Способ восстановления безводного фтористого водорода из обедненного гексафторида урана

 

Изобретение относится к обработке обедненных урановых смесей, в частности к способу восстановления безводного фтористого водорода из обедненного гексафторида урана. Способ заключается в том, что осуществляют реакцию обедненного газообразного гексафторида урана с водой в газообразном состоянии с получением фтористого уранила и смеси фтористого водорода и воды, осуществляют реакцию фтористого уранила и воды в газообразном состоянии с получением восьмиоксида триурана, соединяют смеси из первой и второй реакции фтористого водорода и воды с получением воды, фтористого водорода и кислорода, после чего их разделяют с получением безводного потока, включающего в себя фтористый водород и кислород. При отделении от этого потока кислорода, можно получить фтористый водород. Результатом является создание способа, обеспечивающего удаление гексафторида урана путем его взаимодействия с определенными реагентами для получения промышленно пригодного продукта. 2 с.п. , 15 з.п.ф-лы., 5 табл, 1 ил.

Изобретение относится, в основном, к обработке обедненных урановых смесей. Более конкретно, настоящее изобретение относится к методу восстановления безводного фтористого водорода из обедненного гексафторида урана, в особенности к методу осуществления реакции гексафторида урана с водой для получения безводного втористого водорода.

Процессы получения промышленно пригодных изотопов урана из урановой руды хорошо известны. Эти процессы обычно включают в себя преобразование встречающегося в природных рудах урана, содержащего несколько изотопов урана, в гексафторид урана. Затем желательные изотопы урана, такие, как U235, экстрагируются из гексафторида урана посредством процесса обогащения. Обедненный гексафторид урана, получающийся в результате процесса обогащения, является побочным продуктом, который существенно обеднен U235 и другими желаемыми изотопами, однако богат менее пригодными изотопами урана, такими, как U238. Таким образом, обедненный гексафторид урана имеет небольшую коммерческую ценность, но является несколько радиоактивным и создает трудности с его удалением.

Поскольку не разработан безопасный и экономичный способ удаления обедненного гексафторида урана, в течение последних десятилетий большие количества этого материала просто герметически помещались в цилиндры из углеродистой стали и хранились в них в ожидании создания альтернативного метода удаления.

Хранение обедненного гексафторида урана в его радиоактивном состоянии не является долгосрочным решением этой проблемы, потому что, хотя материал относительно инертен к стали, нахождение цилиндра в окружающей среде достаточно продолжительный период времени может привести к коррозии его корпуса снаружи. При нарушении целостности цилиндра результирующее выделение вредного материала в окружающую среду даже в небольших количествах создает значительную угрозу для здоровья.

Следовательно, существует необходимость создания метода удаления обедненного гексафторида урана, экономичный и безопасный для окружающей среды.

Задачей настоящего изобретения является создание способа обработки обедненного гексафторида урана, обеспечивающего его удаление путем его взаимодействия с определенными реагентами для получения промышленно пригодного продукта, в данном случае безводного фтористого водорода.

Настоящее изобретение представляет собой способ преобразования обедненного гексафторида урана в два отличных и отделимых друг от друга продукта. Первый продукт - это жидкий безводный фтористый водород, восстанавливаемый для промышленного использования. Второй продукт - это твердый восьмиоксид урана, который можно удалить традиционными методами. Третий состав, получающийся в результате данного способа, это жидкий азеотроп воды и фтористого водорода, который испаряется и частично или полностью подвергается повторному циклу, переходя обратно в исходное сырье для питания процесса. В итоге настоящий способ позволяет получить коммерчески ценный материал, одновременно снижая объем и обезвреживая удаленный материал.

Этот способ включает в себя объединение в реакторе два газообразных потока. Один подаваемый поток состоит из обедненного гексафторида урана, а другой - из газообразной смеси для повторного цикла фтористого водорода и пара, а также возможно, из дополнительного количества нового пара. Гексафторид урана реагирует с паром в реакторе, давая в результате промежуточное вещество фтористый уранил и первую газообразную смесь, содержащую фтористый водород и воду. Первую смесь и промежуточное вещество по отдельности восстанавливают из реактора. Промежуточное вещество подается во второй реактор, тогда как первую смесь обрабатывают методом, описанным ниже.

