РАДИОХИМИЯ, 2022, том 64, № 3, с. 276-280

УДК 621.039.73

ПРОРАБОТКА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРЕРАБОТКИ РАСТВОРОВ УРАН-БЕРИЛЛИЕВОГО

ТОПЛИВА

К. Н. Двоеглазов^a, Д. В. Зверев^a, М. В. Логуновa,б, В. С. Ермолин^б

^а Высокотехнологический научно-исследовательский институт

неорганических материалов им. А.А. Бочвара, 123060, Москва, ул. Рогова, д. 5а

^б ПО «Маяк», 456784, Озерск Челябинской обл., ул. Ленина, д. 31

*e-mail: amsafiulina@bochvar.ru

Поступила в редакцию 29.06.2021, после доработки 06.12.2021, принята к публикации 07.12.2021

Представлены результаты экспериментов по проверке режимов экстракционного извлечения урана из

растворов уран-бериллиевого ядерного топлива. Показано, что степень извлечения урана при экстракции

раствором 10 об% ТБФ в РЭД-3 из азотнокислого раствора этого топлива составляет 98.7%. Выход

урана в реэкстракт составляет 97.9%. Более 99.99% бериллия переходит в рафинат экстракционной

переработки, направляемый далее на остекловывание. Результаты работы были использованы при

подготовке технологических регламентов на переработку уран-бериллиевого ОЯТ на заводе РТ-1

ПО «Маяк». Промышленная переработка этого топлива подтвердила определенные в этой работе

показатели.

Ключевые слова: ядерное топливо, уран, бериллий, тепловыделяющие элементы, азотная кислота,

экстракция, трибутилфосфат (ТБФ), рафинат, реэкстракт, селективность, переработка ОЯТ.

DOI: 10.31857/S0033831122030108, EDN: FQJNJI

ВВЕДЕНИЕ

условливалась тем особым, по сравнению с иными

видами ОЯТ, обстоятельством, что молярная кон-

Одной из текущих задач завода РТ-1 в настоящее

центрация балластного материала - бериллия - в

время стала переработка отработавшего топлива

растворе данного топлива почти в 150 раз превос-

мелкосерийных реакторов. Показательным приме-

ходит аналогичный показатель для урана. Кроме

ром являются установки типа ВТ с топливной ком-

того, некоторые эффекты, например, вызванные

позицией из уран-бериллиевого сплава.

внутриаппаратным рефлаксированием одного из

Технология завода РТ-1 включает стадии рас-

компонентов, могли быть зафиксированы только

творения топлива и экстракционной переработки

при переработке укрупненной партии. Негативное

(вариант пурекс-процесса) полученных растворов.

влияние макроконцентрации бериллия на очистку

Перед поступлением на завод нового материала не-

урана от продуктов деления не прогнозировалось, в

обходимо экспериментально подтвердить возмож-

связи с чем проводить испытания на растворах об-

ность его переработки по указанной технологии.

лученного уран-бериллиевого топлива было неце-

В сообщении [1] описана проверка режимов

лесообразно. Таким образом, раствор, полученный

операции растворения на укрупненных партиях

при выполнении экспериментов, результаты кото-

уран-бериллиевого топлива. Следующим этапом

исследовательской работы являлась стендовая про-

рых приведены в сообщении [1], являлся вполне

верка возможности экстракционной очистки урана

пригодным для отработки на нем технологии экс-

от бериллия. Целесообразность такой проверки об-

тракционной переработки растворов уран-берил-

276

277

ПРОРАБОТКА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

9Э

1П

2П

6ЭС

БЛОК I

10ЭСU

10 11 12 13

12ЭU

11PBe

БЛОК II

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

7PU

9Э

4С

БЛОК III

24 25 26

Органическая фаза

5Щ

Водная фаза

8СР

Рис. 1 Схема экстракционно-сепарационной установки.

лиевого топлива. Результаты стендовой проверки

ков исходного раствора и экстрагента обеспечива-

приведены в настоящей работе.

ло насыщение экстрагента ураном не более 50%

от его теоретической емкости. Аналогичная мера

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

применяется и в действующем производстве из со-

ображений обеспечения ядерной безопасности при

Стендовый эксперимент по проверке эффек-

переработке растворов обогащенного урана (уран

тивности экстракционного извлечения урана и его

в уран-бериллиевом топливе обогащен до 90% по

очистки от бериллия, свинца, висмута и продуктов

изотопу ²³⁵U). Эксперимент выполняли на стендо-

коррозии (на примере железа) провели с использо-

ванием в качестве исходного продукта осветленно-

вой базе ВНИИНМ.

го раствора необлученного уран-бериллиевого то-

Процесс переработки растворов уран-берилли-

плива объемом ~13.5 л. Состав исходного водного

евого топлива на экстракционном стенде включал

раствора приведен в табл. 1.

