SU867283A3 - Способ изотопного химического обогащени урана - Google Patents

Description

органическом растворителе или на твердой подложке с последующим окислением полученного 1 аствора урана (Ш) в уран (ГУ) и возвратом его в начало процесса.5

Существует возможность образовывать растворы, содержащие уран, в состо ние валентности И Т, в которых это состо ние валентности может сохранитьс  метастабильно (даже в кислот- ю ной среде) в течение долгого времени достаточного дл  того, чтобы осуществить изотопные обмень промьшшенным путем; эти растворы выдерживаютс  вне контакта с проводниками и 15 практически отделены от ионов других металлов, например щелочных и щелочно-земельных металлов (или от групп III-УГ1Г в соответствии с классификацией периодической таблицы). 20

Дл  каждого типа иона металла групп fl;I-yi II периодической системы элементов (не урана) существует возможность определ ть экспериментальным путем минимальные пропорции, назы- 25 ваемые каталитическими пропорци ми, сверх которых наблюдаетс  быстрое преобразование ионов U , содержащихс  в рассматриваемых растворах, в ионы и . Эти каталитические про- зо порции  вл ютс  очень небольшими (пор дка части на миллион по отношению к урану) дл  ионов таких металлов как никель, медь или кобальт.

Предложенный способ заключаетс  35 в повторении цикла, состо щего из следующих этапов:

а)изотопного обмена в противофо- ке между водной фазой, содерлсащей высаливающее вещество и U , и орга- 40 нической фазой, содержащей уран с валентностью ТУ при таких услови х, когда прохождение урана с валентноетью ТУ органической фазы в водную

фазу  вл етс  очень небольшим; 5

б)экстрагировани  и(1У) из органической фазы В предваритепьно источ щенную водную фазу и в восстановле- ни 

в)окислени  U водной фазы в U ,д. и переносе окисленного урана в органическую предварительно истощенную фаэу.

Уран с валентностью ТУ может быть непосредственно экстрагирован из ,, органической фазы с помощью предварительно .установленной жидкой фазы.

Дл  того, чтобы перенос был црактически полным, это может быть осуществлено путем уменьшени  содержани  высаливающего вещества. Экстрагирование и из одной фазы может быть произведено пос-ле окислени  в U с помощью органической фазы, выбираемой дл  того, чтобы переход был практически полным.

Водна  фаза, котора  содержит в растворе, должна содержать U и позвол ть экстрагирование урана с валентностью ТУ с помощью органической фазы, а дл  этого должна иметь возможность принимать высаливающее вещество, которое  вл етс  поставщиком ионов галогенов; в этом случае уран присутствует в водной фазе в виде галогенида, что в значительной степени облегчает операции окислени  и восстановлени ; полученные галоген и водородна  кислота в ходе восстановлени  используютс  дл  проведени  вторичного окислени . В качестве высаливающего вещества можно использовать ион С 1, а в качестве соли урана в водной фазеиССз Однако могут быть использованы и другие невосстановительные высаливающие вещества.

В орошаемом ка.скаде расходы органической и водной фаз будут выбиратьс  в зависимости от концентраций урана обеих фаз с таким расчетом, чтобы расход урана в обеих фазах был приблизительно одинаковым. Услови  обмен-а и содержание высаливающего вещества водной фазы выбираютс  так, чтобы, по крайней мере, 5% урана с валентностью 1У переходило , из органической фазы в водную фазу. Практически в большинстве -случаев не будет перехода урана с валентностью 1II из водной фазы в органическую фазу из-за того, что существует очень мало.агентов образовани  внутрикомплексного соединени  урана с валентностью ИГ.

Водна  фаза может содержать в растворе только в том случае, когда онаимеет минимальную кислотность (котора  зависит от концентрации ионов и ) при отсутствии такой уран выпадает в осадок в виде гидроокиси. Однако часто бывает возможным повтор но экстрагировать С1, из органической фазы с помощью воды, котора  подкисл етс , поглоща  кислоту, содержащуюс  в органической фазе.

