Способ переработки оксалатных маточных растворов и пульпообразных отходов, содержащих трансурановые элементы

Классификация по МПК: G21F

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2474898
Дата публикации: 
Воскресенье, Февраль 10, 2013
Начало действия патента: 
Понедельник, Июнь 27, 2011

Изобретение относится к области переработки жидких и пульпообразных радиоактивных отходов (РАО), образующихся при регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в радиохимической промышленности. Способ переработки оксалатных маточных растворов радиохимического производства, содержащих трансурановые элементы, включает разрушение в маточных растворах оксалат-ионов азотной кислотой в присутствии ионов металлов переменной валентности. Переработку оксалатного маточного раствора и пульпообразных отходов осуществляют совместно путем смешивания маточного раствора с твердой фазой гидроксидной пульпы. Изобретение позволяет снизить энергетические затраты и уменьшить массу образующихся РАО. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.


Изобретение относится к области переработки жидких и пульпообразных радиоактивных отходов (РАО), образующихся при регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в радиохимической промышленности.

На многих предприятиях по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) накоплены гидроксидные пульпообразные РАО, содержащие актиноидные элементы и ионы металлов переменной валентности. Ужесточение требований, предъявляемых к хранению РАО, вызывает необходимость переработки таких РАО. Для растворения гидроксидных пульпообразных РАО обычно используют растворы азотной кислоты, содержащие окислители или восстановители [Захарова Е.В., Ермолаев В.М., Бондин В.В. и др. Изучение возможности использования растворов различного состава для дезактивации производственных труднорастворимых осадков от радионуклидов, в первую очередь от плутония. Отчет ИФХ РАН и ГХК, 2003 г. Инв. №13-16/1250 от 23.09.03]. После растворения пульп для извлечения из них актиноидных элементов используют, как правило, экстракционный способ переработки.

В то же время на предприятиях по переработке ОЯТ одной из завершающих стадий переработки ОЯТ является оксалатное осаждение трансурановых элементов (ТУЭ). Использование этой операции в технологических схемах связано с определенными трудностями, обусловленными неизбежным получением относительно больших объемов оксалатных маточных растворов. Данные растворы не являются сбросными, так как содержат до 100 мг/л ТУЭ. Концентрация азотной кислоты в оксалатном маточном растворе составляет 160-200 г/л. Вернуть маточные растворы в экстракционный цикл не позволяет содержание в них до 10 г/л щавелевой кислоты, которая существенно влияет на экстракционное поведение урана, плутония и нептуния. Для того чтобы оксалатные маточные растворы, содержащие ТУЭ, переработать, необходимо предварительно разрушить в них оксалат-ионы.

Известен способ разрушения оксалат-ионов при упарке маточных растворов азотной кислотой с концентрацией 12 моль/л [Jenkins J.L., Keen N.I., Wain A.G. Extractive and physical metallurgy of plutonium and it's alloys. New York: Intersci. Publ. 1960. Р.25].

Недостатками данного способа являются: низкая скорость окисления щавелевой кислоты нитрат-ионами и значительные энергетические затраты.

Известен способ разрушения оксалат-ионов окислением их сильными окислителями [Плутоний. Справочник под редакцией Вика. - М.: Атомиздат, 1971, т. С.408-409].

Недостатками данного способа являются: большой расход окислителей и увеличение массы радиоактивно загрязненных солей, образующихся в результате использования способа, нуждающихся в последующей переработке и иммобилизации.

Известен способ утилизации маточных растворов окислением оксалат-ионов азотной кислотой в присутствии катализатора - ионов металлов с переменной валентностью, в качестве которого используют ионы марганца. Для этого маточный раствор вводят в контакт с силикагелем, содержащим ионы марганца. Процесс ведут при нагревании до полного упаривания водных растворов [Патент Российской Федерации №2111562, кл. G21F 9/04, G21F 9/16 от 20.05.1998]. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатками данного способа являются высокие энергетические затраты и увеличение массы РАО за счет использования дополнительного реагента - силикагель с солями марганца, нуждающимися в последующей переработке и иммобилизации.

Целью предлагаемого способа является снижение энергетических затрат и уменьшение массы образующихся РАО за счет использования совместной переработки маточников, содержащих трансурановые элементы, и твердой фазы гидроксидной пульпы - отхода радиохимического производства.

Поставленная цель достигается тем, что вместо применяемого в известном способе радиационно чистого силикагеля, содержащего марганец, используют отход радиохимического производства - гидроксидную радиоактивную пульпу, содержащую актиноидные элементы и ионы металлов переменной валентности, в присутствии которых происходит разрушение оксалат-ионов. Концентрация азотной кислоты в оксалатных маточных растворах, направляемых на контактирование с твердой фазой пульп, составляет 60-200 г/л.

Использование данной пульпы позволяет разрушать оксалат-ионы в растворе при комнатной температуре и не создает увеличения массы образующихся РАО за счет исключения применения дополнительных радиационно чистых реагентов.

Заявляемый способ проверен в лабораторных условиях. В эксперименте использовали производственный маточный раствор, образовавшийся при переработке облученного ядерного топлива (см. таблица 1, раствор 1). Кроме того, обработки проведены с растворами 2 и 3 (таблица 1), полученными разбавлением исходного маточного раствора дистиллированной водой в 2 и 3 раза, соответственно.

Таблица 1
Составы растворов, взятых для обработки
Номер обработки и раствора HNO3, г/л H2C2O4, г/л Рu, мг/л U, г/л NH4NO3, г/л
Раствор 1 190 8 41 13,2 30
Раствор 2 95 4 20,5 6,6 15
Раствор 3 63 2,7 13,7 4,4 10

Обработку растворов по предлагаемому способу проводили твердой фазой гидроксидной радиоактивной пульпы, состав которой приведен в таблице 2.

Таблица 2
Состав гидроксидной пульпы
Компонент или показатель Размерность Величина компонента или показателя
Плутоний мг/л 37,0
Уран г/л 14,8
МЭД мкР/л·с 11,1
Активность β-излучающих нуклидов Кu/л 2,9
Алюминий г/л 1,8
Марганец г/л 3,1
Железо г/л 11,4
Хром г/л 3,2
Диоксид кремния г/л 5,2
Никель г/л 3,1
Нитрат натрия г/л 334
Карбонат натрия г/л <2,0
Гидроксид натрия г/л 7,3
Нерастворимая в воде твердая фаза г/л 57,7

В эксперименте по предлагаемому способу использовали порции гидроксидной пульпы объемом по 4 мл. Объем растворов перед обработкой составлял по 50 мл. Температура растворов при обработке образцами твердой фазы составляла 20-22°С. Длительность контакта растворов с образцами твердой фазы при перемешивании составляла 4 ч. Остаток нерастворившейся твердой фазы пульпы подсоединяют к следующей порции пульпы, направляемой для контактирования с новой порцией оксалатного маточного раствора. Выполнение примеров осуществляли в мерных стеклянных цилиндрах.

Результаты, представленные в таблице 3, показывают, что в ходе обработки исходного маточника или его разбавленных растворов происходит разрушение оксалат-ионов. В полученных декантатах происходит снижение общей кислотности раствора за счет разрушения оксалат-ионов и азотной кислоты в ходе окислительно-восстановительных реакций и частичной нейтрализации кислоты гидроксидами металлов. По своему химическому составу полученные растворы пригодны для переработки экстракционными методами.