следующие стадии:

В качестве экстрагента применяли раствор

- экстракцию урана из исходного раствора экстра-

10 об% ТБФ в углеводородном разбавителе РЭД-3

гентом вышеуказанного состава при соотношении

(смесь нормальных углеводородов ряда жидких

парафинов, аналогичная используемым на заводе

объемов органического (О) и водного (В) растворов

РТ-1 разбавителям). При этом соотношение пото-

О : В = 1 : 3 на 10 экстракционных ступенях блока I;

Таблица 1. Состав исходного уран-бериллиевого раствора

Концентрации катионов металлов, г/л

HNO₃, моль/л

2.90

4.22

23.60

5.58

4.14

2.82

1.24

0.34

0.27

РАДИОХИМИЯ том 64 № 3 2022

278

ВОЛК и др.

Таблица 2. Расходы и составы потоков экстракционной установки

Шифр

Расход,

HNO₃,

Содержание, г/л

Название

потока

мл/ч

моль/л

1П

Поток питания

2100

по таблице 1

Промывной

2П

4.0

раствор

3Р

Реэкстрагент

280

0.1

Содовый

4С

раствор

Щелочной

5Щ

раствор

Экстрагент для

6ЭС

сепаратора

7РU

Реэкстракт U

280

0.6

3 × 10^-3

2 × 10^-3

≤0.1 × 10^-3

0.5 × 10^-3

1 × 10^-3

Содовый

8CР

0.16

0.3 × 10^-3

≤0.1 × 10^-3

0.6 × 10^-3

регенерат

9Э

Экстрагент

628

Экстрагент из

10ЭСU

0.3

≤1 × 10^-3

0.4 × 10^-3

≤0.1 × 10^-3

6 × 10^-3

1 × 10^-3

17 × 10^-3

сепаратора

11PBe

Рафинат

2170

3.2

≤0.1 × 10^-3

23.31

4.04

4.81

2.91

1.11

12ЭU

Экстракт U

700

0.2

12.5

1 × 10^-3

≤ 0.5 × 10^-3

≤0.5 × 10^-3

0.6 × 10^-3

– промывку экстракта урана раствором 4 моль/л

творов в блоке) составляло 1-1.2 ч на этапе экс-

HNO₃ при О : В = 10 : 1 на 3 экстракционных сту-

тракции и промывки и около 35 мин - в операции

пенях блока I;

реэкстракции.

- контрольное доизвлечение урана из рафината

Как было указано выше, стенд помимо экстрак-

отдельным потоком экстрагента в массообменном

ционных блоков включал сепараторы - массооб-

сепараторе при О : В = 1 : 30;

менные аппараты, устройство и описание работы

- реэкстракцию урана разбавленной кислотой

которых изложены в работах [2, 3]. Сепараторы

при О : В = 2.5 : 1 на 10 экстракционных ступенях

применяли для тонкой очистки выходных про-

блока II;

дуктов от следов противоположной фазы (водной

- карбонатно-щелочную регенерацию отработанно-

фазы от органической и наоборот). Сепараторы не

го экстрагента, выполняемую последовательно на 3

используются в действующей технологии, но они

экстракционных ступенях при О : В = 10 : 1 (кар-

были включены в технологическую схему стенда

бонатная обработка) блока III и в массообменном

для проверки их работы. Присутствие этих аппара-

сепараторе при О : В = 40 : 1 (щелочная обработка).

тов в схеме стенда не влияло на параметры экстрак-

Схема экстракционно-сепарационной установки

ционной переработки растворов.

приведена на рис. 1, расходы и составы потоков -

Аналитический контроль по распределению

в табл. 2.

металлов в фазах выполняли на оптико-эмиссион-

В качестве экстракционного оборудования уста-

Таблица 3. Распределение примесей в водной фазе по

новки использовали лабораторные центробежные

ступеням промывки

экстракторы типа ЭЦР-33 и ЭЦР-33ф. Для дозиро-

Номер

Концентрации ионов металлов, мг/л

вания водных и органических растворов применяли

ступени

перистальтические насосы MasterFlex.

6.2

3.4

158

1.2

Расчетное время выхода экстракционного блока

5.3

2.6

1.0

6.5

на стационарный режим (пятикратный обмен рас-

4.5

2.3

2.5

0.9

РАДИОХИМИЯ том 64 № 3 2022

279

ПРОРАБОТКА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 4. Распределение (выход) урана и бериллия из

исходного уран-бериллиевого раствора в конечные во-

дные продукты экстракционного процесса

Массовые доли компонентов, %

Продукт

Уран

Бериллий

Рафинат

0.02

99.99

Экстракт

~98.7

1.4 × 10^-2

Содовый регенерат

~0.13

4.2 × 10^-5

ном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой

Рис. 2. Распределение урана по водной фазе ступеней

Prodigy.

блока экстракции и промывки экстракта урана

Концентрацию азотной кислоты в водных рас-

творах определяли потенциометрическим титрова-

пающего на экстракционную переработку, будет по-

нием с использованием автоматического титратора

падать в рафинат первого экстракционного цикла.

T50 Mettler Toledo.

