РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЕТРАФТОРИДА УРАНА
|
Актуальность работы
В России на ОАО «Чепецкий механический завод» (Удмуртия, г. Глазов) реализована технология переработки концентратов урана с получением в качестве конечного продукта тетрафторида урана (ТФУ). Данная схема эксплуатируется более сорока лет и, несмотря на присутствующие проблемы, за последние десятилетия претерпела лишь незначительные изменения. Это связано с тем, что во главу угла всегда ставились надежное получение гексафторида урана и стабильная работа всего ядерно-топливного цикла, пусть даже в ущерб экономической эффективности и экологической безопасности. Однако, в условиях современных реалий проблемы и недостатки данной технологии с каждым годом все больше снижают эффективность ряда операций производства тетрафторида урана, как в технологическом, так и экономическом плане. Анализ действующей технологии показал, что недостатками операции растворения оксидов урана являются значительные выбросы оксидов азота и большой расход азотной кислоты на единицу извлекаемого урана. Главным недостатком процесса реэкстракции урана карбонатом аммония является образование маточных растворов, переработка которых ведется по нерентабельной и малоэффективной технологии. Проблемой фторидного аффинажа является ограниченное использование поступающих на стадию осаждения тетрафторида урана солянокислых растворов урана, получаемых в ходе растворения металлического урана в хлористоводородной кислоте, и необходимость переработки огромного количества маточных хлоридно- фторидных растворов.
Возрастание роли рыночных отношений во всех сферах народного хозяйства, резкое увеличение спроса на энергоресурсы, постоянное ужесточение экологических стандартов и норм радиационного контроля, рост цен на реагенты обуславливают необходимость совершенствования действующих технологий аффинажа урана и определяют актуальность данной работы.
Целью работы является разработка усовершенствованной технологии производства тетрафторида урана, включающая решение следующих задач:
• разработка технологии совместной переработки оборотных растворов;
• разработка метода выщелачивания закиси-окиси урана растворами азотной кислоты, обеспечивающего снижение выбросов оксидов азота и расхода кислоты;
• исследование процессов реэкстракции урана из ТБФ растворами пероксида водорода;
• разработка технологии получения товарного тетрафторида урана непосредственно из комплексных растворов урана(1У).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Технология переработки оборотных растворов производства тетрафторида урана.
2. Результаты изучения процесса выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой в присутствии нитрата аммония и аммонийсодержащих концентратов урана.
3. Метод выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой с добавлением аммонийсодержащих соединений.
4. Технология экстракционно-пероксидного аффинажа.
5. Результаты исследований тетрафторида урана, полученного осаждением из комплексных растворов урана(1У) и пульпы диоксида урана.
6. Технология получения тетрафторида урана из комплексных растворов урана(1У).
Научная новизна работы
Впервые определены кинетические характеристики процесса выщелачивания закиси-окиси урана в присутствии нитрата аммония, включая скорость, порядок и температурный коэффициент реакции, энергию активации. Установлено, что введение нитрата аммония способствует увеличению скорости реакции, снижает влияние температуры на скорость выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой и смещает режим протекания данного процесса из кинетической области в переходную область.
Предложен оригинальный метод реэкстракции урана из ТБФ, основанный на осаждении пероксида урана из насыщенной органической фазы при взаимодействии с растворами пероксида водорода. Получены зависимости фазового распределения урана при реэкстракции из ТБФ растворами пероксида водорода от температуры, pH, времени выдержки и концентрации Н2О2.
Практическая значимость работы
Разработана технология совместной переработки оборотных растворов производства тетрафторида урана. Проведены промышленные испытания технологии в условиях действующего производства ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов), по результатам которых дана рекомендация к внедрению.
Разработан метод растворения закиси-окиси урана азотной кислотой, обеспечивающий сокращение выбросов оксидов азота и расхода кислоты. Метод прошел промышленные испытания на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов) и рекомендован к внедрению.
Разработана технология экстракционно-пероксидного аффинажа урана. Проведенные укрупненные испытания показали возможность ее использования для повышения эффективности действующего уранового производства ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов).
Разработана технология получения товарного тетрафторида урана непосредственно из комплексных растворов урана(ХУ). Проведены промышленные испытания на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов), по результатам которых технология принята в эксплуатацию, что подтверждено актом внедрения.
