Виділення урану з розчинів методом сорбцій

Підприємство паливного циклу АЕС.

Ядерне паливо.

Природній уран складається із суміші ізотопів U²³⁸ = 99,3% і U²³⁵ =0,7% ділиться і залишається тільки U²³⁵.

АЕС Канади застосовує реактори на природньому урані. На Україні АЕС працюють на слабо збагаченому урані. Збагачений уран поділяється на:

- слабозбагачений до 5%;

- середньозбагачений до 20%;

- високозбагачений до 90%.

Горіння

С + О₂ = СО₂ + 4еВ

U²³⁵ + n = А₁ + А₂ + 2,3 n + 200 МеВ

Для АЕС 1000 МВт, яка працює на природньому урані необхідно 250 т. урану на рік; на слабо збагаченому – 25т. на рік; для АЕС з брідерами – 10т. на рік.

Потреба урану в збагаченні Х визначається за формулою:

 

G_x = W^БР/ η_БР * В,

 

де В – середня глибина вигоряння – кількість виділеної теплової енергії, віднесеної до 1т. завантаженого палива і залежить від типу реакцій.

Природній уран міститься в гранітах, сланцях, фосфоритах.

Найбільшим виробником урану є США, де є 368 копалень і 35 підприємств по виробництву уранових концентратів.

Схема підприємств паливного циклу включає наступні виробництва: - гірничодобувні;

- уранового концентрату;

- неметалевого урану або гексафториду урану;

- поділ ізотопів урану;

- виготовлення твелів;

- отримання теплової енергії у реакторі;

- витримка відпрацьованих твелів;

- хімічна переробка твелів для здобування урану і плутонію.

 

Отримання гексофториду UF6. Розділення ізотопів.

При вмісті урану 0,1 % для отримання 1000т. концентрату необхідно видобути і транспортувати 1млн.т. руди. Виробництво концентрату складається з наступних процесів:

- добування руди і її транспортування на місце переробки;

- подрібнення;

- механічне збагачення, шляхом видалення пустої породи;

- вилуговування урану з руди за допомогою кислот або лугів;

- виділення урану з розчинів методом сорбцій;

- отримання сухого уранового концентрату;

- виділення супутніх корисних металів;

- отримання чистого урану(афінаж).

Збагачення буває:

1) радіометричне;

2) гравітаційне;

3) флотаційне.

Радіометричне збагачення засноване на вимірюванні γ- випромінювань окремих шматків і видалення за допомогою автоматичного сепаратора пустої породи.

У гравітаційному збагаченні використовуєься різниця різниця густин урану і пустої породи і відповідно різницю швидкостей осаду у воді урану і пустої породи.

Флотаційне засноване на різниці змочуваності частинок подрібленої руди, через що частинки породи прилипають до бульбашок повітря і піднімаються з ними на поверхню, а частинки урану залишаються в розчині.

Мета вилуговування: вилучення урану з руди шляхом з’єднання руди з H₂SO₄ і утворення уранів сульфату. Виробництво такого заводу 7тис.т. руди на добу, витрата Н₂SO₄ – 75 кг/т. руди.

 

Виділення урану з розчинів методом сорбцій

Сорбція заснована на іонно – обмінних процесах між пульпою та іоннообмінними смолами.

Смола застосовується у вигляді біло-жовтих горошин, які засипаються у баки з пульпою, на поверхні смоли концентруються уранові з’єднання з часткою 80%. Потім уран з поверхні смоли змивають розчином столової солі. З розчину уран випадає в осад за допомогою вапняку і окису магнію. Кінцевий продукт, який утворився складається з 78% U₂O₈, натрію, води, оксиду ванадію. Отриманий концентрат поставляють на афінажний завод. На цьому заводі сухий концентрат розчиняється у НNO₄, а розчин змішується з трибутил фосфатом, з яким уран утворює з’єднання. Ці з’єднання змішуються з перекисом водню, утворюється осад, який фільтрується і прокалюється, в результаті чого утворюється чистий окис U₃O₈. Для збагачення на АЕС застосовують паливо з вмістом природнього урану не 0,7%, а приблизно 5%. Збагачення зменшує потоки палива, розміри активної зони та збільшує глибину вигоряння.

Основна складність задачі збагачення - неможливість застосування звичайних хімічних методів. Застосовують два методи:

1) газової дифузії;

2) відцентрової дифузії.

У світі 7 країн мають заводи збагачення. Найбільший дифузійний завод має Франція. Завод складається з АЕС потужністю 3720 МВт, яка забезпечує споживання двигуна заводу 3300 МВт та збагачувальний комплекс.

