Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время господствующим методом переработки ОЯТ АЭС является экстракция с использованием азотной кислоты. Неотъемлемой частью такого производства является концентрирование радиоактивных отходов. В связи с этим схемы большинства радиохимических заводов включают узлы упаривания хвостовых растворов с ректификацией отогнанной азотной кислоты, которая должна быть очищена не только от радионуклидов, но и от летучих продуктов (хлористо, фтористоводородная и уксусная кислоты) разложения применяемых реагентов. Конечной целью использования этих узлов является, с одной стороны, подготовка объединенного высокоактивного концентрата к отверждению и последующему длительному хранению ВАО, а с другой, - регенерация азотной кислоты (с концентрированием последней ректификацией) для создания замкнутого оборота кислоты и воды.
Значительный рост выгорания топлива реакторов на тепловых нейтронах (выше 50 ГВт»сут/т U), имеющий место в последнее время, приводит к соответствующему увеличению содержания в ОЯТ не только долгоживущих радионуклидов, но и стабильных или слабоактивных осколочных элементов (например, циркония, молибдена, бария). Последние способны образовывать осадки на разных стадиях процесса, в особенности при упаривании высокоактивного рафината, что требует разработки мер, направленных на предотвращение осадкообразования.
Актуальность данной работы состоит в решении проблем, возникающих в ходе процессов при концентрировании технологических РАО, и оптимизации существующей технологии переработки ОЯТ АЭС в целом.
Целью работы является оптимизация процессов упаривания с применением выпарных аппаратов различного типа и ректификации азотной кислоты с очисткой от примесей летучих кислот для создания замкнутого оборота кислоты и воды при обращении с технологическими РАО от переработки ОЯТ АЭС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - получение отсутствующих и уточнение имеющихся в литературе данных по равновесному распределению азотной и фтористоводородной кислот между жидкостью и паром в области низких концентраций HN03;
уточнение и применение математической модели такого распределения во всем диапазоне изменения концентраций азотной кислоты при ее ректификации для расчета структуры и режима работы ректификационной колонны, с целью повышения очистки регенерированной азотной кислоты от примесей НС1 и HF на заводе РТ-1;
сравнение распределения HN03 между жидкостью и паром на лабораторном выпарном стенде в аппаратах с выносной греющей камерой в циркуляционном режиме и в прямоточном режиме с восходящим и нисходящим потоком при упаривании растворов азотной кислоты и имитаторов ВАО и САО от переработки ОЯТ АЭС применительно к ОДЦ ГХК;
исследование образования осадков на основе молибдена и циркония при упаривании технологических ВАО и разработка мер по его предотвращению;
разработка технологических схем переработки ВАО и САО и расчет материального баланса этих узлов в привязке к замкнутому обороту кислоты и воды технологической схемы ОДЦ.
Новизна работы состоит в:
- получении данных по распределению азотной кислоты и примеси фтористоводо
родной кислоты между жидкостью и паром в области их низкой концентрации;
корректном математическом описании равновесия жидкость - пар в системах HNO3 - HF(CH3COOH) - Н20 и моделировании процессов выпарки и ректификации с очисткой HNO3 от примесей летучих кислот;
оптимизации процесса ректификации с увеличением очистки регенерированной кислоты от летучих кислот;
отработке процесса упаривания азотнокислых растворов в прямоточном испарителе с нисходящим потоком;
разработке методов предотвращения образования осадков на основе молибдена в процессе концентрирования азотнокислых хвостовых растворов.
Техническая значимость работы заключается в:
повышении очистки регенерированной азотной кислоты от летучих кислот на заводе РТ-1 ФГУП ПО "Маяк" до уровня химического реактива;
предотвращении образованиямо либденсо держащих осадков в выпарныхпроцессах;
испытании процесса упаривания модельного высокоактивного рафината в прямоточном вьшарном аппарате с нисходящим потоком и обосновании его применения для концентрирования технологических ВАО;
разработке структуры узлов упаривания ВАО и САО базовой технологии О ДЦ ГХК;
разработке алгоритма расчета материального баланса выпарных узлов и производства по переработке ОЯТ в целом с целью обеспечения замкнутого оборота кислоты и воды в загрязненном тритием и условночистом циклах.
На защиту выносятся:
методика эксперимента и данные о равновесии жидкость - пар в системах HNO3 - Н20 и HNO3 - HF - Н20 в области низкой концентрации азотной кислоты;
усовершенствованная математическая модель расчета процессов выпарки и ректификации смесей HN03 с летучими кислотами;
способ повышенной очистки регенерированной азотной кислоты от HF и НС1, внедренный в отделении 8 комплекса РТ-1;
метод предотвращения образования осадков на основе молибдена при упаривании;
структура и режимы работы выпарных узлов ОДЦ ГХК и автоматизированный расчет их материального баланса в увязке с опытным производством в целом.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на 6 российских и международных конференциях: V Российской конференции «Радиохимия
- 2006» (Дубна, 2006), Международной конференции по химической технологии
XT'07 (Москва, 2007), Научно-практической конференции «Молодежь ЯТЦ: наука и
производство» (Северск, 2007), I Научно-практической конференции "Новые подхо
ды в химической технологии и практика применения процессов экстракции и сорб
ции" (Санкт-Петербург, 2009), Международной конференции «Global'09» (Париж,
2009), IV Российской школе по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 2010).
Публикации. Результаты работы изложены в 5 научных статьях, 2 патентах РФ и 1 заявке на патент, тезисах 11 докладов и 3 заключительных отчетах о НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Материал работы изложен на 126 страницах, включая 38 рисунков и 18 таблиц. Библиографический список включает 124 наименования.
