ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТВАЛЬНОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА

Фиськов А.А., Макасеев А.Ю.
Северский государственный технологический институт


В атомной промышленности при осуществлении уран-плутониевого ядерного топливного цикла происходит постоянное образование и накопление значительных количеств обедненного по изотопу U235 гексафторида урана (UF6). Для получения энергетического уранового топлива эта проблема не так актуальна, так как в ТВЭлах используется низкообогащенный (до 5 %) по изотопу-235. При производстве оружейного урана (95 % U235) требуется значительное обогащение и практически 95-96 % поступившего на предприятие урана в виде гексафторида уходит в отвал.

Отвальный UF6 хранится в герметичных стальных емкостях, обычно прямо на территории разделяющих заводов. К настоящему времени в мире накоплено более миллиона тонн этого вещества. Долговременное хранение отвального UF6 приводит к коррозии и растрескиванию стальных контейнеров, требует постоянных финансовых затрат на эксплуатацию хранилищ, приводит к замораживанию использования одного из ценных компонентов — элементного фтора. Особую опасность представляет долговременное хранение отвального UF6, как потенциальный источник возможного загрязнения окружающей среды радиоактивным легколетучим фторсодержащим веществом.

Данная работа посвящена обзору методов переработки отвального UF6 с целью извлечения из него фтора и получения компактного урана, удобного для последующего хранения.

В различных странах мира выполнено множество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по обращению с отвальным гексафторидом урана. Например, гидролиз UF6 в водяных парах: 3UF6+9H2O =U3O8+18HF+1/2O2-220кДж/моль.

Реакцию осуществляют в футерованном серебром и свинцом, охлаждаемом реакторе пропусканием газообразного UF6 через воду. Недостатком этого метода является сложное аппаратурное оформление, а так же образование значительных количеств жидких отходов, которые также необходимо утилизировать.

UF6 может быть использован как мягкий фторирующий агент для получения различных фторорганических соединений. Уран, при этом, переходит в твердую четырехвалентную форму. Однако, использование радиоактивного фторирующего реагента ограничивает область применения получаемой фторорганики.

В СГТИ в сотрудничестве с Сибирским химическим комбинатом разрабатываются два метода утилизации отвального UF6 – плазмохимическим и электролизным способом.

В электрохимическом способе отвальный UF6 испаряют из стальных ёмкостей и падают в газовой фазе в электролизёр под слой электролита. Электролит представляет собой расплав низкоплавкой эвтектики фторидных солей щелочных и щелочноземельных металлов(tпл=4270), хорошо поглощающий UF6. На катоде выделяется U,а на графитовом аноде – F2.

В качестве катода можно использовать стальной лист или расплавы Zn и Cd. Достоинством данного метода является получение чистого металлического урана и фтора, которые являются очень дорогостоящими продуктами. Основным недостатком предлагаемого способа является наличие сильноагрессивной среды в электролизере, что резко сокращает ресурс последнего.

Простотой технологической схемы и аппаратурного оформления отличается способ плазмохимического гидролиза (ПХГ) отвального UF6. Процесс осуществляется по реакции: 3UF6+9H2O =U3O8+18HF+1/2O2-220кДж/моль, Т=1500К. В качестве плазмообразующего газа используется смесь водяного пара с воздухом. Технология включает следующие основные стадии:
— генерация пароводяной электродуговой плазмы;
— стадию высокотемпературного ПХГ, проводимого в плазмохимическом реакторе;
— стадию разделения твердой (U3O8) и газовой (HF, H2O) фаз продуктов ПХГ;
— стадию конденсации парогазовой фазы продуктов гидролиза;

Достоинствами данного метода являются: получение компактного и неактивного ультрадисперсного U3O8; относительная простота (первые три стадии протекают в одном аппарате); компактность и дешевизна схемы, за счет использования высоконадежных плазмотронов и недорогих конструкционных материалов; высокая производительность плазмохимической установки; не требовательность к составу исходных веществ; практически полная безотходность схемы. Недостатком схемы, по нашему мнению, является невозможность получения безводного HF. Хотя, плавиковая кислота имеет также высокую стоимость и пользуется повышенным коммерческим спросом.

Таким образом, существует реальная возможность утилизировать огромные накопления отвального UF6, с получением урана в компактной форме и фтор-иона.