Водна  фаза при контакте с органической фазой должна содержать высаливаю1цее вещество. Ноли считать, что это высаливающее вещество состоит из С6 , то в фазе, содержащей U, необходимо иметь большую, концентрацию хлористоводородной кислоты или хлорида , В последнем случае нельз  использовать какой бы тони было хлорид. Необходимо исключить какой бы то нибыло катион,  вл ющийс  составной частью пары Редокс., нормальный потенциал которой превышает потенциал системы если- она реагирует с достаточно большой скоростью (это условие необходимо соблюдать в одно родной фазе)и имеющий следующие характеристики если второе составл ющее пары  вл етс  металлом, В этом случае металл будет восстанавливать с  ураном и, как правило, вновь раз едатьс  кислотой.. Необходимо прибегнуть к процессу с каталитическим свойством, который приведет к быстр му окислению и , даже если важнейший ион процесса присутствует в оче небольшом количестве, например ионы никел , меди и кобальта, содержание которых должно поддерживатьс  менее части на миллион по сравнению с ура ном. Но не только фаза, содержаща  , , должна быть освобождена от некоторых ионов, но и любой водный раствор, содержащий 11, должен быт вне контакта с электропроводными стенками. Контакт валентностей IIf и ГУ может происходить самыми различными способами. Фазы, содержащие уран дву валентностей, могут быть смешивающимис , частично смешивающимис  или несмешивающимис . Одна из фаз (или фаза в случае однородного обмена) будет жидкой. Друга .фаза может быть жидкой иЛи твердой, к последнему случаю относ тс  способы с применением ионоо.бменных смол. Жидка  фаза или кажда  изжидких фаз, содержаща  уран в виде ионов или в комплексном состо нии (это сос то ние часто относитс  к органической фазе), может быть водной, органической или смешанной. Хррошб изг. вестны растворит.ели и(У), которые могут выполн ть эту функцию. Под водной фазой понимают водный раствор неорганической или ор.ганической соли урана в диссоциированном состо нии. Водна  фаза, содержаща  и ,  вл етс  обычно раствором водо- : родной кислоты, ион водорода которой будет играть роль высаливающего вещества . Таким образом, пригодными будут только неокисл ющие кислоть. Обычно примен ют хлористоводородный раствор; НСС  вл етс  менее дорогосто щей из сильных кислот, хот  и другие водородные кислоты и (в меньшей мере) сильные неокисл ющие ки слоты могут найти свое применение. Под органической фазой понимают раствор в органическом растворителе (или смеси растворителей) соли или комплексного соединени  урана с валентностью 111 или 1У, иногда с добавлением разбавител , если, например , хот т изменить в зкость, плотность и/или поверхностное нат жение органической фазы и воздействовать на различные параметры, например на врем  декантации. Примен ют разнообразные жидкие органические растворители , примен е1Мые при обработке облученного  дерного топлива. Органические , растворители могут быть выбраны в зависимости от выбранной соли урана; иногда к нему необходимо добавить разбавитель, который может быть выбран из числа алифатических или ароматических углеводородов и их производных, например бензола , толуола, додекана,. керосина, ксилола/при температуре окружающей среды. Растворител ми  вл ютс  органические соединени , содержащие окислительные примеси, относ щиес  к органофосфррным нейтральным соединени м , имеющим функцию , котора  дает с сол ми урана комплексные соединени , включающие несколько лиганд на одну молекулу урана. Соединени  состо т из фосфатов типa(RO) Р(.0)или ROROROR(0)4 радикалы R, R и R представл ют собой углеродные алифатические или ароматические, линейные или разветвленные цепи; например; трибутилфосфат (ТБФ), триизобутилфосфат (ТИБФ), трипропилфосфат (ТПФ) триэтил-12-бутилфосфат (ТЭБФ), три-2-метил-бутилфосфат (Т2МБФ), три-2-этилбутилфосфат (Т2ЭБФ), три-2-метилфосфат (Т2МАФ), трибутоксиэтил- . фосфат (ТБЭФ). Соединени  содержат также окиси фосфинов R . Из окисей фосфинов можно выделить особый класс, в котором одна из цепей меет функцию простого эфира общей ормулы ЙО(СНА) Р(0) Р , Р ,гдеК, TR радикалы, указанньш вьше, триокти фосфин окись ТОФО, трибутилфосфин окись ТБФО, окись д-М-пропилметокси . октилфосфин, окись ди-М-бутилэтил-2 метокси-изобутилфосфина, окись ди зобутилметоксиметилоктилфосфина , окись триамилфосфина (недостаток: может раствор тьс  в воде), окксъ тригексилфрсфина. Фосфонаты формулы RORDR P(0), которые.