Во второй реактор вместе с промежуточным веществом подается новый пар. Они реагируют между собой, давая в результате продукт - восьмиоксид триурана и вторую газообразную смесь, содержащую воду, фтористый водород и кислород. Вторую смесь и восьмиоксид триурана по отдельности восстанавливают из второго реактора. Восьмиоксид триурана изолируется с целью удаления, а вторая смесь объединяется с первой смесью, полученной из первого реактора, для образования третьей смеси, которая подается в сепаратор. Третья смесь разделяется в сепараторе на два выпускных потока. Один выпускной поток представляет собой газообразную смесь кислорода и безводного фтористого водорода, которая, в основном, свободна от присутствия воды. Второй выпускной поток - это жидкий азеотроп, образованный фтористым водородом и водой. Смесь кислорода и безводного фтористого водорода подается в конденсатор, где два компонента разделяются на жидкий безводный фтористый водород, который восстанавливается для последующего коммерческого использования, и газообразный кислород, который выпускается в газоочиститель (скруббер). Между тем, жидкий азеотроп испаряется и частично или во всем объеме проходит через второй цикл обработки, возвращаясь к первому реактору в качестве реагента и с целью снижения требуемой подачи нового пара.

Новые признаки этого изобретения, включая принципы работы, можно лучше понять из сопроводительного чертежа в сочетании с нижеследующим описанием, где на чертеже представлена схематическая технологическая схема способа согласно настоящему изобретению.

На чертеже рабочие блоки, используемые по способу настоящего изобретения, включают в себя первый реактор 1, второй реактор 2, сепаратор 3, подогреватели 4, 5, 6 и конденсатор 7. Потоки материалов, определяемые этим способом, обозначены 8 - 20 и со ссылками на эти цифры они будут далее описаны.

Два подаваемых потока 8, 9 вначале подаются в первый реактор 1 для того, чтобы в нем прореагировать. Поток 8 содержит обедненный гексафторид урана (UF₆) в газообразном состоянии. Поток 9 содержит поток повторного цикла от сепаратора 3, который будет охарактеризован ниже, и поток нового пара 10 от подогревателя 4, при необходимости. Желательно, чтобы содержание воды в потоке 9 стехиометрически превышало содержание воды в потоке 8 и, особенно желательно, чтобы это превышение составляло от приблизительно 100 до приблизительно 500%, при этом, чтобы смешивание потоков 8 и 9 происходило внутри первого реактора 1.

Внутри первого реактора 1 поддерживается температура приблизительно между 400^o и 800^o по Фаренгейту, желательно, приблизительно между 500^o и 600^o по Фаренгейту, и, кроме того, поддерживается давление приблизительно между 1,0 и 1,5 атм. Гексафторид урана и вода реагируют в реакторе, давая в результате два выпускных потока 11, 13 из реактора в соответствии с обобщенным уравнением реакции (1): (1) UF₆ + 2H₂O __ UO₂F₂ + 4HF. Как показывает уравнение (1), выпускной поток 11 содержит твердый фтористый уранил (UO₂F₂), а выпускной поток 12 содержит первую газообразную смесь фтористого водорода и воды. Выпускные потоки 11 и 12 восстанавливаются по отдельности из первого реактора 1. Поток 11 подается на второй реактор 2, куда также подается поток 13, включающий в себя пар из подогревателя 5. Желательно, чтобы содержание воды в потоке 13 стехиометрически превышало содержание воды в потоке 11, желательно, чтобы это превышение составляло от приблизительно 200 до 300%.

