Детальный анализ процессов прямой денитрации

При разработке микроволновой денитрации постоянно совершенствовалось используемое оборудование. В ранних вариантах аппаратурного оформления применяли двухступенчатую систему термической обработки исходного раствора []. На первой ступени раствор нагревался во вращающемся цилиндрическом аппарате с внешним или внутренним нагревательным элементом и лишь на второй ступени полученный материал обрабатывался микроволновым излучением, что приводило к повышению температуры и денитрации. Денитрации проходила при достижении температуры 350-400 0С. В дальнейшем предварительный подогрев отменили, а в публикации [] было предложено полученный на начальном этапе денитрации UO3 продолжать нагревать в микроволновом поле до температуры 500 0С, когда образуется U3O8. Этот оксид не содержал остатков NOх и имел удельную площадь поверхности 3 м2/г.

Особый интерес представляют разработки оборудования для денитрации непрерывного действия. В сравнительно недавно (1996 г.) опубликованном патенте [] участок обработки нитратного раствора разделен на три зоны – зона концентрирования, где происходит выпаривание и концентрирование раствора, зона денитрации, где осуществляется разложение нитратов и образование оксидов и, наконец, зона сушки продукта. Перемещение продукта от зоны к зоне осуществляется с помощью шнека. Облучение обрабатываемого материала СВЧ радиоизлучением осуществляется от генератора через пластину, имеющую окно из проницаемого для микроволнового излучения материала. В процессе обработки пластина с окном перемещается, позволяя облучать различные технологические зоны.

В принципе процесс микроволнового разложения нитратов во многом сходен с NITROX-процессом, однако использование микроволнового нагрева накладывает определенные ограничения на материалы и конфигурацию оборудования. Пока нет определенных данных о том, какая максимальная производительность может быть достигнута на промышленных установках такого типа. Отсутствуют также оценки экономичности технологии MWD.

COPRECAL-процесс.

Этот процесс был разработан в Ядерном центре компании Дженерал Электрик [] и по формальным признакам попал в разряд экономичных. В этой технологии, как и в ADU-процессе, проводится осаждение урана (обычно с плутонием) действием аммиака, но полученная суспензия подвергается термической обработке без отделения от раствора. Согласно источнику [18], осаждение проводят смешиванием раствора нитрата уранила (400 г/л) и аммиака в аппарате для осаждения непрерывного действия. Отношение NH3/NO3 при осаждении должно быть близким к 1,67 моль/моль. Полученная взвесь подвергается термической обработке при 550 0C в слое инконелевых шариков диаметром 700 мкм, который служит средой для теплопереноса. Разлагаются также нитрат аммония и избыток NH3, UO3 непрерывно выводится из псевдоожиженного слоя и собирается на металлических фильтрах, которые периодически очищаются. В качестве ожижающего газа используется азот, UO3 восстанавливается до UO2 смесью N2 + Н2. Двуокись урана стабилизируется углекислым газом. Затем продукт просеивается для отделения слишком крупных частиц оксида и инконелевых шариков, попавших из ожиженного слоя. Цилиндрический слой диаметром 15 см и высотой 50 см имеет проектную производительность примерно 0,1 т урана в день. При использовании COPRECAL-процесса для изготовления смешанных оксидов с содержанием плутония 20-30 % предполагалось иметь производительность 0,5 кг оксидов в час [].

Оксиды, получаемые этим методом, хуже спекались по сравнению с продуктом технологии ADU даже после интенсивной механической обработки. Работа псевдоожиженного слоя с инконелевыми шариками была нестабильна даже в тщательно сконструированной установке. Поэтому дальнейшего развития это направление не получило.

Среди рассмотренных процессов прямой денитрации по объему проведенных исследований и количеству полученной продукции явно лидирует японская технология с применением СВЧ-излучения. Однако остается неясным, связан ли этот успех именно с указанным способом нагрева или существенную роль сыграла проведенная в Японии очень тщательная разработка оборудования. Возможно некоторые процессы типа “Nitrox” при столь же масштабной многолетней работе могли бы успешно конкурировать с технологией MWD. Но такая работа не проводилась просто потому, что разработка процессов прямой денитрации на некоторое время была признана не столь актуальной.