Теоретические основы химической технологии, 2023, T. 57, № 1, стр. 91-97

ВВЕДЕНИЕ

Регенерированный уран содержит четные изотопы ^232,234,236U, которые затрудняют воспроизводство ядерного топлива. Предложены разные методы каскадирования и операции разбавления регенерированного гексафторида урана UF₆, позволяющие снизить содержание этих изотопов. Эффективным методом является обогащение регенерированного урана в двойном каскаде до концентрации ²³⁵U 96.5% с последующим разбавлением [1]. Очистку регенерированного урана можно производить в дополнительном отборе двойных и одиночных каскадов [2, 3]. Другими подходами является обогащение с одновременным разбавлением отвальным и природным ураном на дополнительных питаниях каскадов [4, 5], а также разбавление низкообогащенным ураном (концентрация ²³⁵U менее 5%) [6, 7].

В большинстве способов концентрация ^232,234,236U не удовлетворяет требованиям спецификации ASTM C996–20 по обогащенному промышленному гексафториду урана. Эти требования установлены, исходя из обогащения промышленного природного гексафторида урана, имеющего низкое содержание ^232,234,236U. Их выполнение позволит использовать регенерированный гексафторид урана как замену промышленного природного. В связи с этим целесообразна разработка соответствующего способа очистки регенерированного урана.

В настоящей работе для снижения концентрации ^232,234,236U предложена схема двух каскадов. В первом шестипоточном каскаде регенерированный гексафторид урана обогащается по ²³⁵U с наибольшим снижением отношения масс ²³⁶U/²³⁵U. Для этого на его дополнительное питание подается отвальный гексафторид урана, загрязненный поток которого образуется в дополнительном отборе. Одновременно на втором дополнительном питании используется природный гексафторид урана. Параметры второго трехпоточного каскада, который питается основным отбором первого, определяются из условия получения в отвале концентрации ²³⁵U, близкой к питанию, и снижения содержания ^232,234U до заданного уровня. В обоих каскадах концентрация ²³⁵U в выходящих потоках не превышает 20%, соответствующих международным нормам по обращению с делящимися материалами [8]. Отвал второго каскада разбавляется низкообогащенным ураном или природным сырьем до требуемой концентрации ²³⁵U. Отбор второго каскада, загрязненный ^232,234U, подлежит последующему разбавлению до ядерно безопасной смеси с концентрацией ²³⁵U менее 1%. Проведен вычислительный эксперимент, показавший эффективность метода. Параметры каскадов рассчитывали с помощью методик [3, 9] при больших коэффициентах разделения ступеней, соответствующих газовым центрифугам.

ОБОГАЩЕНИЕ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА БЕЗ ОЧИСТКИ ОТ ^{232, 234, 236}U

Регенерированный гексафторид урана, обогащенный в ординарных трехпоточных каскадах, имеет высокую концентрацию ^232,234,236U. При концентрации ²³⁵U в отборе 4.4% и отвале 0.17% она составляет [10], %: ²³²U 9.3 × 10^–7, ²³⁴U 9.3 × 10^–2, ²³⁶U 1.36. Это удовлетворяет требованиям спецификации ASTM C996–20 для обогащенного регенерированного гексафторида урана. Однако существенно выше установленных границ для обогащенного промышленного гексафторида урана (²³²U не больше 1 × 10^–8%, ²³⁴U – 11 000 мкг/г²³⁵U, ²³⁶U – 0.025%). Небольшое снижение концентрации ^232,234U возможно при уменьшении концентрации ²³⁵U в отвале. Вместе с тем, это приведет к возрастанию концентрации ²³⁶U. Наличие этого изотопа требует затрат на дообогащение ²³⁵U на 0.2–0.6 доли содержания ²³⁶U.

Уменьшить концентрацию ²³⁶U можно обогащением до 20% с последующим разбавлением. Число ступеней каскада, номер ступени подачи питания и начальные приближения для концентрации изотопов определяются из расчетов R-каскадов [11]. Наиболее эффективен R-каскад, построенный по ключевым изотопам ^235,236U. Однако при разбавлении концентрация ²³⁶U остается высокой 0.83% [10]. Снижение концентрации ^232,234U достигается в отвале R-каскада, построенного по ключевым компонентам ^234,235U.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА МНОГОПОТОЧНОЙ ДВУХКАСКАДНОЙ СХЕМЫ

Схема потоков системы двух каскадов приведена на рисунке. На основное питание первого каскада подается поток регенерированного гексафторида урана F₁. Дополнительные питания организуются в отборной части каскада. На первое из них подается поток отвального гексафторида урана природного происхождения D₁, на второе поток природного гексафторида урана D₂. Из каскада отбираются потоки отвала W₁, дополнительного отбора E и основного отбора P₁. Поток отвала обеднен по ^232–236U. Поток дополнительного отбора загрязнен ²³⁶U и равен потоку питания D₁. Он выводится из каскада с концентрацией ²³⁵U, соответствующей отвальному гексафториду урана на дополнительном питании. Это уменьшает дополнительные затраты работы разделения, связанные с использованием отвального гексафторида урана. Они обусловлены только смешением потоков с разной концентрацией изотопов в ступени дополнительного питания.

