Способ переработки фторидов тяжелых металлов

Способ переработки фторидов тяжелых металлов

Реферат

Изобретение относится к области переработки материалов с радиоактивным заражением, в частности к способу переработки фторидов тяжелых металлов, образующихся в ядерной технологии, например гексафторида урана, и может найти применение в атомной и металлургической промышленности.

Одной из проблем фторидной технологии является гексафторид урана, образующийся как отход основного производства, к хранению которого предъявляются особые требования, так как гексафторид урана UF₆ очень реакционноспособное гигроскопическое вещество, которое при взаимодействии с влагой воздуха образует уранилфторид UO₂F₂ в виде белого дыма и плавиковую кислоту HF. Уран и его соединения обладают токсическим воздействием на организм человека, а главную опасность представляет утечка гексафторид урана в окружающую среду, так как фториды урана обладают высокой степенью летучести.

Известен способ переработки фторидов тяжелых металлов путем обжига в печи в присутствии водяного пара и водорода с организацией непрерывного потока UO₂ (см. Легасов В.А. Справочник по ядерной энерготехнологии. - М.: Энергоиздат, 1989. - 122 с.).

К недостаткам, препятствующим получению указанного ниже технического результата, относится то, что реагентами являются водяной пар Н₂О и водород H₂, образующие плавиковую кислоту HF при взаимодействии с UF₆. Плавиковая кислота провоцирует обратный процесс образования UF₆, что снижает качество получаемого урана UO₂.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ переработки фторидов тяжелых металлов, при котором фториды тяжелых металлов смешивают с восстановителем и фторсвязующим компонентом, смесь подвергают термообработке и образующиеся аэрозоли охлаждают с последующим их разделением на твердую и газообразную фракции (см. Подкидышев А.М., Царенко И.А. "Восстановление гексафторида плутония газообразными реагентами", Атомная энергия. 2003. - Т.95, вып.4. - С.288-295), который и был выбран заявителем за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе в качестве восстановителя и фторсвязующего компонента используют водород или водородосодержащие соединения. При этом необходимо корректировать состав получаемого оксидного соединения урана на стадии выделения твердой фазы, так как, наряду с диоксидом урана, получается закись - окись урана U₃O₈. Кроме того, технологический процесс получения химически чистой двуокиси урана осложнен тем, что образующийся в результате химической реакции фтористый водород имеет высокую степень агрессивности и при определенных условиях способен реагировать с оксидами урана, образовывая при этом твердые малолетучие фторидные соединения урана.

Задача изобретения заключается в том, чтобы исключить водород и его соединения при переработке фторидов тяжелых металлов, в частности при переработке гексафторида урана в диоксид урана, и одновременно создать условия для разделения диоксида урана, и получить вновь образуемые в ходе реакции экологически безопасные соединения.

Технический результат изобретения заключается в упрощении технологического процесса с повышением эффективности прямого одностадийного восстановления фторидов тяжелых металлов, в частности гексафторида урана, за счет исключения образования фтористого водорода.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается с помощью того, что при переработке фториды тяжелых металлов смешивают с восстановителем, не содержащим атомов водорода, и фторсвязующим компонентом, подвергают термообработке и образующиеся аэрозоли охлаждают с последующим их разделением на твердую и газообразную фракции. Восстановитель включает в себя фторсвязующую компоненту, в качестве которой применяют углерод, серу, легкие металлы и их кислородсодержащие соединения.

Кроме того, термообработку могут проводить в плазменной среде с ионизацией образующихся газов.

Термообработке последовательно могут подвергать каждый компонент в отдельности и их смесь.

Отсутствие в составе реакционной смеси атомов водорода исключает образование фтористого водорода, являющегося сильным фторирующим агентом для тяжелых металлов, а также их соединений и при использовании данного изобретения нет необходимости создавать отдельно выделенные производства для утилизации образующегося фтористого водорода или для его перевода в экологически безопасные формы.

Использование в качестве фторсвязующего компонента углерода, серы, легких металлов и их кислородсодержащих соединений приводит к образованию фторидов углерода, серы и легких металлов, не являющихся фторирующими агентами для тяжелых металлов в широкой области температур. В силу этого процесс дефторирования фторидов тяжелых металлов проходит более глубоко. Кроме того, в процессе дефторирования с использованием восстановителей и фторсвязующих компонентов, не содержащих атомов водорода, не требуется проведения резкого охлаждения ("закалки") отходящих реакционных газов, что значительно упрощает технологический процесс. Предлагаемые в изобретении фторсвязующие компоненты не требуют использования специальных устойчивых к коррозии материалов.

