Ионообменная технология переработки ОЯТ

Японские специалисты из фирмы Хитачи и Института исследований и инноваций предприняли попытку разработать ионообменный процесс переработки ОЯТ, которым предполагают заменить традиционный PUREX-процесс. В ионообменном процессе используется новый тип ионообменника, разработанный для технологии химического обогащения урана. Все элементы, содержащиеся в растворе ОЯТ, подразделяются на пять групп по адсорбционно-десорбционным характеристикам: 1) уран, 2) плутоний, 3) несорбируемые продукты деления, 4) сорбируемые продукты деления и в пятую группу отнесен нептуний, который следует в урановый элюат. В соответствии с таким подразделением элементов схема переработки включает следующие операции:

- растворение ОЯТ,

- пропускание раствора ОЯТ через колонну с анионообменником (6М раствор HNO₃),

- промывка колонны 6 М HNO₃ для удаления несорбируемых продуктов деления,

- элюирование урана 1 М HNO₃,

- восстановительное элюирование Pu раствором четырехвалентного урана в 2 М HNO₃,

- элюирование из колонны сорбированных продуктов деления, например технеция.

Полученные элюаты урана и плутония требуют дальнейшей очистки, поскольку урановый элюат загрязнен нептунием, а плутониевый элюат – ураном.

Японская ионообменная технология предусматривает установку еще двух ионообменных колонн для очистки уранового и плутониевого продуктов.

Для разделения урана и нептуния последний восстанавливают до четырехвалентного состояния, в котором он удерживается ионообменником прочнее урана. Уран вымывают 1 М HNO₃, а Np – 0,01 M HNO₃.

Прием корректировки валентности используется и для разделения урана и плутония в колонне, предназначенной для очистки плутониевого продукта. Плутоний вымывают из колонны раствором 2 М HNO₃, а уран – 0,6 М HNO₃. Таким образом, предложенная технология требует установки трех ионообменных колонн, названных разделительной колонной, колонной для очистки урана и колонной для очистки плутония. Вся схема переработки представлена на рис. 2.6.17.

Рис. 2.6.17. Общая схема ионообменной переработки ОЯТ

Были проведены оценки размеров колонн, количеств анионообменника, продолжительности его использования и другие показатели для завода с производительностью 800 т/год при 200 рабочих суток в году.

Необходимый объем ионообменной смолы оценен в 2,8 м³, а размеры разделительной колонны составили 190 см в диаметре и 100 см по высоте. Продолжительность одного цикла составила 20 минут, и за это время предполагается перерабатывать 55,56 кг урана. Изучение радиационной устойчивости смолы в g- и a-радиационных полях, созданных ²³⁸Pu и ⁶⁰Со, показано, что 2,8 м³ смолы, при поглощенной дозе в течение года 1,52^.10⁶ Дж и общей поглощенной энергии 4,74^.10⁸ Дж может быть использовано до замены из-за потери существенной части сорбционной емкости в течение двух лет.

Сравнение ионообменной технологии с PUREX-процессом показало, что:

- количество единиц оборудования в ионообменном процессе снижается более, чем в три раза по отношению к водно-экстракционному процессу,

- уменьшается также высота оборудования, размеры горячих камер и объем отходов.

Ионообменный процесс разделения предполагается усовершенствовать за счет сокращения нагрузки на ионообменник, уменьшения размера колонны и необходимых объемов смолы. Это позволяет осуществить введение операции выделения (до 90%) урана из исходного раствора топлива перед ионообменным разделением. Выделение урана из раствора проводят путем кристаллизации гексагидрата уранилнитрата (рис. 2.6.18).

Усовершенствованный технологический процесс применим к переработке ОЯТ разных составов, а именно: ОЯТ LWR, ОЯТ LWR с МОХ-топливом, ОЯТ РБН, а также к смесям этих видов ОЯТ.

Рис. 2.6.18. Усовершенствование ионообменной технологии