專利名稱:六氟化鈾轉(zhuǎn)換成二氟化鈾的方法
本發(fā)明涉及將氣態(tài)UF6轉(zhuǎn)換成UO2粉末的方法，由于所得到的UO2粉末的陶瓷性能良好、氟含量低和自由流動(dòng)性，所以它適合于生產(chǎn)核電站的核燃料。
通常通過兩種不同的方法，即“濕”法和“干”法，在工業(yè)規(guī)模上將氣態(tài)UF6轉(zhuǎn)換成UO2粉末。
在濕法中，通過使氣態(tài)UF6同含氨溶液反應(yīng)進(jìn)行UF6的水解，產(chǎn)生黃色重鈾酸銨沉淀物。然后使該沉淀物過濾、清洗、干燥和還原成UO2粉末。通過這種方法獲得具有良好陶瓷性能和低含氟量的UO2粉末。然而，這種方法復(fù)雜并產(chǎn)生大量的廢液。此外，在重鈾酸銨沉淀物的過濾工序中，極小的顆粒導(dǎo)致過濾性問題，并且大量的鈾損失在濾液中。
在干法中，用水蒸汽使氣態(tài)UF6高溫水解成UO2F2固體，然后應(yīng)用流化床技術(shù)或旋轉(zhuǎn)式干燥器的兩步法或是應(yīng)用火焰-化學(xué)法的一步法使UO2F2還原成UO2粉末。由流化床得到的UO2粉末具有自由流動(dòng)性，因而易于處理。然而，很難得到具有良好陶瓷性能和低氟含量的UO2粉末。另一方面，由旋轉(zhuǎn)式干燥器和火焰反應(yīng)器得到的UO2粉末流動(dòng)性差，并且很難處理。
在普通流化床方法中，通過下述兩步反應(yīng)將氣態(tài)UF6轉(zhuǎn)換成UO2粉末。
在第二步反應(yīng)中，UO2粉末通過以下副反應(yīng)可能被氫氟化成UF4粉末。
該UF4粉末在較低溫度(約1000℃)下易于燒結(jié)成塊，并很難減少UO2粉末中的氟含量。因此，為了抑止UO2粉末的氫氟化作用，過量的水蒸汽是必要的。結(jié)果，它是使流化床操作復(fù)雜化和產(chǎn)生大量廢液的原因。然而，由于在高溫下長(zhǎng)時(shí)間脫氟，使原粉的表面積大大減少。
此外，在流化床內(nèi)用水蒸汽使氣態(tài)UF6高溫水解成UO2F2粉末的情況下，使流化床的操作穩(wěn)定有重大意義。新生產(chǎn)的UO2F2沉積在作為籽晶物質(zhì)的原UO2F2粒子上，使該粒子長(zhǎng)大。另一方面，由于彼此碰撞，該粒子被磨損而變成粉末。粒子生長(zhǎng)和磨損控制粒子的粒度。通常，在普通流化床中，粒度往往傾向于增大，為使操作穩(wěn)定要添加細(xì)粉調(diào)整粒度。所以，該工藝系統(tǒng)和操作被復(fù)雜化。
本發(fā)明的目的是提供一種將氣態(tài)UF6轉(zhuǎn)換成UO2粉末的方法，由于所得UO2粉末具有良好的陶瓷性能、低含氟量和自由流動(dòng)性，所以它適合于生產(chǎn)核電站的核燃料。
本發(fā)明方法由以下步驟組成在流化床內(nèi)用水蒸汽使氣態(tài)UF6高溫水解，得到UO2F2粒子;
使UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成重鈾酸銨(ADU)粒子;
使該重鈾酸銨(ADU)粒子干燥和脫水;
如果必要，加水蒸汽焙燒脫水的ADU粒子，將其轉(zhuǎn)換成UO3或UO3/U3O8的混合物;
用氫氣或氫氣/水蒸汽混合物還原已脫水或已焙燒的ADU粒子，將其轉(zhuǎn)換成UO2粉末。
在本發(fā)明中，在高溫水解氣態(tài)UF6的工序中使用雙流體霧化器將氣態(tài)UF6和水蒸汽送入流化床更為有效。
此外，在本發(fā)明中，將流化床技術(shù)用于使ADU粒子干燥和脫水、已脫水的ADU粒子加水蒸汽焙燒和用氫氣或氫氣/水蒸汽混合物還原已脫水的ADU粒子各工序是可能的。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于，首先，在流化床內(nèi)，用水蒸汽高溫水解氣態(tài)UF6得到UO2F2粒子，然后使該UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)得到重鈾酸銨(ADU)粒子，從而克服了普通濕法的缺點(diǎn)，即ADU粒子的低劣過濾性、大量鈾損失在濾液中和產(chǎn)生大量廢液。這是因?yàn)樵诒景l(fā)明中，由于所得到的UO2粉末保留了在高溫水解工序中所生成UO2F2粒子的同樣形狀，所以該重鈾酸銨(ADU)粒子易于過濾，并且在普通濕法中全部轉(zhuǎn)移到濾液中的HF大部分可以作為能重復(fù)使用的HF溶液加以回收。
此外，本發(fā)明克服了普通干法的許多缺點(diǎn)，即該UO2粉末的陶瓷性能差、氟含量高，但也能有效地利用干法的優(yōu)點(diǎn)，即該UO2粉末的良好流動(dòng)性。
