Прямое получение тетрафторида урана на рудоперерабатывающих предприятиях

В течение ряда лет за рубежом, в частности в США, Франции и Австралии, проводились работы по созданию методов, которые позволили бы объединить процессы переработки руды и аффинажа для получения тетрафторида урана. Это представляет значительный интерес для промышленного производства урана, поскольку такой метод упростит и удешевит весь процесс из-за устранения операций осаждения химического концентрата урана из растворов, его сушки, затаривания, транспортировки на аффинажный завод и последующего растворения рудных концентратов (прямые эксплуатационные расходы на эти процессы на заводе составляют 15,5—24,4 цент/кг U).

Еще в 1956—1958 гг. стало известно о разработке методов прямого получения UF4 в США (методы Exer, Winlo и др.). Однако в то время эти процессы не нашли широкого применения ввиду достаточных мощностей аффинажных предприятий, рассчитанных только на использование в качестве исходного сырья рудных концентратов. Тем не менее работы над созданием методов получения тетрафторида урана непосредственно на рудоперерабатывающем заводе продолжались и в 1970 г. появились сообщения о разработке в Японии и Франции новых водных методов производства UF4 ядерной чистоты. Преимущества этих методов: упрощение всего производственного цикла, осуществление всех процессов до осаждения тетрафторида в водной фазе при температуре окружающей среды и атмосферном давлении, что снижает расходы на конструкционные материалы и эксплуатацию оборудования.

В Японии создан так называемый стандартный процесс PNC получения тетрафторида урана ядерной чистоты, включающий следующие стадии: выщелачивание руды —> раствор после выщелачивания —> хлоридная конверсия —> электролитическое восстановление —> гидрофторирование и осаждение —> сушка и дегидратация; для получения гексафторида после этих процессов требуется только обычная операция фторирования (рис. 9.15).

Стандартный процесс PNC представляет собой непрерывный водный метод переработки урановой руды до UF4 ядерной чистоты. Этапы переработки руды до получения урансодержащего раствора аналогичны этапам рудоперерабатывающих предприятий. Сульфат уранила из раствора экстрагируется третичным амином И затем переводится в хлорид урднила (UO2Cl2) соляной кислотой. Реэкстракция урана из органической фазы производится чистой водой. Концентрация урана в растворе после этих операций составляет 100 г U/л. Хлорид уранила восстанавливается до хлорида урана (UCl4) в электролизере. При добавлении плавиковой кислоты в раствор UCl4 выпадает гидратированный осадок UF4-3/4 H2O. Гидрофторирование осуществляют в чане, в котором образуется пульпа UF4*3/4 H2O. После сгущения пульпы производятся непрерывное разделение осветленного раствора и осадка UF4*3/4 H2O. Путем корректировки рабочих условий в аппарате для гидрофторирования можно получить осадок с размером зерен 30—15 мкм. Степень восстановления хлорида уранила 99,5%', следовательно, выход осадка очень высок.

В связи с неоднородностью гранулометрического состава образующихся в гидрофтораторе зерен UF4*3/4 H2O пульпа легко фильтруется, а примеси удаляют противоточной промывкой водой. Кек фильтра сушат в потоке воздуха, подогретого до 150° С. Влажность кека после сушки — 0,7%. Дегидратация производится в реакторе непрерывного действия с псевдоожиженным слоем при 350° С.

Большая часть используемой HCl регенерируется в виде 30—35%-ного раствора HCl экстракционной перегонкой с использованием серной кислоты. В верхний слив из реактора для гидрофторирования, содержащий около 1 % урана, добавляют NaOH для осаждения урана в виде диураната натрия, который выделяют фильтрацией и возвращают в цикл на стадию выщелачивания. Таким образом, соблюдаются требования максимальной защиты окружающей среды и повышается рентабельность процесса. На рис. 9.15 показана технологическая схема стандартного процесса PNC. Восстановление ведут при температуре окружающей среды с использованием разработанной фирмой «Асахи» катионообменной мембраны и биполярного электрода. Степень восстановления — 99,5%. Мембрана предотвращает переокисление ионов урана. В табл. 9.4 приведены технические данные электролизера.

Электролизер имеет то преимущество, что его производительность может быть без труда доведена до нескольких тысяч тонн U в год увеличением числа ячеек.

Гидрофторирование осуществляется в аппарате цилиндрической формы с конусообразным днищем, который изготовлен из пластмассы, армированной волокном, футерованным смолой фу-ран.

В табл. 9.5 приведены данные по расходу материалов и реагентов на 1 кг урана при использовании стандартного метода PNС.

Численность персонала завода производительностью 1300 т U/год при работе в три смены составит 61 чел. из них: производственный персонал — 36 чел., административный, научно-исследовательский и вспомогательный — 25 чел.

Завод, работающий по указанной выше технологии, полностью удовлетворяет жестким требованиям защиты окружающей среды, поскольку после предварительной обработки сбросных растворов, предназначенной для удаления бария, и последующей фильтрации на песочных фильтрах большая их часть возвращается в цикл и лишь небольшая часть сбрасывается в реку.

Помимо этого процесса разработан также сернокислотный процесс, в котором очищенный раствор сульфата уранила подается непосредственно на электролитическое восстановление с последующим получением раствора сульфата урана. Этот процесс исключает стадию хлоридной конверсии, что упрощает технологию.

В настоящее время в Японии действует экспериментальная установка производительностью 5,6 т UF6/год, а в 1980 г. намечено построить опытно-промышленный завод мощностью 200 т UF6/г. Данным методом заинтересовался ряд американских фирм.

Два процесса прямого получения UF4 разработаны французской фирмой «Пешиней Южин Кюльман». Один из них основан на электролитическом восстановлении сульфата уранила в сульфат урана с последующим осаждением UF4 плавиковой кислотой при 90° С. Этот процесс внедряется на заводе «Форез»; исходным продуктом служит нитрат уранила, который переводится в сульфатный комплекс; азотную кислоту регенерируют и возвращают в цикл. Электролитическое восстановление производится непрерывно в горизонтальных ячейках с ртутными катодами и платиновыми анодами. Степень восстановления 99%. Получаемые гранулы UF4 обладают хорошими физическими и химическими свойствами.

Второй метод заключается в следующем: из раствора после выщелачивания руды уран извлекают сорбционным методом с последующей экстракционной перечисткой регенерата. Сернокислый урановый комплекс переводят в хлоридный добавкой концентрированной соляной кислоты в насыщенную ураном органику. Реэкстракцию урана из хлоридного комплекса производят водой с получением раствора урана с концентрацией 200—250 г/л. Уран восстанавливают двуокисью серы в присутствии ионов меди в качестве катализатора и осаждают плавиковой кислотой в виде UF4. Второй метод — непрерывный, отличается простотой и требует невысоких капиталовложений в строительство завода.