Экстракционные процессы PUREX

Метод PUREX (Plutonium Uranium Redox EXtraction) представляет собой основной промышленный способ переработки отработавшего ядерного топлива для выделения урана и плутония. Этот процесс относится к классу жидкостно-жидкостных экстракций, где ключевым фактором является селективное распределение радионуклидов между органической и водной фазами.

Принцип действия

Суть метода PUREX заключается в экстракции урана и плутония из водного раствора нитратов (обычно HNO₃) органическим растворителем. Наиболее часто используется трибутилфосфат (TBP), растворенный в керосине или другой малополярной органической жидкости. TBP образует с ураном и плутонием растворимые комплексы вида:

[ ]

Эти комплексы высоко растворимы в органической фазе, тогда как другие компоненты отработанного топлива остаются в водном растворе.

Окислительно-восстановительная селективность

Экстракция плутония требует контроля степени окисления. В водном растворе плутоний может существовать в состояниях +3, +4, +5, +6, но для эффективной экстракции в PUREX используется Pu(IV). Для перевода плутония из Pu(III) или Pu(VI) в Pu(IV) применяются окислители и восстановители, такие как нитратное железо(II) или гидразин.

Селективное разделение урана и плутония

После экстракции органическую фазу подвергают обратной экстракции (или страливанию), чтобы отделить плутоний от урана. Типичная схема предусматривает:

Восстановление плутония: Pu(IV) восстанавливают до Pu(III), который плохо растворим в органическом растворителе и возвращается в водную фазу.
Обратная экстракция урана: Уран остается в органической фазе до стадии последующего осаждения или переработки.

Растворители и их характеристики

TBP является ключевым экстрагирующим агентом благодаря:

Высокой селективности к урану и плутонию.
Химической устойчивости в нитратной среде.
Возможности многократного использования без значительной деградации.

Для повышения безопасности и управляемости процесса органическая фаза разбавляется углеводородами (керосином), что снижает вязкость, предотвращает вспенивание и уменьшает радиационное повреждение растворителя.

Основные технологические параметры

Процесс PUREX чувствителен к:

Концентрации HNO₃: высокая кислотность необходима для стабильности нитратных комплексов.
Соотношению фаз (A:O): определяет эффективность экстракции и отделения компонентов.
Температуре и времени контакта: повышенные температуры ускоряют кинетику, но могут усиливать разложение растворителя.
Наличию радиационного поля: радиационное разложение TBP приводит к образованию кислородсодержащих продуктов, способных снижать селективность экстракции.

Этапы промышленной переработки

Размалывание и растворение топлива: топливо превращают в порошок и растворяют в концентрированной HNO₃.
Экстракция органическим растворителем: формируются комплексы урана и плутония.
Сепарация плутония: изменение степени окисления возвращает плутоний в водную фазу.
Обратная экстракция урана: уран переводят в водную фазу для последующего осаждения или переработки.
Очистка растворителя: органический растворитель подвергают регенерации для повторного использования.

Радиохимическая безопасность и управление отходами

PUREX сопровождается выделением значительных количеств радиоактивных отходов, которые содержат:

Фрагменты ядра (неэкстрагируемые актиноиды, редкие земли).
Радиоактивные продукты деления.

Отходы обрабатываются путем конденсации, осаждения и хранения в специальных емкостях, обеспечивающих радиационную защиту и предотвращение утечек.

Применение и значение

PUREX является технологическим ядром переработки ядерного топлива в мировом масштабе. Он обеспечивает:

Высокую степень извлечения урана (>99%) и плутония (>95%).
Минимизацию потерь радиоактивных материалов.
Возможность повторного использования урана и плутония в ядерных реакторах.

Метод PUREX демонстрирует синтез химической селективности, управления окислительно-восстановительными состояниями и инженерных решений для масштабной переработки, что делает его фундаментальным элементом современной ядерной химии.