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六氟化铀转换成二氟化铀的方法本发明涉及将气态UF6转换成UO

来源:烽火台  日期:2015/8/26 22:38:40   浏览次数:    我要收藏

六氟化铀转换成二氟化铀的方法本发明涉及将气态UF6转换成UO2粉末的方法,由于所得到的UO2粉末的陶瓷性能良好、氟含量低和自由流动性,所以它适合于生产核电站的核燃料。通常通过两种不同的方法,即“湿”法和“干”法,在工业规模上将气态UF6转换成UO2粉末。在湿法中,通过使气态UF6同含氨溶液反应进行UF6的水解,产生黄色重铀酸铵沉淀物。然后使该沉淀物过滤、清洗、干燥和还原成UO2粉末。通过这种方法获得具有良好陶瓷性能和低含氟量的UO2粉末。然而,这种方法复杂并产生大量的废液。此外,在重铀酸铵沉淀物的过滤工序中,极小的颗粒导致过滤性问题,并且大量的铀损失在滤液中。在干法中,用水蒸汽使气态UF6高温水解成UO2F2固体,然后应用流化床技术或旋转式干燥器的两步法或是应用火焰-化学法的一步法使UO2F2还原成UO2粉末。由流化床得到的UO2粉末具有自由流动性,因而易于处理。然而,很难得到具有良好陶瓷性能和低氟含量的UO2粉末。另一方面,由旋转式干燥器和火焰反应器得到的UO2粉末流动性差,并且很难处理。在普通流化床方法中,通过下述两步反应将气态UF6转换成UO2粉末。在第二步反应中,UO2粉末通过以下副反应可能被氢氟化成UF4粉末。该UF4粉末在较低温度(约1000℃)下易于烧结成块,并很难减少UO2粉末中的氟含量。因此,为了抑止UO2粉末的氢氟化作用,过量的水蒸汽是必要的。结果,它是使流化床操作复杂化和产生大量废液的原因。然而,由于在高温下长时间脱氟,使原粉的表面积大大减少。此外,在流化床内用水蒸汽使气态UF6高温水解成UO2F2粉末的情况下,使流化床的操作稳定有重大意义。新生产的UO2F2沉积在作为籽晶物质的原UO2F2粒子上,使该粒子长大。另一方面,由于彼此碰撞,该粒子被磨损而变成粉末。粒子生长和磨损控制粒子的粒度。通常,在普通流化床中,粒度往往倾向于增大,为使操作稳定要添加细粉调整粒度。所以,该工艺系统和操作被复杂化。本发明的目的是提供一种将气态UF6转换成UO2粉末的方法,由于所得UO2粉末具有良好的陶瓷性能、低含氟量和自由流动性,所以它适合于生产核电站的核燃料。本发明方法由以下步骤组成在流化床内用水蒸汽使气态UF6高温水解,得到UO2F2粒子;使UO2F2粒子同含氨溶液反应,将其转换成重铀酸铵(ADU)粒子;使该重铀酸铵(ADU)粒子干燥和脱水;如果必要,加水蒸汽焙烧脱水的ADU粒子,将其转换成UO3或UO3/U3O8的混合物;用氢气或氢气/水蒸汽混合物还原已脱水或已焙烧的ADU粒子,将其转换成UO2粉末。在本发明中,在高温水解气态UF6的工序中使用双流体雾化器将气态UF6和水蒸汽送入流化床更为有效。此外,在本发明中,将流化床技术用于使ADU粒子干燥和脱水、已脱水的ADU粒子加水蒸汽焙烧和用氢气或氢气/水蒸汽混合物还原已脱水的ADU粒子各工序是可能的。本发明的特点在于,首先,在流化床内,用水蒸汽高温水解气态UF6得到UO2F2粒子,然后使该UO2F2粒子同含氨溶液反应得到重铀酸铵(ADU)粒子,从而克服了普通湿法的缺点,即ADU粒子的低劣过滤性、大量铀损失在滤液中和产生大量废液。这是因为在本发明中,由于所得到的UO2粉末保留了在高温水解工序中所生成UO2F2粒子的同样形状,所以该重铀酸铵(ADU)粒子易于过滤,并且在普通湿法中全部转移到滤液中的HF大部分可以作为能重复使用的HF溶液加以回收。此外,本发明克服了普通干法的许多缺点,即该UO2粉末的陶瓷性能差、氟含量高,但也能有效地利用干法的优点,即该UO2粉末的良好流动性。