азотной кислоты.