Личный вклад автора
На основе анализа действующей технологии производства тетрафторида урана и научно-технической литературы автором сформулированы задачи исследования, разработаны основные методики, спроектированы и созданы экспериментальные установки. Проведены лабораторные опыты и промышленные испытания, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные. Разработаны технологические схемы, а также предложены пути их практической реализации в промышленности.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на X отчетной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006), IV молодежной научно-практической конференции по проблемам и перспективам ядерно-промышленного комплекса Урала (Озёрск, 2007), V и VI Международной научно-практической конференции по актуальным проблемам урановой промышленности (г. Алматы, Республика Казахстан, 2008 г., 2010 г.), XXI Российской молодежной научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика Н.Д. Зелинского (Екатеринбург, 2011), XXII Российской молодежной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А. А. Тагер (Екатеринбург, 2012), IV Всероссийской конференции по химической технологии (Москва, 2013).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения , списка использованных источников, включающего 129 наименований, и шести приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 28 рисунков, 48 таблиц.
В России на ОАО «Чепецкий механический завод» (Удмуртия, г. Глазов) реализована технология переработки концентратов урана с получением в качестве конечного продукта тетрафторида урана (ТФУ). Данная схема эксплуатируется более сорока лет и, несмотря на присутствующие проблемы, за последние десятилетия претерпела лишь незначительные изменения. Это связано с тем, что во главу угла всегда ставились надежное получение гексафторида урана и стабильная работа всего ядерно-топливного цикла, пусть даже в ущерб экономической эффективности и экологической безопасности. Однако, в условиях современных реалий проблемы и недостатки данной технологии с каждым годом все больше снижают эффективность ряда операций производства тетрафторида урана, как в технологическом, так и экономическом плане. Анализ действующей технологии показал, что недостатками операции растворения оксидов урана являются значительные выбросы оксидов азота и большой расход азотной кислоты на единицу извлекаемого урана. Главным недостатком процесса реэкстракции урана карбонатом аммония является образование маточных растворов, переработка которых ведется по нерентабельной и малоэффективной технологии. Проблемой фторидного аффинажа является ограниченное использование поступающих на стадию осаждения тетрафторида урана солянокислых растворов урана, получаемых в ходе растворения металлического урана в хлористоводородной кислоте, и необходимость переработки огромного количества маточных хлоридно- фторидных растворов.
Возрастание роли рыночных отношений во всех сферах народного хозяйства, резкое увеличение спроса на энергоресурсы, постоянное ужесточение экологических стандартов и норм радиационного контроля, рост цен на реагенты обуславливают необходимость совершенствования действующих технологий аффинажа урана и определяют актуальность данной работы.
Целью работы является разработка усовершенствованной технологии производства тетрафторида урана, включающая решение следующих задач:
• разработка технологии совместной переработки оборотных растворов;
• разработка метода выщелачивания закиси-окиси урана растворами азотной кислоты, обеспечивающего снижение выбросов оксидов азота и расхода кислоты;
• исследование процессов реэкстракции урана из ТБФ растворами пероксида водорода;
• разработка технологии получения товарного тетрафторида урана непосредственно из комплексных растворов урана(1У).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Технология переработки оборотных растворов производства тетрафторида урана.
2. Результаты изучения процесса выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой в присутствии нитрата аммония и аммонийсодержащих концентратов урана.
3. Метод выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой с добавлением аммонийсодержащих соединений.
4. Технология экстракционно-пероксидного аффинажа.
5. Результаты исследований тетрафторида урана, полученного осаждением из комплексных растворов урана(1У) и пульпы диоксида урана.
6. Технология получения тетрафторида урана из комплексных растворов урана(1У).
Научная новизна работы
Впервые определены кинетические характеристики процесса выщелачивания закиси-окиси урана в присутствии нитрата аммония, включая скорость, порядок и температурный коэффициент реакции, энергию активации. Установлено, что введение нитрата аммония способствует увеличению скорости реакции, снижает влияние температуры на скорость выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой и смещает режим протекания данного процесса из кинетической области в переходную область.
Предложен оригинальный метод реэкстракции урана из ТБФ, основанный на осаждении пероксида урана из насыщенной органической фазы при взаимодействии с растворами пероксида водорода. Получены зависимости фазового распределения урана при реэкстракции из ТБФ растворами пероксида водорода от температуры, pH, времени выдержки и концентрации Н2О2.
Практическая значимость работы
Разработана технология совместной переработки оборотных растворов производства тетрафторида урана. Проведены промышленные испытания технологии в условиях действующего производства ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов), по результатам которых дана рекомендация к внедрению.
