CC BY
5A'ïÎjVJHAß ^Î^Pr^ïÈÊÀ
ATOMIC EN ER G/
УДК 537.29 î
БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ЯДЕРНОГО СЫРЬЯ
А.Л.Гусев*
, М. А. Казарян * , И. В. Ломов, Ю. А. Трутнев* И. В. Шаманин
Member of International Editorial Board
Томский политехнический университет (ТПУ) пр-т Ленина, 30, Томск, 634050, Россия Тел.: (3822) 416-363; факс: (3822) 418-901; E-mail: shamanin@k21.phtd.tpu.ru
' Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) пр-т Мира, 37, г. Саров Нижегородской обл., 607188, Россия
** Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Ленинский пр-т, 53, Москва ГСП—1, 117924, Россия Тел.: (495) 135-7890; факс: (495) 135-7880; E-mail: kazar@sci.lebedev.ru
In work is shown the possibility of realization of the technological variant, in which thorium concentrate is a passing material at reception of cerium, lanthanum and yttrium concentrates. The base of the modified scheme of extraction cleaning of solution of the thorium nitrate, allowing extracting of required rare element from the water rafinate, is formed by technological application of the phenomena of electrical induced driftage of aqua-complexes in solutions of the salts. In to the well checked in practice technological scheme is added new section, allowing extracting the industrial significant amounts of rare element (for example, yttrium or cerium).
Состояние проблемы
Индуцированный селективный дрейф кати-онных аквакомплексов в растворах солей под действием асимметричных электрических полей проявляется при частотах, которые не превышают десятков килогерц [1]. Технология на базе эффекта индуцированного селективного дрейфа не является электрохимической в прямом понимании этого термина, так как массоперенос происходит в растворах, электроизолированных от электродов, на которые «нагружен» источник напряжения [2]. Эти особенности и то, что амплитудные значения напряженности электрического поля, при которых явление имеет место, составляют единицы Вольт на сантиметр, позволяют отнести технологию к энергосберегающим.
Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем (ВТГР) способны вырабатывать тепло с температурой около 1000 °С, которое может быть использовано для производства элек-
троэнергии с высоким кпд в прямом газотурбинном цикле и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности, а также для опреснения воды.
В реакторах ВТГР могут быть применены как замкнутые, так и открытые топливные циклы с использованием урана, плутония и тория. Концепция открытого ядерного топливного цикла (ОЯТЦ) на базе тория с вовлечением урана и плутония оружейной кондиции наиболее опробована именно на таких реакторах [3]. Преимущества ОЯТЦ на базе тория еще более возрастут, если себестоимость добычи ториевого ядерного сырья будет значительно снижена по сравнению с урановым. Этого можно достичь либо прямым совершенствованием технологии добычи и переработки торийсодержащих сырьевых материалов,
Статья поступила в редакцию 03.10.2006 г.
The article has entered in publishing office 03.10.2006.
либо использованием каких-либо особенностей генезиса и состава таких материалов.
В данной работе приведены результаты экспериментов, которые могут стать основой безэлектродной технологии обогащения водных растворов солей РЗЭ, сопутствующих перспективному ядерному сырьевому материалу — торию.
Селективный массоперенос катионов церия
Эксперименты проводились в технологической ячейке, схема которой приведена на рис. 1.
Внутренний объем технологической ячейки заполнялся водным раствором смеси солей Се^03)3 и ¥(N03)3 с концентрациями 3,5 и 3 г/л соответственно. Циркуляции раствора не было. Отбор проб производился из патрубков 1, 2 и 3. На потенциальные сетки подавалось асимметричное напряжение в соответствии со схемой, приведенной в работе [4].
В табл. 1 приведены экспериментальные данные, полученные при воздействии поля с напряженностью Е+ = 14,3 В/см, коэффициенте асимметрии А-/А+ = 0,66, с частотой 1,6 кГц на водный раствор смеси солей Се^03)3 и У^03)3.
В табл. 1 указаны относительные значения концентраций, полученные в результате усреднения данных по 20 пробам. Также указаны максимальные отклонения от среднего, которые наблюдались при анализе. Причины возникновения этих отклонений отдельно не анализировались, так как не было необходимости исключать отдельные экспериментальные точки и определять доверительный интервал, что необходимо при определении и построении зависимостей.