образуют промежуточные соединени  R , R, имеют вышеу;казанHbie определени : дибутилфосфанат (ДББФ), ди изобутш1фосфонат, ди-октилоктилфосфонат , ди-йзобутилбутилфосфонат , дибутилизобутилфосфонат, ди-изоамйламилфосфонат, дн-изопрошш бутилфосфонат, ди-изобутилгексилфос фонат ди-изобутилизоамилфосфонат, ди-изобутилоктилфосфонат, ди-изобути этилгексафосфонат, ди-изобутилметокс лорилфосфонат; эти фосфонаты могут быть разбавлены, например додеканом или ксилоломi Фосфинаты формулы RORR Р ( О), кото рые также  вл ютс  промежуточными срединени ми между фосфатами к окис  ми фосфина| R,R и R имеют все те ж значени ; из числа фосфинатов можно , , г назвать: ди-изобутилфосфинат (разбав л етс  в толуоле), дигексилгексилфос финат (разбавл етс  керосином R), дибутилизобутилфосфинат (разбавл етс толуплом), ди-изобутилбутилфосфинат (разбавл етс  толуолом), дигексилизо бутилфосфинат (разбавл етс  керосино R), ди-октилизобутилфосфинат (разбав л етс  керосином R), В насто щее врем  фосфаты и фос- фонаты примен ютс  как растворители, дающие лучшие результаты, которые они в себе содержат (скорость экстра гировани , легкость разделени  и т.д В соответствии с предложенным спо собом изотопный обмен может происходить между двум  различными соединени ми урана (in) или соединени ми урана (1ТГ) и урана (ТУ). Изотопный обмен может иметь место или в жидкой воднофазной системе, т.е. если соединени  урана контактируютс  в однородной фазе, или в двух фазной системе, т.е. когда соединени  урана наход тс  в двух различных фазах жидкой и твердой, или двух жидких несмешивающихс  фазах. Если изотопный обмен проводитс  воднофаз ной системе, то после обогащени  необходимо отделить или истощившеес  соединение, или обогащенное соединение , создава  двухфазную систему, что усложн ет способ и делает его экономически менее выгодным. При обмене используютс  водный раствор с 0,1-2,5 М/л U IlHUCl в хлористоводородном растворе ограничиваютс  2 М/л{ концентраци  в 1,5 М/л дает хорошие результаты) и органичесг ка  фаза с 0,1-1 М/л UTY. Примен   UCC (Практически можно доходить до 0,5 Н/л при температуре окружающей среды, использу  вышеуказанные агенты образовани  внутрикомплексных соединений . Содержани  близкие к I М/л требуют проводить процесс при температурах , превьш1аюшз х температуру окружающей среды, уменьша  пропорции разжижител . . Установка изотопного обмена дл  обогащени  урана в один изего. изотопов из обменной батареи, имеющей несколько каскадов, на каждом из которых находитс  контактор между дву- , м  фазами, содержащими и(ГТ1) и и(ГУ), и приспособлений дл  циркул ции одной из фаз в противотРке к другой фазе в бр.тарее контура окисл ющей флегмы, состо щего из „ приспособлений полного экстрагирова1В1Я и(ПТ), из фазы, котора  его содержит в конце батареи, где выходит эта фаза, окислени  и(1ГТ) в и(ТУ) и передачи окисленного урана в другую фазу дл  .ввода его в тот же конец батареи контура восстанавливающей флегмы, состо щего из приспособлений полного экстрагировани  и(ГУ) из фазы, котора  его содержит в другом конце батареи, полного восстановлени  и(1У) в и(Т1Г) и передачи восстановленного урана в другую фазу дл  ввода его в другой конец батареи} поверхности контакта с и(1ТГ) злектроизолированы. Дл  улавливани  посторонних ионов предусмотрены средства восстановлени  урана (1У) в уран (ТГТ). Таким образом , поддерживаетс  необходима  чистота при условии, что содержание ирнов в части на миллион, а флегма будет почти полной, т.е. каскад почти квадратным. Уран может подводитьс  к каскаду с валентностью П1 или ТУ, но в большинстве случаев первоначальна  загрузка каскада требует особого расположени  соединений U(TTf) и и(ТУ).

