Характеристики первого цикла экстракции
Завод | Экстрагируемые элементы в I колонне НА | Наличие промывок экстракта: | Наличие промывок или переработки рафината I цикла | Наличие дополнительной экстракции урана из реэкстракта плутония | Промывка реэкстракта плутония или другие операции | Наличие дополнительной очистки экстракта U от | Другие операции |
РТ-1 | U, Pu, Th, Tc, Np (Zr) | от Zr, Mo, ТПЭ, РЗЭ (Tc) (Th, Np) | фракционирование ВАО с выделением Cs, Sr и, возможно, др. | нет | реэкстракт, содержащий Np, Tc (Th) обрабатывают с целью стабилизации Pu(III) и Np(IV) | Pu во втором цикле | разделение Pu и Np во втором цикле с использованием корректировки валентности |
РТ-2 | U, Pu, Th, Tc, Np (Zr) | + Zr, ТПЭ, РЗЭ, Мо, Np, Tc | экстракционное извлечение Мо, фракционирование ВАО (Cs, Sr, ТПЭ-РЗЭ) | да вместе с Np и Тс | Np и Tc в специальном узле | ||
UP 2 800 UP 3 | U, Pu, Tc, Np (Zr) | от Zr, Mo, Tc, трития | разбавителем | да | разбавителем | Pu в специальном аппарате | операции извлечения экстрагентом U и Pu из технециевого реэкстракта и промывка разбавителем Тс реэкстракта |
Thorp | U, Pu, Tc (Np) | частично от Тс, ТПЭ и продуктов деления | промывка паром | да | разбавителем | Pu в аппарате “Pu-барьер” | |
RRP | аналогично заводу UP 2 800 |
В трехцикличном PUREX-процессе существенно усложнился I цикл за счет введения ряда промывок экстрактов, рафинатов и реэкстрактов, необходимость которых обусловлена соэкстракцией с U и Pu значительного количества Тc, Np, Zr, Th и др. радионуклидов, которое увеличивается с ростом выгорания топлива. Так, например, технологическая схема I цикла завода UP 2 800, модернизация которой проводилась вплоть до 1995 г., включает следующие операции:
- промывка экстракта U и Pu раствором 2 М HNO3 при 30 °С от Zr, Мо и других захваченных продуктов деления и ТПЭ, во второй кольцевой колонне,
- промывка экстракта U и Pu растворами 10 М HNO3 и 1,5 M HNO3 при 30 °С от Тс и трития, соответственно,
- промывка рафината I цикла разбавителем для удаления следов экстрагента и предотвращения осложнений на операции упаривания ВАО,
- дополнительная экстракция U и Pu из технециевого реэкстракта и направление экстракта в первую колонну,
- промывка технециевого реэкстракта разбавителем,
- восстановительная реэкстракция Pu при 30 °С раствором, содержащим в качестве восстановителя U4+, стабилизированный гидразином,
- дополнительная реэкстракция Pu из экстракта U (“плутониевый барьер”),
- дополнительная экстракция урана и нептуния из реэкстракта плутония и промывка реэкстракта разбавителем.
Для французских заводов характерно наличие двух раздельно циркулирующих потоков HNO3 с разной концентрацией трития.
Наличие специальной операции сильнокислотной реэкстракции Тc, удаляющей его из экстракта U и Pu на ~ 85%, позволяет провести восстановительную реэкстракцию Pu при повышенной кислотности, благодаря чему Np практически полностью остается с ураном, и во втором урановом цикле происходит их разделение. Тc-реэкстракт направляют на упаривание вместе с рафинатом I цикла. Завод Thorp не имеет специальной операции вымывания и локализации Тc, поэтому Тс и вместе с ним Np “размазываются” между технологическими потоками. Если Np затем извлекается из промывных растворов и рафинатов на установке EARP, то Тс частично попадает со сбросами в море со всеми негативными последствиями.
