19173

Технология получения порошков диоксида урана

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 8 Технология получения порошков диоксида урана Получение UO2 через аммонийуранилтрикарбонат АУКпроцесс Трикарбонатоуранилат аммония NH4[UO2С033] или аммонийуранилтрикарбонат АУК является хорошим исходным соединением для получения порошков UO2 керамическ

Русский

2013-07-11

184 KB

36 чел.

ЛЕКЦИЯ 8

Технология получения порошков диоксида урана

Получение UO2 через аммонийуранилтрикарбонат (АУК-процесс)

Трикарбонатоуранилат аммония (NH4[UO2(С03)3]) или аммонийуранилтрикарбонат (АУК) является хорошим исходным соединением для получения порошков UO2 керамического сорта. Они получаются по более простой схеме, чем через полиуранат аммония и с более стабильными свойствами. Гидролиз UF6 и осаждение урана в виде аммонийуранилкарбоната осуществляется в одном аппарате. Этот процесс описывается следующей реакцией:

UF6+5H2O+10NH3+3CO2Þ(NH4)4[UO2(CO3)3]+ 6NH4F

Процесс может быть осуществлен в периодическом или непрерывном исполнении. В отличие от АДУпроцесса, качество осадка АУК мало зависит от кислотности раствора, хотя по техническим соображениям во избежание вспенивания при повышении температуры рН раствора стремятся поддерживать в узком диапазоне (7,8-8,6).

Кристаллы АУК значительно крупнее кристаллов полиураната аммония (10-40 мкм), а их удельная площадь поверхности мала и составляет около 0,2 м2/г, т.е. во много раз меньше, чем у полиураната аммония.

Керамические свойства получаемых порошков UO2 во многом определяются режимами термического разложения АУК и восстановления промежуточных продуктов разложения до UO2. Конечным продуктом при прокалке в водороде является диоксид:

(NH4)4[UO2(CO3)3]+H2 Þ4NH3+3CO2+3H2O+ UO2

Свежеприготовленный и не пассивированный стехиометричный UO2 легко окисляется на воздухе, что затрудняет обращение с ним. Для  стабилизации рекомендуется обрабатывать его воздушно-паровой смесью. При этом кислородный коэффициент повышается до 2,05-2,15 и  UO2 становится более устойчивым к окислению. В отличие от АДУ-процесса, АУК-процесс обладает хорошими аффинажными возможностями. Поэтому порошки UO2, получаемые по этой технологии, по целому ряду примесей чище порошков, получаемых по АДУ-процессу. Порошки имеют развитую поверхность  в интервале 3 — 6,5 м2/г, обладают высокой текучестью (3 — 8) г/с. Важным достоинством является то, что таблетки из порошков АУК можно прессовать без пластификатора.

Использование порошков без предварительной подготовки и связки позволяет получать таблетки на нижнем пределе допустимой плотности (10,4 г/см3). Для получения таблеток с большей плотностью необходимо проводить измельчение порошков в мельницах (рис.1). После этой операции, вследствие потери текучести, необходима операция специальной подготовки порошков.

Рис.1. Влияние измельчения порошков на плотность спеченных таблеток:

S=5,17 м2/г, S=5,84 м2

Технологическая схема получения порошков через АУК показана на рис.2.

Рис.2. Технологическая схема получения порошков через АУК — процесс

Получение UO2  пирогидролизом UF6 в печах кипящего слоя

Водные процессы переработки UF6 обеспечивают получение порошков UO2 керамического сорта с заданными свойствами. Вместе с тем на протяжении многих лет в разных странах изучаются,  разрабатываются и широко используются так называемые сухие или газовые методы получения порошков диоксида урана. Суть их заключается в обработке UF6 в газообразной фазе газообразными реагентами, в результате чего образуются твердые промежуточные продукты, конвертируемые далее в UO2. Привлекательность этих способов заключается в относительной простоте процессов, отсутствии больших объемов жидких радиоактивных отходов, сравнительно небольшом расходе реагентов, достаточно полной утилизации фтора, менее жестких требованиях обеспечения ядерной безопасности, поскольку на всех стадиях технологического процесса в продуктах содержится небольшое количество влаги. К недостаткам этих способов относится образование большого количества радиоактивных аэрозолей, более трудный подбор коррозионностойких материалов. Это способы не пригодны для переработки различных отходов, образующихся в производстве UO2 и бракованных таблеток.

В газовых методах восстановительный гидролиз UF6 с получением UO2 проводят при повышенных температурах (200 — 700 0C), поэтому правильнее эти процессы называть пирогидролизом. Процесс осуществляется с использованием водорода и паров воды.

Конверсия UF6 в UO2 может протекать с образованием нескольких промежуточных соединений. В результате собственно пирогидролиза Ш6 образуется уранилфторид, который затем водородом восстанавливается до диоксида:

UF6+2H2O→ UO2F2 +4HF

 UO2F2+H2UO2+2HF

Возможно   образование   и   других   промежуточных   соединений, например, UO3:

UO2F2+H2O→ UO3+2HF

UO3+H2→ UO2+ H2O

Во всех случаях суммарная реакция одинакова:

UF6+2H2O+H2→ UO2+6HF

Содержание фтора в диоксиде после восстановления UO2F2 водородом зависит от времени и температуры (рис.3).

Рис.3. Зависимость содержания фтора от температуры и времени восстановления

Рис.4. Схема трубчатого вращающегося реактора для конверсии UF6 в UО2 :

I - головная камера; 2 - разгрузочная камера; 3 - вращающаяся обогреваемая реторта; 4 - фильтры; 5 - шнек для подачи продуктов в печь; 6 - отражательные перегородки; 7 – разгрузочная камера; 8 – разгрузочный шнек, 9 - бункер

В головной камере имеются сопла для подачи UF6 и перегретого водяного пара. В донной части головной камеры имеется шнек 2, служащий для подачи образующегося уранилфторида в первую реакционную зону печи. В реторте имеются отражательные перегородки, препятствующие обратному поступлению образующегося UF в разгрузочную камеру. Они также способствуют перемешиванию продукта и тем самым улучшают массообмен в реакторе. Перегретый водяной пар и UF6 через сопла поступают в верхнюю часть головной камеры, температура на стенках которой поддерживается на уровне 250 — 300 0C. Избыток водяного пара составляет около 100 %. Для предотвращения забивания инжекционных сопел и для обдувки фильтров в верхнюю часть камеры подают инертный газ. За счет экзотермического эффекта реакции гидролиза UF6 температура газопылевой смеси повышается до 850 — 900 0C. Объем камеры сравнительно большой и в несколько раз превышает объем печи. Это сделано для увеличения времени нахождения в ней продуктов и образования более крупных частиц UO2F2,  которые легче выделить из газового потока. Газовый поток, содержащий мелкую пыль, пропускают через циклоны и металлические фильтры, а образующийся  UO2F2 оседает на дно головной камеры и с помощью шнека 2 перемещается во вращающуюся реторту. Реторта, в которой осуществляется противоток твердой и газообразной фаз, имеет две температурные зоны. Каждая зона имеет свой нагреватель. В первой зоне, куда поступает UO2F2, поддерживается температура в пределах 600 — 760 0C. Сюда же противотоком подается водород. В этой зоне и осуществляется в основном конверсия UO2F2 в оксиды урана. Их состав зависит от температуры в этой зоне печи и расхода восстановителя. Из первой зоны оксиды поступают во вторую, температура в которой поддерживается в пределах 640 — 800 0C. Здесь происходит довосстановление и глубокое обесфторивание UO2. Превращение UO2F2 в UO2 сопровождается уменьшением удельной площади поверхности порошков с 5 — 6 до 2 — 2,5 м2/г. Время пребывания твердых продуктов в печи (до 5 ч) зависит от ее наклона, который регулируют подъемником 1. Готовый продукт с помощью шнека 8 подается в разгрузочный бункер 9.

Получаемые в этом процессе первичные порошки UO2 имеют дендритную структуру с хорошо разветвленной поверхностью (удельная площадь поверхности 5 — 6 м2/г). При обесфторивании в трубчатой печи в условиях высоких температур и при постоянном окатывании происходит сфероидизация частиц порошка, сопровождающаяся значительным уменьшением удельной поверхности порошка.

Получение UO2 пирогидролизом UF6 в пламенном реакторе

Термодинамический анализ реакции взаимодействия UF6 с парами воды и водородом показывает, что UF6 может быть превращен непосредственно в UO2 в кислородно-водородном пламени. Успешному осуществлению этого процесса способствует высокая температура, низкое давление и избыток водорода и паров воды. Эта предпосылка и явилась основой изучения и разработки процесса конверсии UF6 в UO2 в пламенных аппаратах. Химизм суммарного процесса здесь такой же, как и в других газовых способах конверсии  UF6:

UF6+2H2O+H2→ UO2+6HF

Однако в этом случае образуется ряд промежуточных соединений:

UF6+2H2O→ UO2F2+4HF

UF6+H2O →UO3+2HF

3UO2+ O2U3O8

Возможно образование других промежуточных соединений. Изменяя условия проведения процесса, можно в той или иной степени подавлять какую-то из этих реакций, но полностью исключить   присутствие   в   готовой   продукции   фторсодержащих соединений не удается. Таким образом, осуществить в промышленных условиях одностадийный процесс конверсии UF6 в UO2 в газопламенном   аппарате   с   получением   кондиционных   порошков UO2 керамического сорта не удалось. В получаемом диоксиде урана обнаруживаются в разных количествах практически все указанные выше промежуточные соединения. В зависимости от условий проведения процесса содержание фтора в таком продукте колеблется от 3-4 до 15 %. Обесфторивание продукта до требуемых пределов может быть осуществлено во вращающейся печи в атмосфере водорода в присутствии паров воды при температуре 800 —1000 оС. Так возник двухстадийный газопламенный способ конверсии UF6 в UO2.

Рис.5. Головная часть пламенного реактора

Разработано много вариантов аппаратурного оформления процесса. Схематический чертеж одного из вариантов головной части пламенного реактора приведен на рис. 5.

