19173

Получение UO2 через аммонийуранилтрикарбонат (АУК-процесс). Технология получения порошков диоксида урана

Лекция

Энергетика

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

Русский

2017-10-17

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

27434. Урок изобразительного искусства как форма организации и управления художественно-познавательной и творческой деятельностью учащихся. Особенности структуры и оргформ в контексте целей и содержания различных концепций и программ обучения искусству 31.5 KB
  Урок изобразительного искусства как форма организации и управления художественнопознавательной и творческой деятельностью учащихся. Эта разница особенности различных подходов к художественному образованию проявляется и на уроке т. Эти особенности проявляются и в построении структуре урока его проектировании моделировании оценке результатов. Понимание этапов процесса обучения структуры урока зависит от типа обучения: традиционное развивающее проблемное программированное и т.
27435. Традиционная и инновационная структуры урока искусства. Урок-трансляция и урок содержательной коммуникации 33 KB
  Традиционная и инновационная структуры урока искусства. Программа обучения задаётся через предметность содержания класснопоурочную систему тематическое планирование планирование каждого урока. Под структурой урока следует понимать соотношение элементов этапов звеньев урока в их определенной последовательности и взаимосвязи между собой. Элементами урока являются: организационный момент; проверка знаний предыдущего учебного материала логически связанного с содержанием данного урока; переход к новому материалу; изучение нового материала;...
27436. Особенности авторского урока. Педагогическая драматургия авторского урока искусства; элементы театрализации. Сценарий урока: замысел, сюжет, режиссура, «сценография», «персонажи» и «роли», эстетические эффекты и последствия 32 KB
  Особенности авторского урока. Педагогическая драматургия авторского урока искусства; элементы театрализации. Сценарий урока: замысел сюжет режиссура сценография персонажи и роли эстетические эффекты и последствия. можно говорить об авторском характере урока искусства.
27437. Методика организации и проведения анализа и оценки детских работ. Критерии оценки. Специфика диагностики уровня общего и художественного развития учащихся 37 KB
  Специфика диагностики уровня общего и художественного развития учащихся. Программа Изобразительное искусство и художественный труд определяет главной задачей развитие у учащихся способности сопереживать понимать осознавать свои переживания в контексте истории культуры. На основании вышеизложенного учителям изобразительного искусства нужно определять систему оценивания художественнотворческих достижений учащихся в условиях современного обучения из сущности следующих составляющих: 1 что оценивать что именно подлежит оцениванию в...
27438. Психология изобразительной деятельности и восприятия искусства учащихся различных возрастных групп. Их учет в процессе обучения искусству 31.5 KB
  Когда от поверхности предмета отражаются главным образом например красные лучи солнечного спектра а другие цвета поглощаются или отражаются в меньшем количестве мы видим предмет красным. Белые серые и черные цвета называются ахроматическими а имеющие цветовой оттенок хроматическими. Хроматические цвета отличаются по трем признакам или свойствам: цветовым тоном оттенком светлотой и насыщенностью интенсивностью силой цвета. Цветовой тон обозначается названием цвета красный зеленый желтый синий и др.
27439. Методика обучения учащихся восприятию, анализу и эстетической оценке произведений/явлений искусства и окружающей действительности. Организация связи и взаимодействия восприятия/анализа произведений искусства с практической изобразительной деятельностью уч 27.5 KB
  Научить видеть прекрасное вокруг себя в окружающей действительности призвана система эстетического воспитания. Для того чтобы эта система воздействовала на ребенка наиболее эффективно и достигала поставленной цели Б.Неменский выделил следующую ее особенность: Система эстетического воспитания должна быть прежде всего единой объединяющей все предметы все внеклассные занятия всю общественную жизнь школьника где каждый предмет каждый вид занятия имеет свою четкую задачу в деле формирования эстетической культуры и личности школьника.
27440. Язык искусства. Понятие композиции. Композиция как общий способ создания художественного образа в различных видах и жанрах искусства. Методика обучения композиции на уроках ИЗО 30.5 KB
  Язык искусства. Композиция как общий способ создания художественного образа в различных видах и жанрах искусства. ЯЗЫК ИСКУССТВА одно из важнейших проблемных полей современной философии искусства конституированное в контексте характерного для постмодерна радикального поворота от центральной для классической традиции проблематики творчества к актуализирующейся в современной философии искусства проблематике восприятия художественного произведения. Основная ценность языка искусства состоит в его безмерной силе исключительной власти.
27441. Пространство картины и пространство в картине. Метдика обучения различным способам изображения пространства и объема на плоскости 43.5 KB
  Пространство картины и пространство в картине. Пространство одна из форм наряду со временем существования бесконечного и постоянно развивающегося мира. Пространство характеризуется его протяженностью объемом структурой которые понимаются по разному в зависимости от концепций складывающихся в точных науках физике математике философии религии искусстве. Пространство в картине это и место действия и существенный компонент самого действия.
27442. Место и роль игры в художественном образовании и обучении искусству.Философия и технология игры. Классы и виды игры.Методика проектирования, организации и проведении игры, игровых ситуаций и театрализации на уроках искусства и во внеклассной работе 33 KB
  Место и роль игры в художественном образовании и обучении искусству. Философия и технология игры. Классы и виды игры. Методика проектирования организации и проведении игры игровых ситуаций и театрализации на уроках искусства и во внеклассной работе.