Уран (ТП) получают из урана (ГУ) или из его соединений восстановлением урана (ТУ) электролитическим путем химическим путем (с помощью цинка или его-амальгамы)j можно производить травление металла урана с помощью кислоты при определенных юви х, или раствор ть ис дСили другие соли урана с валентностью ИГ), полученные сухим способом.

На фиг.1 и 2 изображена обща  схема изотопного обот атительного каскада , в котором примен етс  предложенный способ.

Каскад предназначен дл  изотопного обогащени  природного урана в изотоп 235 (в соответствии с изобретением по способу обмена между водной фазой, содержащей уран (ТТТ) , и органической фазой, содержащей уран (1У).

Обменна  батаре  11 каскада состоит из р одинаковых ступеней, которые обозначены через ...п,р. На ступени п водна  фаза, содержаща  и поступающа  со ступени п+1, перемешиваетс  с органической фазой, содержащей и и поступа ощей со ступени n-lj после разделени  водна  и органическа  фазы выход т соответственно в 3 и 4, Фаза, содержаща  и(1У), обогащаетс  в легкий изотоп 235U. Если fb представл ет собой коэффициент ступенчатого обогащени , а Rц представл ет собой соотношение распространенностей 235 U (238U), предположительно равных на выходах 1 и 2, -то- Органическа  фаза на выходе имеет распространенность R.piB 235 U,

На фиг. 1 также схематически показана богата  флегма 7, в которой U(ГУ), обогащенный в 235 U, восстанавливаетс  в состо ние U(lir) и вновь вводитс  на ступень в водную фазу; истощенна  флегма 8 выполн ет различные функции: окислени , прохождени  водной фазы-органической фазы и повторного введени  на ступень 1.

На фиг.2 изображен каскад, который состоит из обменной батареи, где вместо обмена между U(ril) и и(1У) примен ют обмен между жидкой неорганической фазой урана (1Т1) и органической фазой урана (ТГГ). Применение указанных органических растворителей, которые не могут образовать комплекс и (ЦТ), в этом исключено. Обменна  батаре  может иметь строение аналогичное строению , описанному на фиг.1, но флегмы имеют различный характер.

Фазы  вл ютс  следукицими.

Органическа  фаза. Уран в виде комплексного соединени  s растворенном органическом растворителе, способный превращать в уран (III) в форму комплексного соединени , например , фосфонат. При температуре окружающей среда к растворителю добавл ес  инертный алифатический или аромап тический разжижитель, например додекан , керосин или ксилол. Можно примен ть органическую фазу О, состо щуу из фосфонат а (50%), например дибутилбутилфосфонат ДМБФ, ксилола (50%) и и(1П) 0,005 М.

Неорганическа  фаза. Уран со ела- 60ii концентрацией в водной фазе.

В этой фазе должно быть непременно добавлено сильное высаливающее вещество, предназначенное удерживать комплексное соединение зграна в органической фазе. Если уран находитс  в виде иС&5высаливающим веществом может быть Си сильной концентрации в виде НСЕ и/или щелочного или щелочно-земельного хлорида. В качестве водной фазы А можно примен ть 0,2 М в виде UCC, , НСВ 5-8N, желательно 7 N.

