19172

Технология получения порошков диоксида урана

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 7 Технология получения порошков диоксида урана Компактные изделия из диоксида урана в частности таблетки твэлов получают методами порошковой металлургии. Исходным продуктом для получения порошков диоксида урана является гексафторид урана UF6 получаемый с ...

Русский

2013-07-11

334 KB

66 чел.

ЛЕКЦИЯ 7

Технология получения порошков диоксида урана

Компактные изделия из диоксида урана, в частности таблетки твэлов получают методами порошковой металлургии. Исходным продуктом для получения порошков диоксида урана является гексафторид урана (UF6), получаемый с обогатительных заводов.

Диаграмма состояния гексафторида урана показана на рис.1. При нормальном давлении гексафторид урана переходит из твердого в газообразное  состояние при температуре 56,4 0С

Рис.1. Диаграмма состояния UF6

Тройная точка диаграммы соответствует температуре 64 оС и давлению 1137,9 мм. рт.ст. (0,15 МПа). В твердом состоянии гексафторид представляет собой кристаллы цвета слоновой кости плотностью 5,09 г/см3. Плотность жидкого гексафторида — 3,63 г/см3. Таким образом, изменяя температуру и давление гексафторид урана может быть переведен в любое агрегатное состояние. Это очень удобно для технологических процессов.

Диаграмма состояния диоксида урана

Система уран — кислород является одной из наиболее сложных систем. Это связно с тем, что уран в соединениях может принимать валентность 4+, 5+ и 6+. Кислород может растворяться в решетке, поэтому диоксид урана относиться к классу нестехиометрических соединений состава UO2+x. Отклонение от стехиометрии изменяет многие свойства диоксида: коэффициенты диффузии, теплопроводность, прочность, сопротивление деформированию и т.д.

Наиболее интересная область диаграммы состояния представлена на рис.2. Уран образует большое количество оксидов: UO2, UO2, UO2, UO2 и т.д.

Рис.2. Урановый угол диаграммы состояния уран — кислород

Уран образует большое количество оксидов: UO2, U4O9, U3O7, U3O8 и т.д. Наибольшее практическое применение имеют два оксида: UO2 и U3O8. Первое является основным видом топлива в энергетических реакторах, второе — основным соединением в первичном топливном цикле и исходным продуктом для получения фторидов урана перед обогащением топлива.

Технологические свойства порошков диоксида урана

Задачей технологов, занимающихся ядерным топливом, является умелое и правильное использование свойств диоксида урана для достижения поставленной задачи.

Существующие методы получения порошков диоксида урана (рис.3) можно разделить на водные методы (мокрые) и безводные (сухие). По «мокрой» технологии порошки получают гидролизом гексафторида через полиаранат аммония (АДУ) или через аммнийуранилтрикорбонат. Безводные методы заключатся в пирогидролизом гексафторида.  

Рис.3. Методы получения порошков диоксида урна

Между тем порошки UO2, как форма соединения, обладают рядом управляемых технологических свойств, которые оказывают большое влияние, как на технологический процесс производства таблеток, так и на качество самих таблеток. Морфология порошков разных технологий показана на рис.4.

                 AUC                                     ADU                                       DC

Рис.4. Морфология порошков разной технологии изготовления

К технологическим свойствам относятся:

  •  удельная поверхность порошка и связанные с ней крупность и форма частиц порошка;
  •  насыпная плотность;
  •  текучесть.

Они зависят не только от технологии получения порошка, но и от режима данного технологического процесса.

Удельная поверхность порошка — одна из наиболее важных и информативных характеристик, определяющих потенциальные возможности порошка для получения таблеток с заданными свойствами. Для определения удельной поверхности порошков применяют следующие методы:

  •  метод Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТа-метод),   основанный на низкотемпературной адсорбции газов на поверхности порошков;
  •  методы,  основанные на измерении  воздухопроницаемости слоя при давлении, близком к атмосферному;
  •  методы,  основанные  на  измерении  воздухопроницаемости слоя порошка при протекании через него разреженного воздуха.

Наиболее достоверным и поэтому чаще других используемым является адсорбционный метод, позволяющий измерять полную удельную поверхность, включая поверхность открытых, сквозных и тупиковых пор.