То, что восстановитель включает в себя фторсвязующую компоненту позволяет упростить технологический процесс за счет сокращения технологической операции. Термообработка в плазменной среде с ионизацией образующихся газов позволяет ускорить протекание всех химических процессов.

Сущность изобретения поясняется иллюстрацией.

На чертеже представлена принципиальная технологическая схема переработки гексафторида урана.

Газообразный гексафторид урана из испарителя 1 подается в плазмотронный нагреватель 2, откуда термообработанный ионизированный газ поступает в реактор-смеситель 3 с одновременной подачей в реактор-смеситель порошка углерода (восстановителя) из емкости с углеродом 4 и кислорода (окислителя) из кислородной емкости 5 с одновременной их термообработкой. При этом гексафторид урана, кислород и углерод вводятся в следующем мольном соотношении 2:3:4, соответственно. При этом протекают химические реакции, описываемые общим уравнением

2UF₆+3O₂+4C=2UO₂+3CF₄+CO₂.

При избытке углерода возможно образование монооксида углерода. Аэрозоль, полученную в результате реакции, охлаждают в холодильнике 6, а в вихревом разделителе 7 разделяют на твердую и газообразную фракции. Отделенная твердая фаза в виде диоксида урана через разгрузитель 8 собирается в сборнике твердой фазы 9 и выводится из процесса. Газовая фаза через металлокерамический фильтр 10 подается в конденсатор 11 для отделения четырехфтористого углерода от диоксида углерода. Сжиженный диоксид углерода компрессором 12 подается в емкость углекислоты 13. При этом газовая фаза, состоящая из четырехфтористого углерода, дополнительно очищается от следовых концентраций твердой фазы. Очищенная газовая фаза, состоящая из четырехфтористого углерода, компримируется компрессором 14 и собирается в емкость 15.

Четырехфтористый углерод, выделенный при переработке гексафторида урана углеродом и кислородом, из-за своей химической инертности не является фторирующим агентом как для самого урана, так и для его оксидных форм, что значительно увеличивает процент перевода гексафторида урана в диоксид урана.

Полученные в процессе переработки химические вещества не вызывают коррозию и взрывобезопасны, что снижает требования к конструкционным материалам используемого оборудования. Они также характеризуются меньшим воздействием на окружающую среду в виду их химической инертности и особенно к взаимодействию с водой.

Пример:

20 кг гексафторида урана помещают в испаритель 1 с паровой рубашкой, где паром гексафторид урана подогревается до t=100°C и под давлением, создаваемым углекислым газом, как газом-носителем, дозируется в плазмотронный нагреватель 2. Из нагревателя ионизированные газы в реакторе-смесителе 3 смешиваются с 1,365 кг углерода, дозируемого из емкости 4 в виде аэрозоли на основе углекислого газа. Одновременно из емкости 5 дозируют 2,727 кг кислорода. При всем времени проведения процесса поддерживается мольное соотношение гексафторида урана, углерода и кислорода 2:4:3 соответственно при температуре в реакторе 200-400°С.

Количество углекислого газа, как газа-носителя, составляет 1 кг. Реагентная смесь подвергается охлаждению до температуры 100°С, и в вихревом разделителе 7 отделяется твердая фаза диоксида урана в количестве 15,342 кг. Мольное соотношение урана к кислороду в получаемом порошке равно 1:2, содержание фторида и углерода составляет менее 0,001%. Количество полученного углекислого газа в конденсаторе 11 составляет 2,25 кг, из них 1 кг является газом-носителем, а 1,25 кг образовано при реакции взаимодействия. Количество образовавшегося четырехфтористого углерода составляет 7,5 кг. То есть, степень превращения гексафторида урана в диоксид урана составила более 99,99%, что значительно выше, чем в прототипе.

В прототипе с аналогичным расходом гексафторида урана (˜0,2 л/мин) при обработке в кислородно-метановом факеле минимальное содержание фтора в диоксиде урана составляет 0,004%. В предлагаемом способе переработке содержание фтора в диоксиде урана составляет 153 мг или менее 0,001%, что значительно ниже, чем в прототипе.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно атомной для переработки фторидов тяжелых металлов;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

1. Способ переработки фторидов тяжелых металлов, при котором фториды тяжелых металлов смешивают с восстановителем, не содержащим атомов водорода, и фторсвязующим компонентом, подвергают термообработке и образующиеся аэрозоли охлаждают с последующим их разделением на твердую и газообразную фракции, отличающийся тем, что восстановитель включает в себя фторсвязующую компоненту, в качестве которой применяют углерод, серу, легкие металлы и их кислородсодержащие соединения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в плазменной среде с ионизацией образующихся газов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработке последовательно подвергают каждый компонент в отдельности и их смесь.