Технологической схемой завода PT-1 предусматривается экстракция Th, Np и Тc совместно с U и Pu с последующей реэкстракцией Pu, Np и Тc в один поток. Особенностью этой схемы является введение специального цикла разделения Pu и Np, в котором требуется для стабилизации экстрагируемого валентного состояния нептуния вводить достаточно большие количества Fe2+ с комплексоном, что усложняет процесс упаривания рафинатов аффинажного цикла.
Дальнейшее совершенствование структуры I цикла привело к разработке следующей для завода РТ-2 схемы, приведенной на рис. 2.7.4:
- извлечение совместно с U и Pu Zr, Np и Тс,
- реэкстракция Zr с частью Np и Тc,
- реэкстракция Pu и Np слабой азотной кислотой,
- восстановительное разделение Pu и Np путем экстракции Np из Pu-реэкстракта,
- реэкстракция Np и Тc в одном потоке,
- реэкстракция урана.
Таким образом, совершенствование структуры I цикла экстракции и PUREX-процесса в целом происходит по пути увеличения количества элементов, выделяемых в отдельные технологические потоки. Эта тенденция прослеживается в разработках многих стран (Франция, Япония, Индия, Россия), занимающихся проблемой фракционирования рафината I цикла. Однако на зарубежных заводах отмывка отдельных радионуклидов уже на начальных стадиях выделения и очистки урана и плутония производится только с целью повышения эффективности этих процессов. В конечном же счете, все фракции (кроме U и Pu) объединяются и обрабатываются в общем потоке отходов. И только на российском заводе РТ-1 нептуний рассматривается как целевой продукт, а из ВАО выделяют отдельную фракцию Cs-Sr-Ba. Технология РТ-1 готова также к извлечению из ВАО фракций ТПЭ и РЗЭ, как только в этом появится практическая необходимость. В еще более полном объеме процессы фракционирования предусматриваются в проекте завода РТ-2, где отдельно рассматривается и судьба каждой фракции (утилизация данного радионуклида или подготовка его к захоронению в наиболее устойчивой для него форме).
В исследованиях Франции, Японии, США, Индии, Китая предполагается проводить фракционирование ВАО в рамках самостоятельных производств с использованием новых экстрагентов (диамиды, DIDPA, КМРО и др.) и/или в отдельной установке извлечения и очистки U и Pu, не связанной с PUREX-процессом [17]. Специалистами НПО “Радиевый институт им. В. Г. Хлопина” предлагается другой подход, в котором вторым экстрагентом для извлечения Мо, ТПЭ и РЗЭ может служить циркониевая соль ДБФК, растворенная в 30% ТБФ. Таким образом, фракционирование ВАО с извлечением Мо, ТПЭ и РЗЭ производится с использованием экстрагента, совместимого с экстрагентом I цикла экстракции по PUREX-процессу, где разделяются U, Pu, Np, Тc и Zr.
Существенно отличаются радиохимические заводы по выпускаемой продукции (табл. 2.7.4). Французские заводы получают PuO2 и UO2(NO3)2. Уранилнитрат будут перерабатывать в Пьерлатте для повторного использования, а смешанное топливо изготавливается в Маркуле или Кадараше, что сопряжено с перевозками по стране PuO2 и концентрата урана.
В Великобритании готовыми продуктами являются PuO2 и UO3. Завод по изготовлению МОХ-топлива построен рядом с заводом Thorp в продолжение технологического процесса извлечения и очистки U и Pu. В Японии на RRP будут выпускать UO2 и смешанный оксид (Pu, U)O2. Самый большой ассортимент продуктов выпускает PT-1 и предполагается выпускать на РТ-2.
Получение оксидов U и Pu из нитратных солей осуществляется путем:
- осаждения оксалата плутония с последующими фильтрацией, сушкой и прокаливанием осадка (UP, Thorp, РТ-1),
- упариванием UO2(NO3)2 до концентрации 1000 г/л (при пониженном давлении и температуре ~ 85 °С на Thorp’e) с последующей термической денитрацией (Thorp, RRP, РТ-1),
- плазмохимической денитрации (РТ-2).
Внутрицикловая очистка экстрагента проводится при помощи содощелочных промывок. На заводах UP 2 800 и UP 3, а также RRP промывки экстрагента дополняются операцией глубокой очистки экстрагента методом дистилляции под пониженным давлением.