Удельная площадь поверхности порошков UO2 колеблется в относительно широких пределах — примерно от 3,5 до 7 м2/г. Вместе с тем удельная площадь поверхности, в свою очередь, зависит от размера кристаллов, формы и структуры частиц, степени их агрегации. Каждая из этих характеристик по-разному влияет на спекаемость таблеток. Поэтому нет строгой зависимости плотности таблеток от удельной поверхности используемых порошков (рис. 5).  Так, порошок с большей удельной площадью поверхности (S) обладает худшей спекаемостью, чем порошок с меньшей удельной площадью поверхности, а при повышении давления прессования  плотность спеченных таблеток уменьшается. Между тем, основным общим требованием и критерием, характеризующим качество порошков UO2, является стабильность их свойств и, как следствие, стабильность качества получаемых таблеток. Отсюда следует, сколь важна отработка оптимальных режимов и стабилизация технологического процесса, обеспечивающего получение заданного и стабильного качества порошков UO2.

Рис.5. Зависимость плотности таблеток после спекания от давления прессования для порошков с разной удельной поверхностью

Насыпная плотность и текучесть порошка UO2 тесно связаны с удельной площадью поверхности и в известной степени характеризуют ее. Небольшая насыпная плотность свидетельствует о том, что порошки представляют собой мелкие частицы с разветвленной поверхностью и рыхлые агломераты. Такие порошки обладают и слабой текучестью. Этим характеризуются, в частности, порошки аммонийного происхождения. Существенно лучшая текучесть у карбонатных порошков, а наилучшая — у порошков, полученных сухими, безводными методами.

Получение порошка диоксида урана через полиуранат аммония (АДУ — процесс)

Название АДУ — процесса связано с соединением аммонийдиуранат, который в свою очередь является исходным продуктом для получения многих соединений урана, в том числе и диоксида. Эта технология является одной из первых и классической. Она включает гидролиз UF6 в воде или растворе аммиака, осаждение полиураната аммония, сушку, прокалку и восстановление:

  •  растворение UF6 в водном растворе аммиака;
  •  осаждение диураната аммония — UO2(NO3)26H2O;
  •  сушка и восстановление в среде водорода при температуре 650 – 800 0С;
  •  UO2(NO3)2+H2Þ2HN03+ UO2

Свойства получаемого UO2 определяются главным образом физико-химическими свойствами полиуранатов аммония. Поэтому ключевой из этих операций является осаждение полиураната аммония, хотя заметное влияние на морфологию частиц и качество порошка оказывают условия разложения полиураната и восстановление U3O8 до UO2. Дело в том, что состав полиураната аммония может колебаться в широких пределах, и он зависит от условий осаждения: концентрации урана и аммиака, значения рН, температуры растворения и осаждения. От этого зависят также форма и размеры кристаллов. Все эти свойства полиураната аммония и формируют свойства порошков UO2 керамического сорта. Наиболее важным из этих параметров является размер кристаллов полиураната аммония. С изменением размеров кристаллов изменяется крупность и форма порошка UO2, что отражается на удельной поверхности, текучести, прессуемости порошка и спекаемости таблеток.

Рис.6. Влияние рН осаждения на удельную поверхность полиураната аммония

Удельная площадь поверхности и, следовательно, крупность кристаллов полиураната —  регулируемые параметры. Большое влияние на удельную площадь поверхности кристаллов полиураната оказывает кислотность раствора (рис. 6). Значительное уменьшение кристаллов и увеличение их поверхности наблюдается при рН больше 7. Однако, увеличение кислотности раствора при осаждении уменьшает полноту извлечения урана.

Заметное влияние на крупность порошка UO2 и его спекаемость могут оказывать агломераты порошка полиураната, размер которых колеблется в пределах 4-30 мкм. Но прочность этих агломератов невысокая, и на последующих операциях они могут разрушаться. Важным фактором, влияющим на крупность и структуру порошка UO2, является также режим термического разложения полиураната аммония: температура, время выдержки, скорость нагревания и охлаждения. Процесс разложения полиуранитов аммония на воздухе и в инертной среде проходит в пять стадий:

  •  25 — 130 оС — удаление адсорбционной воды;
  •  130 — 200 оС — удаление части конституционной воды;
  •  200 — 350 оС — полное удаление конституционной воды;
  •  350 — 450 оС — образование -фазы UO3 (на воздухе), восстановление до U3O8 (в инертной среде);
  •  больше 450 оС — образование U3O8 на воздухе, восстановление в инертной среде.

В водороде процесс разложения проходит через те же стадии, но последней стадией является образование UO2+Х.