换句话说,按照本发明的方法具有适合于制造核燃料的重要条件,即该UO2粉末的氟含量低和陶瓷性能良好。同时,本方法改进了该UO2粉末的流动性。因此UO2粉末易于在以后的工序中处理,并且无需象一般的制造核燃料UO2芯块过程,在成型以前,对UO2粉末制粒。此外,在本发明中仅仅加水蒸汽焙烧已脱水的ADU粒子可以比较容易地降低UO2粉末中的残余氟含量,将其转化成UO3或UO3/U3O8混合物粒子,然后将UO3或UO3/U3O8混合物粒子还原成UO2粉末。这些工序在不存在UO2时去除ADU粒子的残余氟可以阻止妨碍ADU脱氟反应的UF4的生成。在第一道高温水解工序的流化床内,用蒸汽将陶瓷UF6送入流化床时使用双流体雾化器,对于控制UO2F2的粒度是有效的。减少在雾化器的出口附近由气态UF6同蒸汽反应所生成的UO2F2粒子的平均粒度是可能的,该UO2F2粒子成为组成流化床的粒子的晶核。使用双流体雾化器生产反应性高的细小UO2F2粒子,并且能迅速进行以后工序的反应。附图是本发明所提方法的流程原理图。在该附图中,在汽化室1内使UF6汽化,使用双流体雾化器将流态UF6和水蒸汽送入第一级流化床2。同时,通过管道10将作为流态化气体的水蒸汽输入到装置2的底部。在雾化器附近,一部分气态UF6立即同作为雾化气体的水蒸汽反应,生成UO2F2粒子。一部分新生成的UO2F2粒子沉积在作为籽晶物质的原UO2F2的表面上,使该UO2F2粒子长大。此外,由于彼此碰撞,这些粒子的一部分被粉碎成为细小粒子。通过这些现象来控制该UO2F2的粒度。第一级流化床2的操作温度低于400℃,考虑到该粒子的陶瓷性能和粒度控制,该操作温度最好在220~300℃范围内。在第一级流化床2内产生的HF以HF溶液形式用HF冷凝器2a予以回收,贮存在HF接受器2b内。通过位于第一级流化床2上部的溢流管,将新生成的UO2F2粒子排出该流化床,并被送入第二级反应器3。在第二级反应器3中,通过管道11输入含氨溶液。从管道12排出一部分上述粒子和一部分含氨溶液,并用过滤器4进行过滤将其彼此分开。反应器3的操作温度低于90℃,最好在10℃~40℃范围内。将该ADU粒子送入第三级流化床5,在其中使这些粒子干燥和脱水。通过管道13将作为流化气体的空气输入到该反应器5的底部。该反应器5的操作温度低于200℃,最好在100℃~180℃的范围内。通过位于该流化床上部处的溢流管,将已干燥和已脱水的粒子排出该反应器5,并被送入第四级流化床6。在第四级流化床6内,已脱水的ADU粒子,加入通过管道14输入到该反应器6底部作为流化气体的水蒸汽焙烧,并将其转换成UO3或U3O8粒子。通过位于流化床6上部处的溢流管,将这些UO3或U3O8粒子排出该反应器,并将其送入第五级流化床7。在该流化床内,用通过管道5输入到该反应器7底部作为流化气体的氢气和水蒸汽的混合物还原那些UO3或U3O8粒子,并将其转换成UO2粉末。用容器8接受作为产品的UO2粉末。反应器7的操作温度低于700℃,考虑到UO2粉末的陶瓷性能,该温度最好在500℃~600℃。通过管道16将来自反应器2、5、6和7的废气送入废气处理装置。本发明的优点如下(1)UO2粉末具有良好的陶瓷性能、低含氟量和良好的流动性。用普通方法不可能得到象本发明那样的UO2粉末。(2)UO2粉末的良好流动性使UO2粉末的处理在以后的各工序中变得非常容易,并且可以取消在制造核燃料时通常进行的、成型工序前的制粒工序。以下各种实例是用来说明本发明。然而,认为这些实例仅仅是示范性的,并不限制本发明。实例应用本发明方法进行两种典型试验在情况1中,由第一级流化床生成的UO2F2粒子同含氨溶液反应,将其转换成ADU粒子,并使ADU粒子干燥、脱水和还原成UO2。