Разработан метод растворения закиси-окиси урана азотной кислотой, обеспечивающий сокращение выбросов оксидов азота и расхода кислоты. Метод прошел промышленные испытания на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов) и рекомендован к внедрению.
Разработана технология экстракционно-пероксидного аффинажа урана. Проведенные укрупненные испытания показали возможность ее использования для повышения эффективности действующего уранового производства ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов).
Разработана технология получения товарного тетрафторида урана непосредственно из комплексных растворов урана(ХУ). Проведены промышленные испытания на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов), по результатам которых технология принята в эксплуатацию, что подтверждено актом внедрения.
Личный вклад автора
На основе анализа действующей технологии производства тетрафторида урана и научно-технической литературы автором сформулированы задачи исследования, разработаны основные методики, спроектированы и созданы экспериментальные установки. Проведены лабораторные опыты и промышленные испытания, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные. Разработаны технологические схемы, а также предложены пути их практической реализации в промышленности.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на X отчетной конференции молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006), IV молодежной научно-практической конференции по проблемам и перспективам ядерно-промышленного комплекса Урала (Озёрск, 2007), V и VI Международной научно-практической конференции по актуальным проблемам урановой промышленности (г. Алматы, Республика Казахстан, 2008 г., 2010 г.), XXI Российской молодежной научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика Н.Д. Зелинского (Екатеринбург, 2011), XXII Российской молодежной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А. А. Тагер (Екатеринбург, 2012), IV Всероссийской конференции по химической технологии (Москва, 2013).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статей, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения , списка использованных источников, включающего 129 наименований, и шести приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 28 рисунков, 48 таблиц.
1. Разработана технология совместной переработки оборотных растворов производства тетрафторида урана.
2. Изучены процессы растворения закиси-окиси урана растворами азотной кислоты в присутствии нитрата аммония и без него . Определены кинетические характеристики данных процессов. Установлено, что введение в раствор нитрата аммония приводит к снижению выбросов оксидов азота и сокращению расхода кислоты, способствует интенсификации процесса выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой и снижению влияния температуры на скорость реакции. Показано, что источником нитрата аммония в технологии аффинажа урана могут выступать аммонийсодержащие концентраты урана.
3. Предложен метод выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой, обеспечивающий снижение выбросов оксидов азота и расхода кислоты.
4. Исследован процесс реэкстракции урана из ТБФ растворами пероксида водорода. Показано, что при использовании данного реагента уран из насыщенной органической фазы переходит в осадок в виде пероксида урана, при этом на полноту осаждения влияют избыток Н2О2, pH, температура и время выдержки.
5. Разработана технология экстракционно-пероксидного аффинажа урана.
6. Проведены исследования процессов осаждению тетрафторида урана из
комплексных растворов четырехвалентного урана и пульпы диоксида урана. Определены физико-химические характеристики полученных кристаллогидратов тетрафторида урана и продуктов их дегидратации.
7. Разработана и внедрена на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов) технология получения товарного тетрафторида непосредственно из комплексных растворов урана(ХУ).
8. Разработана усовершенствованная технология производства тетрафторида урана.
2. Изучены процессы растворения закиси-окиси урана растворами азотной кислоты в присутствии нитрата аммония и без него . Определены кинетические характеристики данных процессов. Установлено, что введение в раствор нитрата аммония приводит к снижению выбросов оксидов азота и сокращению расхода кислоты, способствует интенсификации процесса выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой и снижению влияния температуры на скорость реакции. Показано, что источником нитрата аммония в технологии аффинажа урана могут выступать аммонийсодержащие концентраты урана.
3. Предложен метод выщелачивания закиси-окиси урана азотной кислотой, обеспечивающий снижение выбросов оксидов азота и расхода кислоты.
4. Исследован процесс реэкстракции урана из ТБФ растворами пероксида водорода. Показано, что при использовании данного реагента уран из насыщенной органической фазы переходит в осадок в виде пероксида урана, при этом на полноту осаждения влияют избыток Н2О2, pH, температура и время выдержки.
5. Разработана технология экстракционно-пероксидного аффинажа урана.
6. Проведены исследования процессов осаждению тетрафторида урана из
комплексных растворов четырехвалентного урана и пульпы диоксида урана. Определены физико-химические характеристики полученных кристаллогидратов тетрафторида урана и продуктов их дегидратации.
7. Разработана и внедрена на ОАО «ЧМЗ» (г. Глазов) технология получения товарного тетрафторида непосредственно из комплексных растворов урана(ХУ).
8. Разработана усовершенствованная технология производства тетрафторида урана.