Для указанных выше параметров поля наблюдается преимущественный дрейф катионов Се3+ в сторону потенциальных электродов и повышение их концентраций в центральной секции. Обогащение водного раствора смеси солей
Рис. 1. Технологическая ячейка: 1 — патрубок для подачи раствора; 2 — патрубок для отбора раствора; 3 — патрубок для отбора и организации принудительной циркуляции раствора; 4 — потенциальная, изолированная от раствора сетка; 5 — раствор
Се^03)3 и У^03)3 аквакомплексами церия в центральной секции в различной степени происходит в интервале частот 1,6-7 кГц при тех же напряженности поля и коэффициенте асимметрии. Увеличение частоты выше 7 кГц усложняет картину ориентированного дрейфа аквакомп-лексов церия.
Схема разделительного элемента на базе технологической ячейки приведена на рис. 2.
На вход элемента (патрубок для подачи раствора 1, рис. 1) поступает исходная смесь двух компонент (водный раствор смеси солей Се^03)3 и У^03)3 с концентрациями 3,5 и 3 г/л соответственно) — поток питания Ь с концентрациями С и С. соответственно. Из элемента выходят два потока: 2 — отбор Ь' (водный раствор,
Таблица 1
Селективный перенос катионов церия
Исходная концентрация катионов Y3+ и Ce3+ в сумме, отн. ед. +0,0117 1,0000 -0,0070
Концентрация катионов У3+ и о 3+ Се в сумме после воздействия поля в течение 4 ч, отн. ед. секция 1 (у заземленного электрода) +0,0039 0,99284 -0,0039
секция 4 (центр ячейки) +0,0055 1,00000 -0,0055
секция 7 (у потенциального электрода) +0,0124 1,00179 -0,0002
Концентрация катионов Се3+ после воздействия поля в течение 4 ч, отн. ед. секция 1 (у заземленного электрода) +0,0086 0,99254 -0,0086
секция 4 (центр ячейки) +0,0086 1,00249 -0,0086
секция 7 (у потенциального электрода) +0,0052 1,00000 -0,0085
Атомная энергетика
Рис. 2. Схема разделительного элемента
обогащенный по Се3+, патрубок 2, рис. 1) и 3 — отвал Ь" (водный раствор, обедненный по Се3+, патрубок 3, рис. 1).
Концентрации компонент в отборе равны:
Ce3+ — С,; Y3+ — С,, а в отвале — С,
С :
соответственно. При этом отбор обогащается
■з+
3+
катионами Се3+ и обедняется катионами У: отвал, наоборот, обедняется катионами Се обогащается катионами У3+.
В табл.2 приведены экспериментально определенные значения величин в принятых обозначениях.
Таким образом, после 4 ч воздействия поля с напряженностью Е+ = 14,3 В/см, коэффициенте асимметрии Л-/Л+ = 0,66, с частотой 1,6 кГц
Промывочный раствор: 1 моль/л HNO3
ЭКСТРАКТОР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА
Питающий раствор, очищенный от урана: 3,5 моль/л HNO3 (~135 г/л Th)
Урановый экстракт
Растворитель: 40%-ный ТБФ в ксилоле
I
На реэкстракцию урана
Промывочный раствор: 2 моль/л HNO3, 0,1 моль HNO3
ЭКСТРАКТОР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТОРИЯ
I
I
Водный рафинат: 2,6 моль/л HNO3 нитраты РЗЭ
Ториевый экстракт на реэкстракцию
Каскад электропотенциального обогащения рафината
Селективное обогащение
рафината по РЗЭ цериевой
группы
Г 1
Обогащенный Обедненный
рафинат по рафинат по
цериевой группе цериевой группе
1
Селективное обогащение рафината по РЗЭ иттриевой группы
I
Обедненный рафинат по иттриевой группе
Обогащенный
рафинат по иттриевой группе
На извлечение
1 1 Г
Целевой РЗЭ HNO3
цериевой группы (регенерат)
На извлечение
I
Целевой РЗЭ иттриевой группы
I
I
В цикл экстракции
Рис. 3. Модифицированная схема экстракционной очистки раствора нитрата тория
I
HNO3 (регенерат)
и
Таблица 2
Концентрации компонент
Концентрация, отн. ед. Поток питания Отбор Отвал
С, + С 0,99284 1,00000 1,00179
С 0,99254 1,00249 1,00000
на водный раствор смеси солей Се^03)3 и У^03)3 значения концентраций в отсутствии циркуляции раствора через разделительный элемент составляют: С\ = 1,00249; С- = 0,99751; С] = 1,00000;
С. = 1,00179. Относительные концентрации катионов церия и иттрия при этом составляют:
К-. = 1,00000 (исходный раствор); К- = С^ С. =
= 1,00499 (отбор) и К, = С/ С. = 0,99821 (отвал).
