НЕТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРИЙСОДЕРЖАЩИХ ЯДЕРНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Бойко В.И.; Казарян М.А.; Шаманин И.В.; Ломов И.В.

В. И. Бойко, М. А. Казарян*, И. В. Шамапип, И. В. Ломов

Томский политехнический университет (ТПУ) Томск, 634050, Россия Fax: (3822) 418 901; e-mail: shamanin@k21.phtd.tpu.ru * Физический институт им. П. Н. Лебедева (ФИАН)

Москва, 117924, Россия Fax: (495) 135 7880; e-mail: kazar@sci.lebedev.ru

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем (ВТГР) способны вырабатывать тепло с температурой около 1000 °С, которое может быть использовано для производства электроэнергии 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. 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 торий-содержащих сырьевых материалов, либо использованием каких-либо особенностей генезиса и состава таких материалов.

Если себестоимость ядерного топлива можно считать величиной, определяемой только уровнем технологии его изготовления, то его стоимость определяется рядом не зависящих от совершенства технологии факторов. Например, уран-содержащая руда, добываемая в Южно-африканской республике, предлагается на мировом рынке по самой низкой цене. Этот факт обусловлен не совершенством технологии добычи руды, а тем, что она добывается попутно с золотоносной рудой на тех же выработках. В этой связи в ряду торий-содержащих полезных ископаемых выделяется монацит. Мощность и количество залежей монацитовых песков позволяет рассматривать их как один из потенциальных источников сырья для крупномасштабной ториевой ядерной энергетики. В монаците (Се, La, Y, Т^Р04 содержится около 12 % диоксида тория ^02. При действии на монацит концентрированных растворов кислот, например, азот-

и

с а

^с с с

ной или соляной, образуется смесь солей церия, © лантана, иттрия и тория. Современные технологические приемы позволяют выделить из этой смеси ториевый концентрат в виде того или иного химического соединения. Оставшаяся пульпа представляет собой очень ценное сырье для получения либо в виде соединений, либо в чистом виде редкоземельных металлов. Таким образом, возможна реализация технологического варианта, в котором ториевый концентрат является попутным материалом при получении концентратов церия, лантана и иттрия.

Востребованность и цена на эти элементы очень высоки. Таким образом, достаточно обусловленной становится необходимость поиска и разработки новых технологических приемов обогащения водных растворов смеси солей редкоземельных металлов по одному из них. Этот процесс можно назвать элементным обогащением водного раствора смеси солей.

В представляемой работе излагаются результаты исследований, которые могут составить естественно-научные основы новой технологии элементного обогащения. Технология будет базироваться на явлении индуцированного селективного дрейфа катионных аквакомплексов в растворах солей под действием асимметричных электрических полей, частота которых не превышает десятков килогерц. Технология не является электрохимической в прямом понимании этого термина, так как массоперенос происхо- ^ дит в растворах, электроизолированных от элек- £ тродов, на которые «нагружен» источник на- ё пряжения. Эти особенности и то, что амплитуд- ^ ные значения напряженности электрического Ь поля, при которых явление имеет место, состав- | ляют единицы Вольт на сантиметр, позволяют £

с

отнести технологию к энергосберегающим. х

Разработка технологии элементного обога- х

и:

щения водных растворов смеси солей под дей- § ствием асимметричного электрического поля © высокой частоты может стать составной частью программы разработки естественно-научных основ комплекса технологий перспективных видов ядерного топлива на основе тория.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №5(37) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 5(37) (2006)

A NONTRADITIONAL APPROACH TO THE PROBLEM OF COMPLEX PROCESSING OF THE THORIUM-CONTAINING NUCLEAR RAW MATERIALS SOLUTION

V. I. Boiko, M. A. Kazarjan*, I. V. Shamanin, I. V. Lomov

Tomsk Polytechnic University (TPU) Lenin av. 30, Tomsk, 634050, Russia Fax: (3822) 418 901; e-mail: shamanin@k21.phtd.tpu.ru * Lebedev Physical Institute (PhlAN) Lenin av. 53, Moscow, 117924, Russia Fax: (495) 135 7880; e-mail: kazar@sci.lebedev.ru

a

u

c a

i/i

c c

ant (HTHR) are capable of producing heat with a temperature close to 1000 °C that can be used for manufacture of electric power with high efficiency in the direct gas-turbine cycle and for supplying high-temperature heat and electricity for hydrogen manufacturing processes, for technological processes of the chemical, oil refining, metallurgical and other industries, and also for distillation of water.

In HTHR reactors, the fuel cycles with use of uranium, plutonium and thorium can be applied both closed and open. The concept of the open nuclear fuel cycle (ONFC) on the basis of thorium with involving uranium and plutonium of weapon grade is the most tested of such reactors.

Advantages of the ONFC based on thorium will increase even more if the cost price of extraction of thorium nuclear raw material decreases in comparison with uranium. This can be achieved by means of direct perfection of the technology of extraction and processing of the thorium-containing raw materials, or by use of any features of genesis and structure of such materials.

It is possible to consider the price of nuclear fuel in the size defined only by a technological level of its manufacturing, but its cost is defined by the several parameters not dependent on perfection of technology factors. For example, the uranium-containing ore obtained in the South-Af-5 rican republic is offered in the world market ung der the lowest price. This fact is caused not by perfection of technology of extraction of ore, but I by the fact that it is extracted along with gold-'| bearing ore. In this connection in a number of «j thorium-containing minerals is allocated monazite. | Capacity and quantity of deposits of the monazite o sand allows considering them one of potential | sources of raw material for large-scale thorium

^ nuclear power. In the (Ce, La, Y, Th) PO4 cono 4

S3 tains about 12 % dioxide of thorium ThO2. Upon

0

treatment of monazite with concentrated solutions of acids, for example nitric or hydrochloric, a mix of salts of cerium, lanthanum, yttrium and thorium is formed. Modern technological methods allow removing from this mix, a thorium concentrate in the form of this or that chemical compound. The remaining pulp represents very valuable raw material for obtaining combined or pure rare metals. Thus, realization of a technological variant in which the thorium concentrate is obtained along with concentrates of cerium, lanthanum and yttrium is probable.

The demand and the price for these elements are very high. Thus, there is a need for the search and development of new technological processes for enrichment of water solutions of a mix of salts rare metals. This process can be named element enrichment of a water solution of a mix of salts.

In the work done here, results of research which can make a natural-scientific basis of a new technology for element enrichment are stated. The technology will be based on the phenomenon of the induced selective drift of cationic aqua-complexes in solutions of salts under the action of asymmetric electric fields with a frequency that does not exceed tens of kilohertz. The technology is not electrochemical in direct understanding of this term as mass transfer occurs in the solutions electro isolated from electrodes on which the source of voltage "is loaded". These features and that peak values of intensity of an electric field at which this phenomenon takes place make units volt on centimeter allow carrying technology to power-sparing.

Development of the technology of element enrichment in aqueous solutions of a mix of salts under the action of an asymmetric electric field of high frequency can become a component of the program of development is natural-scientific basis of a complex of technologies of perspective kinds of nuclear fuel on the basis of thorium.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №5(37) (2006) 4I\Q

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №5(37) (2006)

Текст научной работы на тему «НЕТРАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРИЙСОДЕРЖАЩИХ ЯДЕРНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ»