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

61 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

49986. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА 252.5 KB
  Световые лучи испытывают дифракцию на щели S2 или на нити находящейся в этой же плоскости. Ширину щели S2 можно регулировать микровинтом. Выберите для начала ширину щели S2 достаточно большую например 1 2 мм. Поместите микроскоп М в такое положение которое позволяет наблюдать резкое изображение щели S2 находящееся в центре шкалы.
49987. ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ 337 KB
  Рассчитать основанные характеристики решетки: период d число штрихов N дисперсию D и разрешающую способность R. Если через обозначить ширину щели а через b ширину непрозрачного промежутка то величину d = b называют периодом или постоянной дифракционной решетки. Из теории колебаний известно что для тех направлений для которых в разности хода укладывается целое число длин волн  = k возникают максимумы интенсивности которые называют главными и тогда основная формула для дифракционной решетки имеет вид...
49988. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТА С РАЗЛИЧНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ ПОЛЯРИЗАЦИИ 269.5 KB
  Краткое теоретическое введение Свет в котором в каждый момент времени векторы Е и Н будучи взаимно перпендикулярны друг другу беспорядочно меняют свое направление в плоскости Р перпендикулярной направлению распространения света рис. 4 Получение линейно поляризованного света и его анализ Линейно поляризованный свет получают из естественного света с помощью устройств которые называются поляризаторами. Действие поляризаторов основывается на использовании либо закона Брюстера для отражения и преломления света на границе раздела...
49989. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТА С РАЗЛИЧНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ ПОЛЯРИЗАЦИИ 822.5 KB
  Приборы и принадлежности: прибор ПКС125 включающий поляроидполяризатор диаметром 125 мм анализатор находящийся во вращающейся оправе с градусными делениями и нониусом который позволяет определять угол поворота анализатора с точностью до 1 10 градуса источник света лампа накаливания мощностью 60 Вт; приемник излучения фотосопротивление источник питания для фотосопротивления микроамперметр светофильтр для выделения света с длиной волны для которой кристаллическая пластинка является пластинкой λ 4†измерительный прибор...
49990. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА НА ДВУХЛУЧЕВОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА 836.5 KB
  До точки Р волна проходит в среде с показателем преломления n1 путь s1 вторая волна проходит в среде с показателем преломления n2 путь s2. Интерферометр Жамена предназначен для измерения небольших изменений показателей преломления. Для уяснения принципа действия такого рефрактометра вообразим что на пути одного из интерферирующих лучей помещен плоскопараллельный слой какоголибо вещества толщиной с показателем преломления n2.
49991. ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ 120.5 KB
  Внешний фотоэффект используют в приборах называемых фотоэлементами . Измерение основных характеристик фотоэлемента Фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон рис. Анод фотоэлемента 3 изготовлен в виде диска или сферы помещенного в центре баллона.
49992. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 200.5 KB
  Энергия нагретого тела E1 много больше энергии излучения E2 что и составляет сущность проблемной ситуации. Происхождение теплового излучения При нагревании любого тела повышается запас его энергии сосредоточенной на различных степенях свободы: поступательного движения атомов и молекул газа вращательного и колебательного движения атомов или ионов в молекулах и кристаллах и т. Таким образом любые нагретые тела т. тела с температурой больше 0 К испускают электромагнитное излучение микроскопические механизмы которого различны в разных...
49993. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 942 KB
  Краткое теоретическое введение Согласно квантовой теории излучение света атомами вещества связано с изменением их энергетического состояния. По теории Бора переход атома водорода из одного энергетического состояния в другое связан с переходом электрона атома с одной орбиты на другую. Орбиты электрона в атоме квантованы и поэтому энергия атома водорода не может иметь любое произвольное значение.