Пар вступает в реакцию со фтористым уранилом во втором реакторе 2, внутри которого поддерживается температура приблизительно между 800^o и 1100^o по Фаренгейту, желательно, приблизительно между 850^o и 950^o по Фаренгейту, и, кроме того, поддерживается давление приблизительно между 1,5 и 2,5 атм., желательно, приблизительно между 1,0 и 1,5 атм. Продукт реакции воды и фтористого уранила во втором реакторе 2 составляют выпускные потоки 14 и 15 из реактора, которые характеризуются в соответствии с обобщенным уравнением реакции (2): (2) 3UO₂F₂ + 3H₂O __ U₃O₈ + 6HF 1/2O₂. Как показывает уравнение (2), выпускной поток 14 содержит твердый восьмиоксид триурана (U₃O₈), а выпускной поток 15 содержит вторую газообразную смесь воды, фтористого водорода и кислорода. Выпускные потоки 14 и 15 восстанавливаются по отдельности из второго реактора 2, при этом восьмиоксид триурана из потока 14 изолируется из процесса для его удаления. Поток 15 объединяется с потоком 12 из первого реактора для образования потока 16, содержащего смесь воды, фтористого водорода и кислорода, который обрабатывается в сепараторе 3.

В зависимости от температуры и давления потока 16 он может находиться полностью в газообразном состоянии или же может находиться в двух состояниях, когда вода и фтористый водород находятся в жидком состоянии, а кислород - в газообразном состоянии. Соединение потоков 12 и 15 для образования потока 16 в объеме данного изобретения включает в себя смешивание этих потоков до блока 3 или же внутри этого блока.

В любом случае желательно, чтобы сепаратор 3 представлял собой обычную дистилляционную колонку, где поток 16 разделяется на газообразный выпускной поток 17 и на жидкий выпускной поток 18. Выпускной поток 17 представляет собой газообразную смесь кислорода и безводного фтористого водорода, которая, в основном, свободна от присутствия воды, т.е. содержит менее 500 частиц воды на миллион. Затем выпускной поток 17 может подаваться в конденсатор 7, где она разделяется на потоки 19 и 20. Поток 19 - это, в основном, коммерчески пригодный жидкий безводный фтористый водород, а поток 20 представляет собой газообразный кислород, который можно выпустить в скруббер (не показано).

Выпускной поток 18 представляет собой жидкий азеотроп фтористого водорода и воды. Состав азеотропа - это приблизительно 38% безводного фтористого водорода и 62% воды по весу. Поток 18 испаряется в подогревателе 6 и проходит повторный цикл, частично или полностью возвращаясь в поток 9, который подается на первый реактор 1 как замена потока 10 или как добавление к нему.

Нижеследующие примеры показывают практическое действие и применимость настоящего изобретения, однако их нельзя считать ограничивающими его объем.

В качестве примера проводятся пять демонстраций настоящего способа. При каждой демонстрации менялось процентное превышение подачи в первой и во второй реактор. В первом примере 150% избыточной воды после повторного цикла подается в первый реактор и 300% избыточной воды подается во второй реактор. Во втором примере 200% избыточной воды из повторного цикла подается в первый реактор и 300% избыточной воды подается во второй реактор. В третьем примере 250% избыточной воды из повторного цикла подается в первый реактор и 300% избыточной воды подается во второй реактор. В четвертом примере 400% избыточной воды из повторного цикла подается в первый реактор и 300% избыточной воды подается во второй реактор. В пятом примере 500% избыточной воды из повторного цикла подается в первый реактор и 300% избыточной воды подается во второй реактор.

Материальные балансы представлены в таблицах I - V, которые соответствуют примерам 1 - 5, соответственно. В каждом примере подавалось 100 фунтов UF₆. Название столбцов в таблицах скоррелированы с соответствующим образом обозначенными блоками или потоками на чертеже.

Как видно из примеров, способ согласно этому изобретению позволяет уменьшить количество подлежащих удалению отходов приблизительно на 20 весовых процентов и, в то же время, получать около 34 фунтов продукта - безводного фтористого водорода коммерческого уровня на каждые 100 фунтов подаваемого гексафторида урана.

