Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
В ходе третьего пирохимического процесса, экстрагирования расплавленной солью (ЭРС), производится извлечение америция из состаренного металлического плутония. Все образцы плутония не являются изотопно чистыми, а всегда содержат смесь изотопов, включая плу-
тоний-241. Период полураспада этого изотопа составляет 13,2 года, он претерпевает (5-распад с образованием амери-ция-241. В течение многих лет ЭРС использовали в Роки Флэте для извлечения этого “внутренне выращенного” америция. Состаренный металлический плутоний очищали с помощью расплавленного хлорида натрия или хлорида калия в тигле из оксида магния. Поток отходов содержал в основном материалы тигля и большое количество соли.
На площадке ТА-55 мы ввели несколько усовершенствований в процедуру ЭРС, благодаря чему поток отходов существенно уменьшился. В нашем процессе, показанном на рис. 2 (в), плутоний вступает в реакцию с газообразным хлором при высокой температуре в тигле многократного использования из тантала. При этом получается хлорид плутония PuCl3, который затем реагирует с америцием в металле с образованием хлорида америция AmCl3. AmCl3 и некоторая часть PuCl3 образуют легко удаляемую корку соли сверху очищенного металлического плутония.
Смеси солей, которые используются при ПВО и электролитическом рафинировании и которые использовались в процессах экстрагирования расплавленной солью, оказываются загрязненными остаточным плутонием и другими актиноидами. Регенерация этого плутония путем обработки азотной кислотой проблематична; при больших концентрациях хлоридные ионы будут объединяться с ионами нитратов с образованием царской водки, которая является летучей, сильно агрессивной жидкостью. Поэтому раньше эти остатки выбрасывали как трансурановые отходы, если содержание плутония было достаточно низким.
На площадке ТА-55 этот плутоний также регенерируют и удаляют из потока отходов. Вместо азотной кислоты остатки солей и тигля растворяют в соляной кислоте (HCl). Плутоний очищают путем экстрагирования растворителем. Очищенный плутоний превращают в порошок диоксида плутония путем оксалатного осаждения и прокаливания, аналогично тому, как это делается в процессе обработки азотной кислотой. Для переработки раствора отходов HCl вытекающий раствор
444
Los Alamos Science Number 26 2000
Видение переработки плутония, безопасной для окружающей среды
(а) Прямое восстановление оксида
Восстановление плутония
Металлический Ca CaCI2 +
PuO2C
примесями
800°С
PuO2 + 2Са —> Pu + 2СаО
Размешать
Тигель из MgO
2СаО + 2CL — 2CaCI2 + O2
Регенерация соли
(б) Электролитическое рафинирование
Реакция на аноде Реакция на катоде
Смесь Pu + 3CI ^ PuCIg + 3 е ^ Pu + 3CI
NaCI/KCI
(в) Экстрагирование расплавленной солью (ЭРС) Газообразный хлор
Барботажная трубка
Барботирование при 8СКГС: 2Ри + ЗС12 —- 2PuCL
PuCI3 + Am (2 Am + ЗС12
AmCI3 + Pu 2AmCL)
Металлический Pu с примесями
Корка из соли AmCI3, PuCI3
Чистый металлический Pu
Тигель из тантала многократного использования
Рис. 2. Используемые в настоящее время пирохимические процессы экстрагирования солью
(а) При прямом восстановлении оксида происходит восстановление диоксида плутония (часто получаемого в результате обработки азотной кислотой) с образованием металлического плутония. К диоксиду плутония добавляют металлический кальций и хлорид кальция, и смесь ДОВОДЯТ до жидкого состояния. Диоксид плутония восстанавливается с образованием металлического плутония, при этом образуется оксид кальция. Затем оксид кальция переводят снова в хлорид кальция барботированием газообразного хлора через жидкую соль. Такой этап обработки позволяет повторно использовать соль и тигель. В тигель вновь добавляют диоксид плутония и металлический кальций, и этот процесс можно повторять несколько раз, прежде чем будет выделен металлический плутоний, а соль и тигель можно будет выбросить.
(б) Металл, получаемый в результате ПВО, очищают путем электролитического рафинирования. Металлический плутоний с примесями помещают в тигель из MgO, находящийся внутри электролитической ячейки, которую заполняют смесью NaCI и KCI. Ячейку нагревают до 800 °С, чтобы содержимое расплавилось и начался электролиз. Металлический плутоний окисляется с образованием хлорида плутония PuCI3, который растворяется в расплавленной соли. PuCI3 мигрирует к катоду, где он восстанавливается с образованием чистого металлического плутония. Последний стекает по каплям с катода и собирается в круговой выемке за пределами тигля
с исходным плутонием. В течение нескольких суток образуется кольцо из чистого плутония. Около 20% исходного плутония остается в тигле, и в нем содержатся практически все начальные примеси.
(в) ЭРС используется для удаления америция из состаренного плутония. Металлический плутоний плавят в танталовом тигле многократного использования, и затем полученную жидкость барботируют газообразным хлором. Образуется хлорид плутония, который восстанавливается с образованием металлического плутония по мере окисления америция с образованием хлорида америция. (Америций окисляется непосредственно
