Разработка сепарационных массообменных процессов для экстракционных технологий ядерного топливного цикла

Актуальность работы.

Экстракционные технологии в переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) являются важной составляющей замкнутого ядерного топливного цикла.

Высокая степень очистки регенерированных ядерных материалов требует проведения нескольких последовательных циклов экстракционной переработки, что, кроме прямых затрат на их проведение, порождает новые объемы требующих утилизации жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Среди факторов, ограничивающих очистные возможности экстракционного цикла, весьма существенным является эмульсионный унос «загрязняющей» фазы с продуктовым потоком.

Для органического потока это унос водного раствора на операции экстракции, унос плутониевого продукта с урановым экстрактом на операции разделения этих элементов, удержание продуктов разложения органического потока оборотным экстрагентом на операции его внутрицикловой регенерации. Для уранового реэкстракта крайне нежелательно загрязнение органической микроэмульсией, способное дестабилизировать выпарные операции.

К настоящему времени в экстракционной технологии сложился только один подход к минимизации загрязнения потоков экстракционного цикла эмульсионным уносом. Этот подход заключается в управлении типами эмульсии, образующейся в экстракторе (принцип Холлей-Мотта), рециркуляцией малого потока в смесительную камеру экстрактора (при коалесценции в отстойной камере дисперсная фаза всегда содержит меньшее количество эмульсионных загрязнений, чем сплошная).

Однако этот способ, резко увеличивающий нагрузку на экстрактор, применим только к дискретным аппаратам и малоэффективен при наличии в системе стабилизаторов нежелательного типа эмульсии (например, солей алкилфосфорных кислот на операции внутрицикловой регенерации экстрагента).

Таким образом, разработка процесса сепарации потоков экстракционной технологии с целью исключения эмульсионных загрязнений и его аппаратурное оформление с использованием аппаратов нового типасепараторов с регулярной зернистой загрузкой является актуальной задачей.

Любое контактирование водной и органической фаз в экстракционном процессе сопровождается межфазным массообменном, следовательно аппарат-сепаратор с эффективным разделением фаз является одновременно массообменным экстракционным аппаратом, способным работать при отношении потоков фаз, недоступных для других типов экстракторов. Исследование особенностей массообмена при сепарации потоков и их целенаправленное использование расширяет возможности экстракционной технологии, что также подтверждает актуальность настоящей работы.

Цель работы.

Целью работы является разработка сепарационных массообменных процессов и оборудования для повышения эффективности экстракционных технологий ядерного топливного цикла, а также обоснование их рабочих параметров.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: определить оптимальные технологические решения для предотвращения эмульсионных загрязнений потоков экстракционной технологии и их аппаратурное оформление;

— провести анализ особенностей структуры потоков и массообмена в сепараторе с регулярной зернистой загрузкой и выбор «кандидатных» технологических операций в экстракционном цикле, для которых использование сепараторов данного типа наиболее эффективно;

— исследовать закономерности протекания массообменных процессов в сепараторах применительно к операциям регенерации экстрагента и реэкстракции плутония;

— исследовать процесс восстановительной реэкстракции плутония в сепараторе при высоком соотношении потоков с использованием различных реагентных систем;

— провести технологическую проверку восстановительной реэкстракции плутония в условиях образования газовой фазы в объеме пор насадки сепаратораотработать процесс очистки экстрагента альтернативными «бессолевыми» регенерирующими агентами — этилендиамином и моноэтаноламином в сопоставлении с применяемой в настоящее время в технологии переработки ОЯТ, содовой регенерацией экстрагента;

— выбрать и оптимизировать технологические режимы работы сепаратора по регенерации экстрагента на имитаторе экстрагента с уровнем радиохимического поражения, сопоставимым с достигаемым при реальной переработке ОЯТ.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— предложена и экспериментально подтверждена модель движения двухфазного потока в зернистом сепарирующем слое;

— установлены особенности протекания массообмена при движении двухфазного потока в зернистом слое сепаратора, обусловленные высокой удерживающей способностью слоя и различными скоростями движения фаз в двухфазном потоке;

— впервые разработан способ внутрицикловой регенерации экстрагента, сочетающий минимизацию потока регенерирующего раствора, высокое качество регенерации и практическое отсутствие эмульсионных загрязнений в регенерированном оборотном экстрагенте. Показана применимость способа как для стандартных карбонатно-щелочных регенерирующих систем, так и для перспективных «бессолевых» систем;

— впервые разработан способ вывода плутония из экстракционного цикла в виде концентрированного (25−30 г/л) раствора;

— экспериментально установлены основные технологические параметры (время пребывания фаз в зернистом слое сепаратора, объемная нагрузка на входное сечение слоя, температура) массообменных процессов в аппаратах-сепараторах.

Практическая значимость работы.

