ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПИРОГИДРОЛИЗ ОТВАЛЬНОГО ГЕКСАФТОРИДА УРАНА

Мясников М. С., Хохлов В. А., Макасеев А.Ю.
Северский государственный технологический институт


На предприятиях, занятых разделением изотопов урана, в настоящее время существует проблема, которая заключается в накоплении избыточных количеств так называемого отвального гексафторида урана (UF6). Для разделения изотопов U235 и U238 газодиффузионным методом или методом газового центрифугирования во всём мире применяется UF6. В результате обогащения получают два продукта: гексафторид с содержанием U235 от 4 до 95 % и обедненный «отвал», где содержание U235 понижается до 0,2 ё 0,4 %. Сейчас в США и России уже накопились количества отвального UF6, превышающие миллион тонн.

Гексафторид урана в силу своих физико-химических свойств является очень неудобным для хранения химическим соединением. В тоже время, UF6 содержит значительное количество фтора — ценного элемента, который изымается из технологического цикла и переводится в отвал. Поэтому, без технологии переработки отвального гексафторида урана, которая позволяла бы высвобождать химически связанный фтор и переводить UF6 в более удобное для хранения состояние, цикл получения уранового ядерного топлива нельзя считать завершенным.

Существуют две группы способов перевода UF6 в оксиды урана — водные и неводные (сухие). Первая группа включает процессы гидролиза UF6 водой, с последующим осаждением и прокаливанием продуктов до UO2. Вторая группа основана на реакциях восстановительного пирогидролиза UF6, т.е. взаимодействия его с водяными парами и последующего или одновременного восстановления UO2F2 до оксидов. Процессы пирогидролиза UF6 можно осуществлять во вращающихся или шнековых печах, печах кипящего слоя, пламенных реакторах.

Данная работа посвящена переработке отвального UF6 плазмохимическим методом с целью перевода его в компактное состояние, более удобное для хранения, и извлечения из него фтора в виде товарного продукта.

Технология переработки отвального гексафторида урана основана на реакции: 3UF6 + 9H2O = U3O8 + 18HF + 1/2O2. Схема включает следующие технологические операции: 1) генерация низкотемпературной плазмы водяного пара; 2) плазмохимический пирогидролиз UF6; 3) отделение тонкодисперсного U3O8 на металлокерамическом фильтре и его утилизация; 4) конденсация фтороводорода при -30°С; 5) ректификационное разделение конденсата HF на безводный фтроводород и азеотропную смесь состава 38,2 мас. % HF и 61,8 мас. % H2O; 6) абсорбция несконденсированного HF, присутствующего в отходящих газах, насыщенным раствором Ca(OH)2. Причем стадии 1, 2 и 3 проходят в одном аппарате.

Схема отличается простотой, компактностью и высокой удельной производительностью и, как следствие, малыми капитальными вложениями. К достоинству схемы можно отнести также практически полную безотходность, простоту управления и автоматизации. Время контакта исходной смеси в плазмохимическом реакторе имеет порядок 10-2 с. Кроме того, ПХР обладает малым временем выхода на рабочий режим и не требователен к качеству сырья. Схема позволяет получать компактный U3O8, удобный для хранения, и такой ценный продукт как безводный HF. Образующийся на стадии утилизации сбросных газов труднорастворимый осадок CaF2 также можно использовать в производстве безводного HF сульфатизацией.

К недостаткам схемы можно отнести повышенные удельные затраты электроэнергии на стадиях генерации плазмы и ректификации конденсата HF.

Процесс плазмохимического пирогидролиза UF6 был смоделирован нами с использованием программного комплекса «Астра». В результате были рассчитаны равновесные концентрации продуктов реакции при различных температурах и отношениях H2O/HF. Установлено, что оптимальные условия проведения гидролиза находятся в интервале температур 1200 – 1600 K: равновесная концентрация U3O8 в системе примерно одинакова и составляет в среднем 0,7 моль/кг смеси; концентрации HF и H2O составляют 14,0 ё 13,4 и 0,7 ё 1,0 моль/кг смеси соответственно, причём вода берется в избытке 5 % от стехиометрии. Максимальные равновесные концентрации целевых продуктов наблюдаются при температуре 1200 К.

Таким образом, использование плазмохимического пирогидролиза позволяет за короткий период утилизировать огромные количества отвального UF6 и получать безводный HF, конкурирующий с фтороводородом, получаемым сульфатизацией флюорита.