Пламенный реактор представляет собой вертикальную трубу, в верхней части которой смонтирована горелка, служащая для подачи в реактор смеси UF6 с водородом и кислородом или воздухом. Смесь UF6 и кислорода (или воздуха) поступает в реакционную зону по трубам, расположенным по окружности реактора. Водород подают по внешнему кольцевому каналу.

Важным условием успешной работы реактора является предотвращение преждевременного смешения компонентов пламени. В противном случае реакция может начаться вблизи от выходного сечения трубок, служащих для подачи реагентов, что неизбежно приведет к  их  закупорке  и  аварийной  остановке  реактора. С целью разделения основных компонентов пламени в межтрубное пространство подают защитный газ (азот), который, проходя по  кольцевому   зазору   вокруг   газоподводящих   трубок,   создает зону, обедненную основными компонентами пламени.

Сравнительные характеристики порошков, полученных по разным технологиям представлены в табл.1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики порошков, полученных по разным технологиям

Параметр

АДУ-процесс

АУК-процесс

Сухая конверсия

Удельная поверхность, м2

2,5 — 6

3,6 — 6

2,1 — 3

Насыпная плотность, г/см3

1,5 — 2

2 — 2,3

0,7 — 1

Плотность утряски, г/см3

2,4 — 2,8

2,6 — 3

1,5 — 1,9

Текучесть

Нетекучие

Текучие

Текучие

Отношение O/U

2,03 — 2,17

2,06 — 2,16

2,5 — 2,12

Содержание примесей ppm

Фтор

30 — 50

30 — 70

До 100

Углерод

40 — 200

120

40

Железо

До 70

10 — 20

10 — 50

Хром

40

3

20

Никель

40

10

7

Марганец

5

1

2

Ванадий

10

10

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1547. Моделирование программного обеспечения 100.15 KB
  Создание контекстной диаграммы (используя IDEF0). Выполнение процесса декомпозиции модели по результатам разработки контекстной диаграммы. Создание диаграммы вариантов использования и описание потоков. Построение диаграммы вариантов использования.
1548. Русская литература ХІХ века. Известные личности 227.16 KB
  Южные поэмы А.С. Пушкина. Драматургия А.П. Чехова. М.Ю. Лермонтов. Лирика. Новаторство драматургии Н.А. Островского. Новаторство прозы А.П. Чехова. Поэзия Ф.И. Тютчева. Л.Н. Толстой. Война и мир. Сюжет и образы. М.Ю. Лермонтов. Роман Герой нашего времени. Сюжет и композиция.
1549. Фінанси та фінансова система України 88.09 KB
  Сутність, особливості функціонування та інструменти грошового ринку. Попит на гроші: сутність, цілі та мотиви попиту на гроші. Чинники, що впливають на попит на гроші. Крива попиту на гроші. Поняття та призначення валютних систем. Елементи національної валютної системи. Розвиток валютної системи в Україні. Небанківські фінансово-кредитні установи, їх види, та особливості функціонування в Україні.
1550. Установка числа корней полинома (с учетом их кратности) 101.35 KB
  Бесконечная и конечная многоугольные области. Геометрические условия, определяющие распределение корней. Алгебраические соотношения, определяющие распределение корней.
1551. Психология и педагогика высшей школы 195 KB
  Психология и педагогика высшей школы: предмет, объект, задачи, категории. Связь с другими науками. Основные направления реформирования образования 21 века и проблемы современной высшей школы. Образовательные уровни и образовательно-квалификационные уровни. Уровни аккредитации и типы вузов. Развитие студенческой группы, характеристика студенческого коллектива. Межличностные отношения в студенческой группе.
1552. Грошово-кредитна політика України 191 KB
  Суть, призначення і цілі грошово-кредитної політики. Концепція виникнення грошей. Роль держави у творенні грошей. Розвиток форм грошей. Їх різновиди і характеристика. Причини та значення демонетизації Gold. Сутність, грошового обороту, його економічна основа, визначальні риси. Грошовий обіг на макро- і мікрорівнях.
1553. Основы энергосбережения 196.5 KB
  Восполняемые и невосполняемые энергетические ресурсы. Виды топлива, их характеристика и запасы. Тепловые и атомные электрические станции (ТЭС и АЭС), гидроэлектростанции. Транспортирование и потребление тепловой и электрической энергии. Электроэнергетические системы и электрические сети. Структура потребления ТЭР.
1554. Характеристика предприятий и предпринимательства 180.5 KB
  Организационно-правовые формы предприятия. Ответственность юридического лица. Коммерческие и некоммерческие организации. Хозяйственные товарищества и общества. Государственные и муниципальные унитарные предприятия. Общественные и религиозные организации (объединения). Объединения юридических лиц (ассоциации и союзы).
1555. Экзаменационный тест по ИНФОРМАТИКЕ 102.34 KB
  Определите значение переменной c после выполнения следующего фрагмента программы. У исполнителя Утроитель две команды, которым присвоены номера. Доступ к файлу htm.net, находящемуся на сервере com.edu, осуществляется по протоколу ftp. В таблице фрагменты адреса файла закодированы буквами от А до Ж.