在情况2中,由第一级流化床生成的UO2F2粒子同含氨溶液反应,将其转换成ADU粒子,而且使ADU粒子干燥、脱水、加水蒸汽焙烧和还原成UO2粉末。为了比较起见,应用本发明方法的结果同普通干法试验进行比较,在普通干法中由第一级流化床生成的UO2F2粒子直接被还原成UO2粉末。该操作条件示于表1,在这些试验中使用的全部流化床直径为83mm。在这些试验中所得UO2粉末的性能示于表2。表2表明本发明方法的UO2粉末比普通干法UO2粉末的堆积密度和平均粒度较小、比表面积较大和残余氟含量较低。因此,本发明方法所得UO2粉末适合于生产核燃料。表1本发明 普通第一级流化床 情况1 情况2 (对比)床温(℃) 280 280 280UF6速率(g/min) 90 90 90雾化器水蒸汽速率(g/min) 14 14 0流化气体速率(cm/min) 25 25 25UO2F2生产率(g/min) 79 79 79使用双流体雾化器 用 用 不用第二级流化床床温(℃) 10 10 不用UO2F2速率(g/min) 79 79ADU生产率(g/min) 82 82第三级流化床床温(℃) 170 170 不用UO2F2速率(g/min) 92 82流化气体速率(cm/min) 30 30已脱水的ADU生产率(g/min) 76 76表1(续)本发明 普通第四级流化床 情况1 情况2 (对比)床温(℃) 不用 500 不用已脱水的ADU速率(g/min) 76流化气体速率(cm/s) 20UO3/U3O8生产率(g/min) 73第五级流化床床温(℃) 600 600 660*1 *2 *3 *2 *3 *1UO2F2已脱水的ADU UO3/U3O876 73 79速率(g/min)流化气体速度(cm/s) 20 20 20氢气/水蒸汽摩尔比(-) 1/1 1/1 1/1UO2生产率(g/min) 69 69 69表2本发明 普通UO2粉末的性能情况1 情况2 (对比)堆积密度(g/cm3) 1.9 1.8 2.8比表面积(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残余氟含量(ppm) 43 38 27权利要求1.一种将UF6转换成UO2的方法包括以下工序(a)在流化床内,用水蒸汽使气态UF6高温水解,得到UO2F2粒子,(b)使上述UO2F2粒子同含氨溶液反应,将其转换成重铀酸铵(ADU)粒子,(c)使上述ADU粒子干燥和脱水,(d)用氢气或氢气/水蒸汽混合物还原上述已脱水的ADU粒子,将其转换成UO2粉末。2.一种将UF6转换成UO2的方法包括以下工序(a)在流化床内,用水蒸汽使气态UF6高温水解,得到UO2F2粒子,(b)使上述UO2F2粒子同含氨溶液反应,将其转换成重铀酸铵(ADU)粒子,(c)使上述ADU粒子干燥和脱水,(d)加水蒸汽焙烧上述已脱水的ADU粒子,将其转换成UO3或UO3/U3O8粒子混合物,(e)用氢气或氢气/水蒸汽混合物还原上述UO3或UO3/U3O8粒子混合物,将其转换成UO2粉末。3.权利要求1的方法,其特征在于,在流化床内实现干燥和脱水工序(c)以及还原工序(d)。4.权利要求2的方法,其特征在于,在流化床内实现干燥和脱水工序(c)、焙烧工序(d)和还原工序(e)。5.权利要求1和权利要求2的方法,其特征在于,使用双流体雾化器将气态UF6和水蒸汽送入流化床。专利摘要一种将气态UF文档编号C01G43/025GK86103859SQ86103859公开日1987年2月18日 申请日期1986年6月4日发明者田中皓 申请人:三菱金属株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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