Поток основного отбора первого каскада обогащается ²³⁵U со снижением отношения масс ²³⁶U/²³⁵U. Он подается на питание второго каскада, в котором образуются потоки отбора P₂ и отвала W₂. Поток отвала обеднен ^232,233,234U и имеет примерно такую же концентрацию ^235,236U, что в питании. Продукт P₀, очищенный от ^232,234,236U, образуется при разбавлении потока отвала второго каскада разбавителем R до требуемой концентрации ²³⁵U. В качестве разбавителя целесообразно использовать низкообогащенный гексафторид урана или природный.

В расчетах задавали исходную концентрацию изотопов, соответствующую регенерированному урану из отработавшего топлива ВВЭР [2], %: ²³²U 1.5 × 10^–7, ²³³U 3 × 10^–7, ²³⁴U 1.6 × 10^–2, ²³⁵U 0.85, ²³⁶U 0.35, ²³⁸U 98.78. Основным параметром, с помощью которого рассчитывали каскады, является коэффициент σ_i ступеней (нумерация от отвала к отбору, $i = \overline {1,n} $). Он представляет собой отношение коэффициента обогащения изотопных компонентов по отвалу и отбору ступеней и не зависит от рассматриваемого изотопа. Полные коэффициенты разделения изотопов задали одинаковыми для всех ступеней. Их рассчитали для ^{232,233,234,235,236}U по отношению к ²³⁸U, исходя из принятого коэффициента на единицу разности массового числа q = 1.1. Суммарный поток питания ступеней $\sum L $ характеризовал число используемых разделительных элементов.

Расчеты первого каскада схемы проводили по видоизмененной методике [3]. Эта методика разработана для пятипоточного каскада с двумя питаниями, отвалом, основным и дополнительным отбором и обеспечивает заданную концентрацию ²³⁵U во внешних потоках. В расчетных соотношениях для шестипоточного каскада ввели поток второго дополнительного питания. Параметры рассчитывали по ступеням от отвала каскада к основному отбору при заданных внешних потоках, концентрации ²³⁵U в них и содержании ^{232,233,234,236}U в питаниях. Начальные приближения коэффициента ${{\sigma }_{i}}$ = 0.867 определили по R-каскаду с ключевыми изотопами ^235,238U.

Особенностью методики [3] является организация дополнительного отбора путем смешения потоков E_{s – 1}, E_s из отборов соседних ступеней с номерами s – 1, s и концентрацией ²³⁵U $C_{{4,s - 1}}^{'} < C_{4}^{E}$, $C_{{4,s}}^{'} \geqslant C_{4}^{E}$. Здесь $C_{4}^{E}$ – заданная концентрация ²³⁵U в дополнительном отборе. При потоке дополнительного отбора E эти параметры равны

При большом потоке питания отвального гексафторида урана потоки отбора ступеней с номерами s – 1, s могут быть меньше потоков E_{s – 1}, E_s. Их увеличивали подачей минимально необходимого потока питания природного гексафторида урана на втором дополнительном питании. Соотношение потоков дополнительных питаний выбирали также, учитывая требуемую концентрацию ²³⁶U в основном отборе.

Расчеты второго каскада проводили по методике [9]. Число ступеней, номер ступени подачи питания, коэффициент ${{\sigma }_{i}}$ = 0.716 соответствовали R- каскаду с ключевыми изотопами ^234,235U.

ОБОГАЩЕНИЕ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА С РАЗБАВЛЕНИЕМ НИЗКООБОГАЩЕННЫМ УРАНОМ С КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ²³⁵U 3.6%.

В табл. 1 приведены расчеты первого варианта схемы. На основном питании первого каскада задавали 100 т/год регенерированного гексафторида урана. На дополнительное питание подавали 320 т/год отвального гексафторида урана с концентрацией ²³⁵U 0.15 и ²³⁴U 4 × 10^–4%. Данный отвальный продукт почти не пригоден для обогащения, но эффективен для очистки регенерированного урана. На второе дополнительное питание подавали 80 т/год природного гексафторида урана с концентрацией ²³⁵U 0.711 и ²³⁴U 5.4 × 10^–3%. Концентрацию ²³⁵U в основном отборе приняли 19.9%, в отвале 0.1%. Число ступеней n = 38, номер ступени подачи основного питания f = 15. Наибольшее снижение концентрации ²³⁶U в основном отборе каскада обеспечивает организация питания отвальным гексафторидом урана в отборной ступени [10]. В связи с этим определили номер ступени d₁ = 38. Смещение второго дополнительного питания к основному отбору приводит к аналогичному эффекту. Однако возрастает суммарный поток питания, поэтому номер ступени второго дополнительного питания выбрали ближе к середине каскада: d₂ = 27.