Итоговые значения коэффициентов очистки ура-

на от примесных металлов, достигнутые в экстрак-

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ционном эксперименте с раствором уран-бериллие-

Стендовая проверка прошла без технологиче-

вого топлива, приведены в табл. 5.

ских нарушений. Суммарное время работы уста-

новки после запуска составило 6.1 ч, в том числе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5 ч в стационарном режиме переработки.

На рис. 2 показано распределение урана по

(1) Степень извлечения урана раствором 10 об%

водной фазе ступеней блока I. Очевидно, что прак-

ТБФ в РЭД-3 из азотнокислого раствора уран-

тически полное извлечение урана происходит на

бериллиевого топлива, содержащего ~4.2 г/л U,

двух ступенях зоны экстракции.

23.6 г/л Be и ~3 моль/л HNO₃, на 10 ступенях

В табл. 2 представлены аналитические данные

экстракции в режиме 3-кратного концентрирования

о содержании урана и примесных металлов в про-

(О : В = 1 : 3) составляет 99.99%. При этом

межуточных и выходных продуктах стенда. Видно,

концентрация урана в рафинате экстракционного

что извлечение урана из раствора уран-бериллие-

блока (≤100 мкг/л) более чем на порядок ниже

вого топлива в экстракт в блоке I составило 98.7%.

регламентных норм на его содержание в жидких

Кратность концентрирования урана в целом по схе-

высокоактивных отходах первого экстракционного

ме составила 7.3.

цикла от переработки высокообогащенного

В табл. 3 показан концентрационный профиль

топлива.

примесных металлов в водной фазе промывной

(2) Выход урана при реэкстракции на 10 ступе-

зоны. Данные свидетельствуют о некоторой соэкс-

нях при О : В = 2.5 : 1 в конечный реэкстракт со-

тракции висмута и железа, а также высокой эффек-

ставляет 97.9% (к исходному).

тивности промывки экстракта урана.

В табл. 4 представлены результаты балансовых

(3) Коэффициенты очистки урана от бериллия,

расчетов распределения урана и бериллия по ко-

свинца и висмута на головном экстракционном ци-

нечным водным продуктам экстракционной схемы,

кле переработки могут достигать 5.8 × 10⁴, 2 × 10⁴ и

которые показывают, что 99.99% бериллия, посту-

3 × 10⁵ соответственно.

Таблица 5. Коэффициент очистки урана от примесных элементов при экстракционной переработке раствора необлу-

ченного уран-бериллиевого топлива

Элемент

Коэффициент очистки урана

5.8 × 10⁴

2.1 × 10⁴

3.1 × 10⁵

4.2 × 10⁴

9.2 × 10³

РАДИОХИМИЯ том 64 № 3 2022

280

ВОЛК и др.

(4) Более 99.99% бериллия, поступающего на

мышленная переработка этого топлива подтвердила

экстракционную переработку с раствором уран-бе-

определенные в этой работе показатели.

риллиевого топлива, будет попадать в рафинат и

далее в составе жидких высокоактивных отходов

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

направляться на остекловывание.

(5) Содовые регенераты от операции регене-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-

рации оборотного экстрагента при переработке

тересов.

уран-бериллиевого топлива с точки зрения содер-

жания бериллия (менее 1 мг/л) практически не от-

личаются от аналогичных растворов, образующих-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ся при переработке штатного оксидного топлива, и

могут быть утилизированы по стандартным техно-

Арсеенков Л.В., Сафиулина А.М., Волк В.И., Двоегла-

логиям предприятия.

зов К.Н., Зверев Д.В., Логунов М.В., Ермолин В.С. //

Радиохимия. 2022. Т. 64, № 3. С. 270-275.

(6) Для повышения выхода урана в конечный

продукт экстракционного цикла (реэкстракт) и соз-

Волк В.И., Веселов С.Н., Жеребцов А.А. Зве-

дания дополнительного запаса стабильности кон-

рев Д.В. // Радиохимия. 2010. Т. 52. № 5. С. 425-427

центрирования целесообразно увеличить число

(Volk V.I., Veselov S.N., Zherebtsov A.A. Zverev D.V. //

ступеней в зоне реэкстракции и/или организовать

Radiochemistry. 2010. Vol. 52. P. 502-505.

проведение реэкстракции урана при повышенной

https://doi.org/10.1134/S1066362210050103)

температуре.

Волк В.И., Веселов С.Н., Жеребцов А.А. Рубисов Н.В. //

Результаты исследования были использованы

Радиохимия. 2010. Т. 52, № 5. С. 428-432 (Volk V.I.,

при подготовке технологических регламентов на

Veselov S.N., Zherebtsov A.A. Rubisov N.V.

переработку облученного уран-бериллиевого ядер-

Radiochemistry. 2010. Vol. 52. P. 506-511.

ного топлива на ПО «Маяк». Состоявшаяся про-

https://doi.org/10.1134/S1066362210050115)

РАДИОХИМИЯ том 64 № 3 2022