Водна  фаза попадает в батареи 11 через линию 12. В цилиндрв 13 кислотность водной фазы повьшена с 0,5 до 7 N благодар  хлористоводородной кислоте, поступающей от

сепаратора 1.4 по линии, 15.

После изотопного обмена 13одна  фаза поступает из обменной батареи 11 в экстрактор 17 по трубопроводу 16. В экстракторе водна  фаза А вступает в контакт с ДББФ на 50% истощенном в ксилоле. Уран (III) полностью переходит из водной фазы в ор ганическуад фазу. Водна  фаза бедна  ураном поступает затем в сепаратор 14. В сепаратрре 14 отдел етс  хлористоводородна  кислота и подаетс  в линию 15, где образуетс  водна  фаза, содержаща  НС8 0,5N. Хлористоводородна  кислота отводитс  в цилиндр 13 по линии 15, а водна  фаза 0,5 М, обедненна  ураном,, отводитс  через линию 18 к вторичному .экстрактору 19, где она вступает в контакт.с органичес1ЮЙ фазой О, поступающей от обменной батареи 11. Весь уран (ill) переходит из органической фазы в 118 водную фазу в котором практически больше не содержитс  высаливающего вещества. Ут желенна  водна  фаза А попадает затем по линии 21 в установку 20, где уран, часть которого окислена, целиком приводитс  к ва- лентности IП. Наконец, водна  фаза поступает по линии 22 в цилиндр 13, где вводитс  НС2, играюща  роль выса ливающего вещества. Органическа  фаза О, после изотоп ного обмена и обменной батарее П, направл етс  по линии 23к экстракто ру 19, где уран экстрагируетс  водной фазой. Истощенна  органическа  фаза, выход ща  из экстрактора 19 по линии 24, направл етс  к экстрактору 17, где уран, содержащийс  в водной фазе, переходит в не бывшую, в упот- ребленйи органическую фазу в силу наличи  высаливающего вещества в вод ной фазе. Например, ут желенна  ураном органическа  фаза входит в батареи 1 1 по линии 25. Подача природного урана производитс  очень небольшими порци ми через N, отвод обедненного урана в D и отбор обогащенного урана в Б, Пример 1. Обмен урана (11Т) уран (ТУ) в двухфазной системе, и(Т11): в водной среде 0,4 М хлористоводородна  среда 7. и(1У): 0,4 М в органической бензольной фазе и ТБФ. Температура , врем  обмена 15 с. Коэффициент разделени  d 1,0030, Пример 2, Обмен жидкостьжидкость в смесителе отстойнике с противотоком. Водна  фаза:и(111)0 ,2 М, нес 7 N, Органическа  фаза: и(ТУ)0,2 М, ТБФ (50%) в смеси додекана - толуола 40%-10%, Врем  контакта от 49 до 132 с. Коэффициент разделени  ,00121 ,0026 в зависимости от времени контакта и перемешивани . Пример 3, Последовательные обмень в каскаде противоточного типа общим рефлюксом, т,е, 4-х с-рупенчатый квадратный каскад в соответствии с фиг,1, Проделаны три вращени . Изотопные анализы позволили проследить подъем к равновесию такого каскада, равномерно наполненным в начале природным ураном. Фазы имели следующие характеристики: Водна  фаза: UCljO,4 М, НСе -8N. Органическа  фаза: UC1-0,4 М, ТБФ50% в бензоле. Врем  контакта каждой операции 5 мин d.l,0026. Примеры полных каскадов приведены в таблице.

13

14

867283 Продолжение таблицы

Отношение расхода питани  к общему расходу в устройстве,

Температура секции изотопного обмена,С

Восстановление

Окисление

Выход дистилл тора-71. Выход окислител -69 НС1

исц

Claims (3)

1.Патент США № 2787587 кл. 204-1.5.1957.

2.Патент США № 2835687, кп. 260-429.1.1958.

3.Патент Великобритании №1120208 В 01 D 59/00, 1968.

ФШ./

&г.1