Повышение температуры разложения до 600 оС и выше существенно нивелирует различия в процессе осаждения полиураната аммония, и получаемые порошки  UO2 незначительно отличается по удельной поверхности.

Таким образом, АДУ-процесс позволяет в относительно широком диапазоне регулировать свойства получаемых порошков UO2 за счет изменения режимов отдельных технологических операций. В этом его привлекательность, этим же, по-видимому, объясняется и его широкое использование. Но, с другой стороны, заметное влияние многих параметров технологического процесса на свойства порошков UO2 требует достаточно строгого соблюдения заданных режимов всех технологических переделов, что сопряжено со значительными трудностями и что наиболее полно можно осуществить лишь при внедрении АСУ ТП. А пока длительный опыт работы по этой технологии свидетельствует о том, что получение порошков UO2 стабильного качества затруднительно. Кроме того, этот процесс по существу не содержит аффинажных операций. Поэтому были начаты разработки других водных способов конверсии UF6 в UO2. Одним из них является получение порошков UO2 через трикарбонатоуранилат аммония.

Технологическая схема получения порошка диоксида урана показана на рис.7.

Рис.7. Аппаратурная схема нового процесса получения керамического 1Ю2, разработанного фирмой "Эльдорадо нуклеар лимитэд": 1 - бункер-накопитель; 2 - реактор; 3 - сито; 4 - каскад реакторов; 5 - реактор для полного осаждения урана; 6 - барабанный вакуум-фильтр; 7 - печь восстановления; 8 - ленточная сушилка; 9 - испаритель; 10 - накопительная емкость, служащая также для доукрепления раствора NH4NO3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11126. Основы теории напряженного состояния 1.08 MB
  Основы теории напряженного состояния. Напряжения в точке. Если мысленно вырезать вокруг какойнибудь точки тела элемент в виде бесконечного малого кубика то по его граням в общем случае будут действовать напряжения представленные на рис. 3.1. Совокупность нормальных...
11127. Теории прочности. Чистый сдвиг 786 KB
  Теории прочности. Чистый сдвиг Теории прочности. Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности элемента конструкции по известному напряженному состоянию. Для простых видов деформаций в частности для одноосных напряженных состояний определение з...
11128. Кручение. Кручение бруса некруглого сечения 911.5 KB
  Кручение. Кручение бруса некруглого сечения. Кручение прямого круглого бруса. Деформация кручения вызывается парами сил плоскости действия которых перпендикулярны к оси стержня. Поэтому при кручении в произвольном поперечном сечении стержня из шести внутренних сил
11129. Чистый изгиб. Поперечный изгиб 623 KB
  Чистый изгиб. Поперечный изгиб. Общие понятия. Деформация изгиба заключается в искривлении оси прямого стержня или в изменении начальной кривизны прямого стержня рис. 6.1. Ознакомимся с основными понятиями которые используются при рассмотрении деформации изгиба. С
11130. Полный расчет балок на прочность при изгибе. Дифференциальное уравнение изогнутой оси 704 KB
  Полный расчет балок на прочность при изгибе. Дифференциальное уравнение изогнутой оси Касательные напряжения при изгибе. Присутствие поперечных сил при поперечном изгибе свидетельствует о наличии в поперечном сечении касательных напряжений. ...
11131. Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров. Определение перемещений в балках переменного сечения 396 KB
  Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров. Определение перемещений в балках переменного сечения Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров Определение перемещений методом непосредственного интегрирования дифференциаль...
11132. Определение перемещений в упругих системах. Общие понятия 632 KB
  Определение перемещений в упругих системах. Общие понятия Обобщенные силы и перемещения Ранее нами были рассмотрены некоторые частные способы определения перемещений удобные при решении простейших задач. Начало возможных перемещений и закон сохранения энергии по...
11133. Определение перемещений в упругих системах. Метод мора. Способ верещагина 518 KB
  Определение перемещений в упругих системах. Метод мора. Способ верещагина. Метод Мора Рассмотрим произвольную плоскую стержневую систему нагруженную заданными силами рис. 2.3.1. Усилия в произвольном сечении обозначим через . Пусть требуется определить перемещени
11134. Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам 606.5 KB
  Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам. Статическая неопределимость. С простыми статически неопределимыми системами мы уже сталкивались при расчете статически неопределимых стержней работающими на чистое растяжениес