Хотя данный конкретный процесс восстановления безводного фтористого водорода из обедненного гексафторида урана, представленный и подробно описанный здесь, полностью способен достигнуть результата и получить преимущества, изложенные выше, следует понимать, что он просто описывает предпочтительные в настоящее время реализации этого изобретения и что он не предлагает никаких ограничений в отношении работы, подобно представленной здесь, за исключением тех, которые описаны в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Способ восстановления безводного фтористого водорода из обедненного газообразного гексафторида урана, включающий в себя реакцию обедненного газообразного гексафторида урана с водой в газообразном состоянии в первой зоне реакции с получением промежуточного вещества фтористого уранила и первой смеси фтористого водорода и воды, реакцию полученного в первой зоне реакции фтористого уранила с водой в газообразном состоянии во второй зоне реакции с получением восьмиоксида триурана и второй смеси, образованной водой и фтористым водородом, соединение полученных первой и второй смесей с образованием третьей смеси, включающей в себя воду, фтористый водород и кислород, а также дистилляцию с получением безводного фтористого водорода, отличающийся тем, что вторая смесь включает в себя также кислород, при этом дистиллируют указанную третью смесь в зоне разделения с получением безводного потока, включающего в себя безводный фтористый водород и кислород, и водного потока, образованного азеотропом воды и фтористого водорода, нагревают водный поток для образования газообразного потока рециркулированного цикла и соединяют указанный газообразный поток рециркулированного цикла с указанным обедненным газообразным гексафторидом урана с указанным обедненным газообразным гексафторидом урана в указанной первой зоне реакции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный водный поток имеет жидкое состояние.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный газообразный поток для рециркулированного цикла рециркулируют в упомянутый газообразный поток для первой зоны реакции.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделяют кислород в указанной безводном потоке с образованием автономного безводного фтористого водорода.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанная вода в газообразном состоянии для первой зоны реакции, в основном, представляет собой указанный газообразный поток для повторного цикла.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в потоке воды в газообразном состоянии для первой зоны реакции подают дополнительный пар и газообразную смесь пара и в фтористого водорода из указанного газообразного потока для повторного цикла.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что с водой в газообразном состоянии для второй зоны реакции подают новый пар.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаляют указанный восьмиоксид триурана.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная третья смесь включает в себя газообразный кислород и жидкий раствор воды и фтористого водорода.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные первая и вторая смеси имеют газообразное состояние.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный водный поток представляет собой жидкий азеотроп воды и фтористого водорода.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что вода в газообразном состоянии для первой зоны реакции имеет стехиометрический избыток воды.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что вода в газообразном состоянии для второй зоны реакции имеет стехиометрический избыток воды.

14. Способ восстановления безводного жидкого фтористого водорода из обедненного газообразного гексафторида урана, включающий в себя реакцию обедненного газообразного гексафторида урана с паром в первой зоне реакции с получением промежуточного вещества фтористого уранила и первой газообразной смеси фтористого водорода и воды, реакцию полученного в первой зоне реакции фтористого уранила с паром во второй зоне реакции с образованием восьмиоксида триурана и второй газообразной смеси, включающей в себя воду, и фтористый водород, соединение полученных первой и второй газообразных смесей с получением третьей смеси, образованной водой, фтористым водородом и кислородом, а также разделение с получением безводного фтористого водорода, отличающийся тем, что вторая смесь включает в себя кислород, при этом разделяют указанную третью смесь в зоне разделения с получением безводного жидкого потока, включающего в себя безводный фтористый водород и газообразный кислород, и водного потока, образованного азеотропом воды и фтористого водорода, испоряют полученный азеотроп с образованием газообразного потока для рециркулированного цикла, включающего в себя пар и фтористый водород и указанный газообразный поток для рециркулированного цикла рециркулируют в указанную первую зону реакции.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что разделяют кислород и безводный фтористый водород в указанном жидком потоке.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что пар для первой зоны реакции включает в себя, в основном, указанный газообразный поток для повторного цикла.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что указанную третью смесь разделяют путем конденсирования на газообразный кислород и жидкий раствор, образованный водой и фтористым водородом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2