Технология концентрирования и отверждения РАО, принятая на каждом заводе обобщена в табл. 2.7.10.
ВАО упаривают и остекловывают. На всех заводах, кроме PT-1, матрицей служит боросиликатное стекло. На PT-1 – фосфатное. Для остекловывания используют двухстадийный (кальцинация отходов во вращающейся печи + печь для варки стекла) процесс на заводах UP 2 800, UP 3, Thorp и одностадийный в электропечи (PT-1, TRP). Перспективным направлением, изучаемым во Франции, России и других странах, является замена керамических и металлических плавителей с электрообогревом “холодным тиглем” с индукционным нагревом.
Большое внимание на заводах уделяется сокращению объемов и номенклатуры отходов среднего и низкого уровней активности, для чего применяют тщательную сортировку по химическому и радиохимическому составу и контролем уровня радиоактивности с последующим переводом отходов в категорию либо нерадиоактивных, либо в категорию с более низким уровнем радиоактивности (UP 2 800, UP 3, Thorp). В качестве способов концентрирования жидких САО используют упаривание с переводом конденсата в НАО, а кубовые остатки либо цементируют, либо присоединяют к ВАО для остекловывания (UP 2 800, UP 3, Thorp).
На заводе РТ-1 среднеактивные рафинаты аффинажных отделений не могут быть упарены из-за сложного химического состава. Эти рафинаты после нейтрализации азотной кислоты сбрасываются в озеро Карачай, что является недостатком системы обращения с САО на РТ-1. Вместе с САО в озеро Карачай попадают радионуклиды, прежде всего, основная масса технеция. Только за период с 1988 г. по 1995 г. на РТ-1 было переработано 1600 т ОЯТ ВВЭР-440 и в результате этой переработки сброшено около 1,4 т Тс.
Гораздо больший арсенал средств применяется для концентрирования НАО: упаривание, соосаждение, сорбция, мембранные технологии. В качестве матриц для отверждения САО и НАО за рубежом используют, в основном, цементы, составу которых уделяется большое внимание. В России и на TRP, кроме цементов, используют и битумы. Франция в ходе выполнения своей программы сокращения отходов отказалась от операции битумирования САО за счет, как уже упоминалось, тщательной сортировки рафинатов и промвод и присоединения кубовых остатков от их упаривания к ВАО.
Таким образом, технология современных заводов обеспечивает достаточно высокую эффективность извлечения U и Pu (99,9%) из ОЯТ и их очистку, что создает основу для рецикла выделенных топливных элементов и снижает их содержание в ВАО до приемлемого уровня, обусловленного требованиями длительного хранения и последующего геологического захоронения.
Дальнейшие усилия специалистов ориентированы на выполнение стратегических целей ядерной энергетики и ядерноэнергетических программ. Много усилий и средств уделяется минимизации отходов, их отверждению, очистке, сокращению сбросов и выбросов.
Таблица 2.7.10
Обращение с жидкими отходами
Завод | ВАО | САО | НАО |
РТ-1 | фракционирование, остекловывание (фосфатное стекло) | упаривание, битумирование, остекловывание кубового остатка, сброс в озеро Карачай | различные методы концентрирования (упаривание, сорбция, осаждение, мембранная технология) с цементированием или битумированием концентрата |
РТ-2 | фракционирование и различные способы обращения с каждой фракцией, выбор будет сделан позже | концентрирование, отверждение | концентрирование, отверждение |
UP 3, UP 2 800 | упаривание, остекловывание (боросиликатное стекло) | упаривание с остекловыванием концентрата | упаривание или концентрирование другими методами и цементирование концентратов |
Thorp | упаривание, остекловывание (боросиликатное стекло) | упаривание, извлечение An, цементирование концентратов | извлечение радионуклидов, цементирование концентрата |
RRP | упаривание, остекловывание (боросиликатное стекло) | 2-х – 3-х кратное упаривание, отверждение | однократное упаривание |
Дата добавления: 2019-05-21; просмотров: 428;