Установлена высокая эффективность процессов тонкого разделения фаз (сепарация фаз) и сопровождающего массообмена при пропускании двухфазного потока (очищаемого и вспомогательного) через регулярную зернистую насадку сепарирующего слоя.

Определены «кандидатные» для применения массообменной сепарации операции экстракционного цикла переработки ОЯТ.

Подготовлены и выданы исходные данные для проектирования массообменных сепараторов, включенных в технологическую схему переработки ОЯТ на опытно-демонстрационном центре ФГУП «ГХК». В ОАО «СвердНИИХиммаш» спроектирован и изготовлен опытно-промышленный сепаратор для испытаний и обкатки на стенде ФГУП «ГХК».

Получен патент на изобретение РФ — № 2 397 002 С1 «Способ внутрицикловой регенерации оборотного экстрагента» и подана заявка № 2 010 126 924/07 от 01.07.2010 на получение патента на изобретение «Способ.

разделения урана и плутония в экстракционной технологии переработки отработавшего ядерного топлива".

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель движения двухфазного потока в зернистом слое сепаратора и особенности происходящего при этом массообмена.

2. Результаты разработки сепарационного способа внутрицикловой регенерации экстрагента, включая регенерацию «бессолевыми» реагентами.

3. Результаты разработки сепарационной концентрирующей реэкстракции плутония (вывод плутония из экстракционного цикла), обеспечивающей минимальный объем ЖРО плутониевой ветки в технологии переработки ОЯТ.

4. Исходные данные для проектирования и создания промышленных аппаратов — сепараторов.

Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в общей постановке задач, активном участии в проведении экспериментальных исследований, анализе, интерпретации и обобщении полученных данных, составлении отчетной документации, написании статей, докладов, подаче заявок на предполагаемые изобретения.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на конференциях: «Материалы ядерной техники-2006» (МАЯТ-2006), 20−23 сентября 2006 г., п. Агой, Туапсинский р-онШестая Российская конференция по радиохимии «Радиохимия-2009», 12−16 октября 2009 г., Москва.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 2-х статьях в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также в 6 тезисах докладов, сделанных на российских и зарубежных конференциях. Получен один патент, подана заявка на получение второго.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 136 страницах, включая 28 таблиц и 25 рисунка.

Список литературы

содержит 69 наименований.

выводы.

1. Предложена модель движения двухфазного потока в регулярном зернистом слое сепаратора. Основные положения предложенной модели (структура с двумя взаимнопроницаемыми сплошными фазами, высокоразвитая и невырождаемая межфазная поверхность, скачок скоростей движения потоков на границе раздела фаз) получили подтверждение в экспериментах по полифазной сепарации (вывод гидрофобных сажевых частиц с малым органическим потоком орошения.

2. Установлены оптимальные технологические режимы (соотношения потоков фаз, удельная нагрузка на сечение сепарирующего слоя, температура) процесса сепарационной внутрицикловой регенерации экстрагента. Показано, что в процессе с использованием стандартной регенерирующей системы № 2С03 — ЫаОН достигается сокращение регенерата примерно в 3 раза при одновременном повышении качества разделения фаз в 5−7 раз.

3. Показана эффективность сепарационной внутрицикловой регенерации экстрагента с использованием перспективных «бессолевых» реагентов — этилендиамина, моноэтаноламина и их карбонатных солей. Достигнуто более чем 30 кратное снижение содержание ДБФК в оборотном экстрагенте. Остаточный эмульсионный унос не превышает 0,01%.

4. Для двухстадийного процесса разделения урана и плутония обоснованы выбор сепаратора в качестве массообменного аппарата первой стадии — вывода концентрата плутония из экстракционного цикла.

5. Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения сепаратора для концентрирующей реэкстракции плутония в присутствии технеция. Опробован ряд редокс-реагентов и комплексообразователей и определены оптимальные условия проведения процесса. Достигнуто содержание плутония в реэкстракте 25−30 г/л, что соответствует снижению в 5−6 раз объемов ЖРО плутониевой ветки в технологии переработки ОЯТ. На эффективность работы сепаратора не оказывает влияния газовыделение в рабочей камере сепаратора.

6. Выявлен эффект псевдосорбции, возникающий при флуктуации потока водной фазы в зернистом слое сепаратора. Следствием эффекта является реализация в прямоточном аппарате более одной теоретической ступени массообмена.

7. Подготовлены и выданы исходные данные для проектирования и создания на ОАО «СвердНИИХиммаш» промышленных аппаратовсепараторов, включенных в аппаратурно-технологическую схему переработки ОЯТ РТН на ОДЦ ФГУП «ГХК». Сепарационные операции и аппараты включены в технологическую схему переработки ОЯТ РБН на полифункциональном радиохимическом комплексе, создаваемом на ОАО «НИИАР».