Концентрация четных изотопов урана в основном отборе первого каскада существенно меньше, чем в аналогичном каскаде без дополнительных питаний, и составляет, %: ²³²U 2.39 × 10^–6, ²³⁴U 0.327, ²³⁶U 0.492. Наибольшее снижение в 11 раз характерно для ²³⁶U. Данный эффектдостигается увеличением суммарного потока питания каскада до 5522 г/с. Это объясняется значительными потоками дополнительных питаний. Следует отметить, что концентрация ^232–236U монотонно возрастает от отвала каскада к основному отбору. Профиль потока питания по ступеням имеет максимум в ступени подачи основного питания.

На питании второго каскада принимали параметры основного отбора первого каскада. Число ступеней в каскаде 155, номер ступени подачи питания 35. В отвале каскада образуется концентрация ²³⁵U 19.912%. Концентрация четных изотопов урана в отвале равна, %: ²³²U 5.72 × 10^–10, ²³⁴U 6.17 × 10^–2, ²³⁶U 0.493. Для ^232,234U это существенно меньше, чем в питании. Степень извлечения гексафторида урана в отвал составляет 99.7%. Поток питания изменяется по каскаду с максимумом в ступени подачи внешнего питания. Суммарный поток питания равен 94 г/c. Концентрация ^232,233,234U монотонно возрастает к отбору каскада. Концентрация ²³⁴U в отборе составляет 83.98%. Зависимость концентрации ²³⁵U от номера ступени характеризуется наличием максимума 95.83% в отвале 53-й ступени. Содержание ²³⁵U в отборе уменьшается до 16.02%. Концентрация ²³⁶U имеет небольшой максимум 0.695% в отборе 11-й ступени.

Отвал второго каскада можно разбавить потоком дополнительного отбора первого каскада до концентрации ²³⁵U 4.4%. Разбавленный отвал по ^232,234U соответствует требованиям спецификации ASTM C996–20 для обогащенного промышленного гексафторида урана. Концентрация ²³⁶U достаточно низкая 0.16%. Разбавитель в виде низкообогащенного гексафторида урана с концентрацией ²³⁵U 3.6% и ²³⁴U 2.98 × 10^–2% обеспечивает выполнение указанных требований по всем четным изотопам урана. Их содержание в 127.17 т/год продукта с концентрацией ²³⁵U 4.4% составляет, %: ²³²U 2.81 × 10^–11, ²³⁴U 3.14 × 10^–2, ²³⁶U 0.024.

Для производства 120.93 т/год разбавителя в каскаде с концентрацией ²³⁵U в отвале 0.1% требуется 692.75 т/год природного гексафторида урана. Суммарный поток питания такого каскада равен 2065 г/с. С учетом 80 т/год на питании первого каскада общий расход природного гексафторида урана составляет 772.75 т/год. Из них можно наработать в каскаде 109.8 т/год продукта, обогащенного по ²³⁵U до 4.4%, при концентрации отвала 0.1%. Следовательно, рассмотренная схема двух каскадов позволяет дополнительно образовать путем переработки 100 т/год регенерированного гексафторида урана 17.37 т/год обогащенного промышленного. Для производства аналогичного продукта потребовалось бы 123.3 т/год природного гексафторида урана.

ОБОГАЩЕНИЕ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА С РАЗБАВЛЕНИЕМ НИЗКООБОГАЩЕННЫМ УРАНОМ СКОНЦЕНТРАЦИЕЙ ²³⁵U 2.7%

В табл. 2 приведены расчеты второго варианта схемы. Число ступеней, номера ступеней подачи питаний, концентрацию ²³⁵U во внешних потоках и содержание изотопов в питаниях первого каскада задавали так же, как в первом варианте схемы. На питаниях этого каскада приняли 100, 590 и 240 т/год регенерированного, отвального и природного гексафторида урана соответственно. Концентрация четных изотопов урана в основном отборе меньше, чем в первом варианте схемы и составляет, %: ²³²U 1.34 × 10^–6, ²³⁴U 0.267, ²³⁶U 0.245. Значительное увеличение потоков отвального и природного гексафторида урана на дополнительных питаниях привело к возрастанию суммарного потока питания до 10473 г/с. Число ступеней во втором каскаде 155, номер ступени подачи питания 33. В отвале каскада образуется концентрация ²³⁵U 19.906%. Концентрация четных изотопов урана в отвале равна, %: ²³²U 5.15 × 10^–10, ²³⁴U 5.53 × 10^–2, ²³⁶U 0.246. Суммарный поток питания составляет 157 г/с. Характер изменения концентрации ^232–236U и потока питания по ступеням в каскадах не изменился по сравнению с первым вариантом. Исключение составляет первый каскад, для которого характерны два максимума потока питания рядом со ступенями подачи дополнительных питаний.

