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

40 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

42847. Г. Маркузе и Франкфуртская социологическая школа 72.11 KB
  Среди центров и школ западной философии, которые на протяжении целых десятилетий сохраняли и до сих пор еще сохраняют заметное влияние на философию, социальную мысль всего мира, надо особо выделить так называемую франкфуртскую школу. Группа талантливых, а в политическом отношении радикально-критически настроенных философов, социологов, экономистов, историков, литераторов объединилась вокруг основанного в 1923 г. при Франкфуртском университете Института социальных исследований.
42848. Габаритний розрахунок монокуляра з вибором оптичної схеми об’єктива і окуляра 880.79 KB
  До таких призм можно віднести призми АкР90 Лемана ВкЛ0 Шмідта ВкР45 Систему двох призм : Аббе Ак0 Пехана Пк0 Порро Іго роду Систему трьох призм : Порро ІІго роду. Призма оптична деталь що має у своєму складі заломлюючі та відбиваючі поверхні які утворюють між собою двогранні кути Позначають призми двома великими літерами і числом яке вказує на кут відхилення осьового променя. Призми які є відбиваючими характеризуються коефіцієнтом: c = d D d довжина ходу осьового променя; D діаметр світлового пучка...
42849. Маркетингове дослідження компанії MTI 592.77 KB
  MTI українська компанія багатопрофільний ІТхолдинг один з найбільших гравців ринку інформаційних технологій України яка була заснована у 1991 році. Фактори макро і мікро середи в якому працює MTI. Компанія MTI є одним з найбільш великих в Україні постачальників комп'ютерної і офісної техніки.
42850. Розробка бізнес-плану діяльності підприємства 228.87 KB
  Організаційний план, планування показників по праці. Розраховані такі показники: середня тривалість щорічної відпустки, баланс робочого часу одного середньооблікового робітника, планова тривалість робочої зміни, корисний фонд робочого часу одного виробничого робітника на плановий рік, чисельність робітників на нормованих роботах та загальну чисельність працівників
42851. Розрахунок та оптиматизація характеристик системи електрозв’язку 117.29 KB
  1Перетворення аналогового сигналу в сигнал ІКМ5 2.3 Кодування сигналу та розробка коректую чого кодуза варіантом.4 Опис маніпуляції сигналу. В таблиці застосовані наступні позначення: Рс потужність сигналу Вт; Рс Рш.
42852. ДИЗАЙН: ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І СТИЛІ ІНТЕР'ЄРУ. КЛАСИЧНИЙ СТИЛЬ ДИЗАЙНУ В ІНТЕРЄРІ 55.75 KB
  Дизайн виник на початку 20 ст. як реакція на стихійне формування візуальних і функціональних властивостей предметного середовища. Дизайн розробляє зразки її раціональної побудови, відповідні складного функціонуванню сучасного суспільства. Іноді під дизайном розуміють лише одну з його областей - проектування естетичних властивостей промислових виробів. Дизайн, однак, вирішує більш широкі соціально-технічні проблеми - функціонування виробництва, споживання, існування людей в предметній середовищі.
42853. Організація перевезень вантажів у змішаному сполученні 281.5 KB
  Одним з головних факторів, визначаючим ефективність перевізного процесу та умов функціонування обслуговуючим автомобільним транспортом підприємств, є партіонність перевезень. На сьогоднішній день перевезення дрібнопартіонних вантажів займає важливу роль у транспортному процесі. Цей вид перевезень набув популярності серед доставки товарів широкого вжитку (продуктів харчування, промислових товарів та ін.) на короткі відстані (мережа торгових кіосків, магазинів, супермаркетів міста).
42854. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ РАСХОДЫ И ИХ РОЛЬ В РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИЙ СЕКТОРА ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 895.5 KB
  В любом государстве существуют и решаются проблемы, ради которых и существует государство. В гражданском, демократическом обществе предполагается, что государство призвано осуществлять функции, порученные ему его гражданами. Содержание общественных (государственных и муниципальных) расходов непосредственно связано с функциями федеральных