Метод газової дифузії заснований на різниці швидкостей теплового руху легких і важких молекул при прокачуванні через пористу перегородку. Так, як швидкість легких молекул більша, то за перегородкою утворюється дещо більша концентрація легкого газу, тобто U₃O₈ необхідно перевести у газоподібний стан. Це досягається в результаті чого утворюється гексафторид урануUF₆ та виділяється теплота.

Зворотній процес - конденсація UF₆ з газоподібного стану в твердий потребує відведення теплоти при підвищеному тиску.

В якості перегородок застосовують тефлон. Поверхня перегородок заводу 1 млн.м² .Перегородка має форму циліндра, довжиною 6м.

Так як збагачення при прокачуванні газу через одну перегородку дуже мале, то для збагачення 3% потрібно 1630 перегородок.

Збіднений уран видаляється з сховища у вигляді твердих кристалів UF_6. далі збагачений уран надходить на завод, який виготовляє твели.

Твел – трубки з цирконію заповнені таблетками палива UO_2., яке виготовляють наступним чином: газоподібний UF₆ пропускається через водний розчин карбонату алюмінію. Утворюється твердий осад, який спікають при t = 1700⁰ і пресують.

Цирконій застосовують через його наступні переваги:

- висока прозорість для теплових нейтронів(малий переріз захвату);

- стійкість до корозії водою і достатня механічна міцність.

Недоліком є те, що обмежує граничну температуру підведення тепла до робочого тіла.

 

Хімічна переробка відпрацьованого палива

Хімічна переробка відпрацьованого палива включає:

- вивантаження з реакторів відпрацьованих твелів;

- витримка твелів на АЕС;

- транспортування твелів на радіохімзавод;

- хімічна переробка палива на радіохімзаводі з вилученням урану, який не вигорів та вилучення плутонію;

- концентрація та проміжне зберігання високо-, середньо- та низько активних відходів;

- захоронення відходів.

У результаті поділу в паливі накопичується сильно радіоактивні шматки ядер.

Радіоактивність вивантаженого палива масою 25 т складає сотні Кюрі, а тепловиділення 550 кВт.

Вивантажене паливо для зниження радіоактивності розміщують в басейнах витримки і охолодження, звідки через 3 роки вже можливе їх транспортування. Транспортування виконується в вагонах, всередині кожного з яких знаходиться циліндр з діаметром 2,3 м., висотою 4,4 м., вагою 90 т, зі сталі товщиною 0,4 м. Всередині розміщуються 30 тепловиділяючих зборок (ТВЗ), вагою 3,8 т, які розташовані у воді або в інертному газі.

Відпрацьоване паливо зберігається в контейнерах або басейнах на 600 т урану або 5 тис. ТВЗ. У відпрацьованому паливі міститься плутоній та U²³⁵ , який не вигорів. З басейнів тепловиділяючі зборки надходять у відділення розділення, в якому розташоване дистанційне кероване обладнання.

Твели, порізані на шматки по 20 мм, надходять у ємності з нагрітою кислотою НNO₃, де за 4 години паливо розчиняється. Далі цей нітрат урану заливається органічним розчинником трибутилфосфатом, розбавленим очищеним гасом.

При цьому концентрація урану і плутонію в органічній фазі та в водній буде різною. При декількох процесах можна сконцентрувати в органічній фазі всі 100% урану і плутонію. А у водній фазі залишаться всі радіоактивні речовини. Потім обробкою органічної фази двохвалентним залізом відокремлюють уран від плутонію. А далі розчин випаровують.

 

Радіоактивні відходи.

На радіохімічному заводі при переробці 1 т палива виділяється 1 т рідких і 1 т твердих відходів.

Рідкі високорадіоактивні відходи зберігаються у вигляді водних, азотно-окисних розчинів в баках з нержавіючої сталі. Зберігання потребує безперервного обслуговування – охолодження, переміщування, контролю. Через 20 років рідкі відходи переводять у тверду форму з кальцинації з перетворенням у скло, бітум.

Середньо радіоактивні відходи складають 40 м³ на 1 т переробленого палива. Їх випарюють, що зменшує об’єм у 30 разів. Концентрат бетонірують і зберігають в бункері.

Тверді відходи пресують і зберігають у зацементованому вигляді. Контейнери з відходами зберігають у соляних копальнях або у гранітних печерах. Ї

Газоподібні відходи – криптон, ксенон. Засоби їх обробки та зберігання.

1. Кріогенна дистиляція ї зберігання у сталевих балонах при високому тиску.

2. Екстракція розчинником – фреоном.

3. Адсорбція активованим вугіллям.

У кожному випадку криптон треба зберігати 150 років із зовнішнім охолодженням.