Коэффициенты разделения в элементе без циркуляции раствора составляют:
К
-в отборе а = —- = 1,00499;
- К-
К
-в отвале В.. = Чг = 1,00179;
К,
-полный д, = а,-Р, = 1,00679.
Таким образом, установленные условия проявления эффекта в водном растворе солей церия и иттрия показывают возможность его использования в технологии элементного обогащения водных растворов солей при комплексной переработке ядерных сырьевых материалов. Обогащение водного раствора смеси солей Се^03)3 и У^03)3 аквакомплексами церия у потенциальных электродов в различной степени происходит в интервале частот 1,6-7 кГц. Возможна реализация технологического варианта, в котором ториевый концентрат является попутным материалом при получении концентратов церия, лантана и иттрия.
На рис. 3 приведена модифицированная схема экстракционной очистки раствора нитрата тория, позволяющая извлекать из водного ра-фината целевой РЗЭ. В хорошо проверенную на практике технологическую схему добавляется новое звено, позволяющее извлекать промыш-ленно значимые количества целевого РЗЭ (например, иттрия или церия).
В случае комплексных соляно-кислотных технологий редкометалльного сырья принципиальная схема извлечения РЗЭ из водного рафи-ната, содержащего соляную кислоту и хлориды РЗЭ, не изменится. Конечно, оптимальные сочетания параметров электрического поля, действующего на водный раствор смеси хлоридов, будут другими. При этом порядки величин напряженности электрического поля и его частоты не изменятся. Конструкция разделительной ячей-
ки, схемы и мощности системы формирования асимметричного электрического поля высокой частоты останутся неизменными. Таким образом, разработанная технология является универсальной по отношению к схеме экстракционной очистки тория и к технологии редкометалль-ного сырья.
Резюме
Разработка технологической схемы элементного обогащения водного рафината, образующегося при экстракционной очистке раствора нитрата тория, является обусловленной и целесообразной. Данная технологическая схема обогащения раствора смеси солей под действием асимметричного электрического поля может стать составной частью программы разработки естественно-научных основ комплекса технологий перспективных видов ядерного топлива на основе тория. Технология не является электрохимической. Ее можно назвать безэлектродной, так как массоперенос происходит в растворах, электроизолированных от электродов, на которые «нагружен» источник напряжения. Эти особенности и то, что амплитудные значения напряженности электрического поля, при которых явление имеет место, составляют единицы Вольт на сантиметр, позволяют отнести технологию к энергосберегающим.
Разработка технологической схемы, основанной на использовании явления электроиндуци-рованного селективного дрейфа аквакомплексов в растворах солей, может стать составной частью программы реализации концепции «водородного хозяйства» на базе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.
Список литературы
1. Бойко В. И., Казарян М. А., Шаманин И. В., Ломов И. В. Явление электроиндуцированного селективного дрейфа аквакомплексов в растворах солей // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2006. №7. С. 23-31.
2. Бойко В. И., Казарян М. А., Шаманин И. В., Ломов И. В. Использование нетрадиционных электрофизических методов в решении проблемы комплексной переработки торийсодержащих ядерных сырьевых материалов // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 9(29). С. 33-38.
3. Бойко В. И., Власов В. А., Жерин И. И., Маслов А. А., Шаманин И. В. Торий в ядерном топливном цикле. М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2006.
4. Бойко В. И., Казарян М. А., Шама-нин И. В., Ломов И. В. Эффекты, вызванные действием асимметричного электрического поля высокой частоты на водные растворы солей // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2005. № 7. С. 28-37.