Отвал второго каскада эффективно разбавляется низкообогащенным гексафторидом урана с концентрацией ²³⁵U 2.7% и ²³⁴U 2.22 × 10^–2%. Разбавленный отвал по ^232,234,236U соответствует требованиям спецификации ASTM C996–20 для обогащенного промышленного гексафторида урана. Содержание четных изотопов урана в 113.01 т/год продукта с концентрацией ²³⁵U 4.4% составляет, %: ²³²U 5.09 × 10^–11, ²³⁴U 2.55 × 10^–2, ²³⁶U 0.024. Для производства 101.84 т/год разбавителя в каскаде с концентрацией ²³⁵U в отвале 0.1% требуется 433.36 т/год природного гексафторида урана. Суммарный поток питания такого каскада равен 1146 г/с. С учетом 240 т/год на питании первого каскада общий расход природного гексафторида урана составляет 673.36 т/год. Из них можно наработать в каскаде 95.68 т/год продукта, обогащенного по ²³⁵U до 4.4%, при концентрации отвала 0.1%. Таким образом, производство обогащенного промышленного гексафторида урана из регенерированного составляет 17.33 т/год.

ОБОГАЩЕНИЕ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА С РАЗБАВЛЕНИЕМ ПРИРОДНЫМ УРАНОМ С КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ²³⁵U 0.711%

В табл. 3 приведены расчеты третьего варианта схемы. Увеличение потоков отвального и природного гексафторида урана до 1100 и 500 т/год соответственно на питаниях первого каскада позволяет еще больше снизить концентрацию четных изотопов урана. В основном отборе каскада, аналогичном первым двум вариантам, концентрация четных изотопов урана составляет, %: ²³²U 7.78 × 10^–7, ²³⁴U 0.236, ²³⁶U 0.129. Суммарный поток питания равен 19445 г/с. Во втором каскаде число ступеней 155, номер ступени подачи питания 31. В отвале каскада образуется концентрация ²³⁵U 19.904%. Концентрация четных изотопов урана в отвале равна, %: ²³²U 4.83 × 10^–10, ²³⁴U 5.39 × 10^–2, ²³⁶U 0.129. Суммарный поток питания составляет 253 г/с. Характер изменения концентрации ^232–236U и потока питания по ступеням в каскадах не изменился по сравнению с вторым вариантом схесравнению с вторым вариантом схемы.

Отвал второго каскада можно разбавить природным гексафторидом урана. Разбавленный отвал по ^232,234,236U соответствует требованиям спецификации ASTM C996–20 для обогащенного промышленного гексафторида урана. Содержание четных изотопов урана в 99.76 т/год продукта с концентрацией ²³⁵U 4.4% составляет, %: ²³²U 9.28 × 10^–11, ²³⁴U 1.47 × 10^–2, ²³⁶U 0.025. Общий расход природного гексафторида урана равен 580.59 т/год. Из них можно произвести в каскаде 82.5 т/год продукта, обогащенного по ²³⁵U до 4.4%, при концентрации ²³⁵U в отвале 0.1%. Следовательно, производство обогащенного промышленного гексафторида из регенерированного составляет 17.26 т/год.

Рассмотренные примеры показывают, что переход к разбавителю с меньшей концентрацией ²³⁵U снижает расход природного гексафторида урана. Однако возрастает число разделительных элементов, характеризуемое суммарным потоком питания. Следует отметить, что высокоактивный отбор второго каскада схемы необходимо разбавлять до ядерно безопасной смеси с концентрацией ²³⁵U менее 1%. Для этой цели подходит отвальный гексафторид урана с низкой концентрацией ²³⁵U 0.1% из первого каскада схемы. После разбавления данный продукт следует отправить на долговременное хранение.

Рис. 1.

Схема потоков системы двух каскадов (F_i, P_i – потоки основного питания и отбора i-го каскада, D_i, E – потоки дополнительного питания и отбора; W_i – потоки отвала i-го каскада, R – разбавитель, P₀ – поток продукта).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многопоточная двухкаскадная схема существенно снижает концентрацию ^232,234,236U в обогащенном регенерированном гексафториде урана. Ее эффективность обусловлена использованием отвального, природного и низкообогащенного гексафторида урана на отдельных стадиях процесса. Продукт, образованный после разбавления отвала второго каскада, удовлетворяет требованиям ASTM C996–20, установленным для обогащенного промышленного гексафторида урана.

ОБОЗНАЧЕНИЯ