換句話說，按照本發(fā)明的方法具有適合于制造核燃料的重要條件，即該UO2粉末的氟含量低和陶瓷性能良好。同時(shí)，本方法改進(jìn)了該UO2粉末的流動(dòng)性。因此UO2粉末易于在以后的工序中處理，并且無需象一般的制造核燃料UO2芯塊過程，在成型以前，對(duì)UO2粉末制粒。
此外，在本發(fā)明中僅僅加水蒸汽焙燒已脫水的ADU粒子可以比較容易地降低UO2粉末中的殘余氟含量，將其轉(zhuǎn)化成UO3或UO3/U3O8混合物粒子，然后將UO3或UO3/U3O8混合物粒子還原成UO2粉末。這些工序在不存在UO2時(shí)去除ADU粒子的殘余氟可以阻止妨礙ADU脫氟反應(yīng)的UF4的生成。
在第一道高溫水解工序的流化床內(nèi)，用蒸汽將陶瓷UF6送入流化床時(shí)使用雙流體霧化器，對(duì)于控制UO2F2的粒度是有效的。減少在霧化器的出口附近由氣態(tài)UF6同蒸汽反應(yīng)所生成的UO2F2粒子的平均粒度是可能的，該UO2F2粒子成為組成流化床的粒子的晶核。使用雙流體霧化器生產(chǎn)反應(yīng)性高的細(xì)小UO2F2粒子，并且能迅速進(jìn)行以后工序的反應(yīng)。
附圖是本發(fā)明所提方法的流程原理圖。在該附圖中，在汽化室1內(nèi)使UF6汽化，使用雙流體霧化器將流態(tài)UF6和水蒸汽送入第一級(jí)流化床2。同時(shí)，通過管道10將作為流態(tài)化氣體的水蒸汽輸入到裝置2的底部。在霧化器附近，一部分氣態(tài)UF6立即同作為霧化氣體的水蒸汽反應(yīng)，生成UO2F2粒子。一部分新生成的UO2F2粒子沉積在作為籽晶物質(zhì)的原UO2F2的表面上，使該UO2F2粒子長(zhǎng)大。此外，由于彼此碰撞，這些粒子的一部分被粉碎成為細(xì)小粒子。通過這些現(xiàn)象來控制該UO2F2的粒度。
第一級(jí)流化床2的操作溫度低于400℃，考慮到該粒子的陶瓷性能和粒度控制，該操作溫度最好在220～300℃范圍內(nèi)。在第一級(jí)流化床2內(nèi)產(chǎn)生的HF以HF溶液形式用HF冷凝器2a予以回收，貯存在HF接受器2b內(nèi)。通過位于第一級(jí)流化床2上部的溢流管，將新生成的UO2F2粒子排出該流化床，并被送入第二級(jí)反應(yīng)器3。在第二級(jí)反應(yīng)器3中，通過管道11輸入含氨溶液。從管道12排出一部分上述粒子和一部分含氨溶液，并用過濾器4進(jìn)行過濾將其彼此分開。反應(yīng)器3的操作溫度低于90℃，最好在10℃～40℃范圍內(nèi)。將該ADU粒子送入第三級(jí)流化床5，在其中使這些粒子干燥和脫水。
通過管道13將作為流化氣體的空氣輸入到該反應(yīng)器5的底部。該反應(yīng)器5的操作溫度低于200℃，最好在100℃～180℃的范圍內(nèi)。通過位于該流化床上部處的溢流管，將已干燥和已脫水的粒子排出該反應(yīng)器5，并被送入第四級(jí)流化床6。在第四級(jí)流化床6內(nèi)，已脫水的ADU粒子，加入通過管道14輸入到該反應(yīng)器6底部作為流化氣體的水蒸汽焙燒，并將其轉(zhuǎn)換成UO3或U3O8粒子。通過位于流化床6上部處的溢流管，將這些UO3或U3O8粒子排出該反應(yīng)器，并將其送入第五級(jí)流化床7。在該流化床內(nèi)，用通過管道5輸入到該反應(yīng)器7底部作為流化氣體的氫氣和水蒸汽的混合物還原那些UO3或U3O8粒子，并將其轉(zhuǎn)換成UO2粉末。用容器8接受作為產(chǎn)品的UO2粉末。反應(yīng)器7的操作溫度低于700℃，考慮到UO2粉末的陶瓷性能，該溫度最好在500℃～600℃。
通過管道16將來自反應(yīng)器2、5、6和7的廢氣送入廢氣處理裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)UO2粉末具有良好的陶瓷性能、低含氟量和良好的流動(dòng)性。用普通方法不可能得到象本發(fā)明那樣的UO2粉末。
(2)UO2粉末的良好流動(dòng)性使UO2粉末的處理在以后的各工序中變得非常容易，并且可以取消在制造核燃料時(shí)通常進(jìn)行的、成型工序前的制粒工序。
以下各種實(shí)例是用來說明本發(fā)明。然而，認(rèn)為這些實(shí)例僅僅是示范性的，并不限制本發(fā)明。
實(shí)例應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行兩種典型試驗(yàn)在情況1中，由第一級(jí)流化床生成的UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成ADU粒子，并使ADU粒子干燥、脫水和還原成UO2。在情況2中，由第一級(jí)流化床生成的UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成ADU粒子，而且使ADU粒子干燥、脫水、加水蒸汽焙燒和還原成UO2粉末。
為了比較起見，應(yīng)用本發(fā)明方法的結(jié)果同普通干法試驗(yàn)進(jìn)行比較，在普通干法中由第一級(jí)流化床生成的UO2F2粒子直接被還原成UO2粉末。
該操作條件示于表1，在這些試驗(yàn)中使用的全部流化床直徑為83mm。在這些試驗(yàn)中所得UO2粉末的性能示于表2。
表2表明本發(fā)明方法的UO2粉末比普通干法UO2粉末的堆積密度和平均粒度較小、比表面積較大和殘余氟含量較低。因此，本發(fā)明方法所得UO2粉末適合于生產(chǎn)核燃料。
表1本發(fā)明 普通第一級(jí)流化床 情況1 情況2 (對(duì)比)床溫(℃) 280 280 280UF6速率(g/min) 90 90 90霧化器水蒸汽速率(g/min) 14 14 0流化氣體速率(cm/min) 25 25 25UO2F2生產(chǎn)率(g/min) 79 79 79使用雙流體霧化器 用 用 不用第二級(jí)流化床床溫(℃) 10 10 不用UO2F2速率(g/min) 79 79ADU生產(chǎn)率(g/min) 82 82第三級(jí)流化床床溫(℃) 170 170 不用UO2F2速率(g/min) 92 82流化氣體速率(cm/min) 30 30已脫水的ADU生產(chǎn)率(g/min) 76 76
表1(續(xù))本發(fā)明 普通第四級(jí)流化床 情況1 情況2 (對(duì)比)床溫(℃) 不用 500 不用已脫水的ADU速率(g/min) 76流化氣體速率(cm/s) 20UO3/U3O8生產(chǎn)率(g/min) 73第五級(jí)流化床床溫(℃) 600 600 660＊1 ＊2 ＊3 ＊2 ＊3 ＊1UO2F2已脫水的ADU UO3/U3O876 73 79速率(g/min)流化氣體速度(cm/s) 20 20 20氫氣/水蒸汽摩爾比(-) 1/1 1/1 1/1UO2生產(chǎn)率(g/min) 69 69 69
表2本發(fā)明 普通UO2粉末的性能情況1 情況2 (對(duì)比)堆積密度(g/cm3) 1.9 1.8 2.8比表面積(m2/g) 2.9 3.1 1.0平均粒度(μm) 98 96 145U含量(% U) 87.6 88.0 87.8殘余氟含量(ppm) 43 38 27權(quán)利要求
1.一種將UF6轉(zhuǎn)換成UO2的方法包括以下工序(a)在流化床內(nèi)，用水蒸汽使氣態(tài)UF6高溫水解，得到UO2F2粒子，(b)使上述UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成重鈾酸銨(ADU)粒子，(c)使上述ADU粒子干燥和脫水，(d)用氫氣或氫氣/水蒸汽混合物還原上述已脫水的ADU粒子，將其轉(zhuǎn)換成UO2粉末。
2.一種將UF6轉(zhuǎn)換成UO2的方法包括以下工序(a)在流化床內(nèi)，用水蒸汽使氣態(tài)UF6高溫水解，得到UO2F2粒子，(b)使上述UO2F2粒子同含氨溶液反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換成重鈾酸銨(ADU)粒子，(c)使上述ADU粒子干燥和脫水，(d)加水蒸汽焙燒上述已脫水的ADU粒子，將其轉(zhuǎn)換成UO3或UO3/U3O8粒子混合物，(e)用氫氣或氫氣/水蒸汽混合物還原上述UO3或UO3/U3O8粒子混合物，將其轉(zhuǎn)換成UO2粉末。
3.權(quán)利要求
1的方法，其特征在于，在流化床內(nèi)實(shí)現(xiàn)干燥和脫水工序(c)以及還原工序(d)。
4.權(quán)利要求
2的方法，其特征在于，在流化床內(nèi)實(shí)現(xiàn)干燥和脫水工序(c)、焙燒工序(d)和還原工序(e)。
5.權(quán)利要求
1和權(quán)利要求
2的方法，其特征在于，使用雙流體霧化器將氣態(tài)UF6和水蒸汽送入流化床。
專利摘要
一種將氣態(tài)UF
文檔編號(hào)C01G43/025GK86103859SQ86103859
公開日1987年2月18日 申請(qǐng)日期1986年6月4日
發(fā)明者田中皓 申請(qǐng)人:三菱金屬株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan