СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ ОКСИДОВ УРАНА С ЗАДАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УРАНА-235 Российский патент 2003 года по МПК C01G43/25 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии получения порошков оксидов урана, используемых в качестве ядерного топлива, из компонентов с различным обогащением, в частности при использовании регенерированного топлива.

Уровень техники
В настоящее время в связи с необходимостью утилизации достаточно больших запасов урансодержащих порошков с существенно различным обогащением, в частности регенерированных низко- и высокообогащенных оксидов урана, возникает необходимость разработки технологии получения из этих порошков ядерного топлива с заданным содержанием урана-235.

Известен способ получения порошков оксидов урана с заданным содержанием урана-235, заключающийся в том, что урансодержащие порошки с высоким и низким содержанием урана-235 смешивают до требуемой степени однородности и обогащения (см. Майоров А.А., Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М. , Энергоатомиздат, 1985, глава 4 и 7). Данный способ предполагает растворение исходной смеси порошков в азотной кислоте, экстракционную очистку с последующим осаждением получаемого полиураната аммония и получение готового порошка водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония.

Сухое смешивание урансодержащих порошков с различным обогащением возможно при условии, что различие составляет не более 7%. При этом содержание урана-235 составляет номинал ±0,5%. Если различие составляет более 7%, то отклонение от номинала достигает нескольких процентов.

С учетом того, что требование к оксидам урана с содержанием урана-235 менее 5% составляет ±0,05%, для достижения однородности порошка с заданным содержанием урана-235 необходимо полное растворение смеси порошков в кислоте с последующей вышеотмеченной переработкой. Поэтому известный способ имеет достаточно высокую трудоемкость, потери, большой расход химических реагентов, большое количество сбросных отходов. Кроме того, реализация известного способа требует крупных капитальных вложений для создания соответствующего производства.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа получения порошков оксидов урана, обладающего улучшенными характеристиками, меньшими трудозатратами и большей технологичностью
В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в повышении степени однородности получаемого продукта и снижении допуска на отклонение содержания урана-235 от заданной величины.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе получения порошков оксидов урана с заданным содержанием урана-235, заключающемся в том, что урансодержащие исходные порошки с высоким и низким содержанием урана-235 смешивают до требуемой степени однородности, и обогащения, на смешение направляют порошки, размер частиц которых удовлетворяет соотношениям
D_н≤530-14•R_в;
D_в≤0,85•D_н•(R_в-R_н)^-0,4•(R₃)^0,6;
D_н/D_в≤3,
где D_н и D_в - размеры частиц исходных порошков с низким и высоким содержанием урана-235 соответственно, мкм;
R_з - заданное содержание урана-235, мас.%;
R_н и R_в - массовое содержание урана-235, % в исходных порошках с низким и высоким обогащением соответственно, причем (R_в-R_н)≤22.

Отличительная особенность описываемого способа состоит в следующем. Экспериментально установлено, что при смешивании урансодержащих порошков с различным обогащением определяющим фактором, оказывающим существенное влияние на качество получаемого ядерного топлива, является размер частиц используемых исходных урансодержащих порошков. Причем выявлена взаимосвязь между размерами частиц низко- и высокообогащенного порошков и обогащением. Выбор размера частиц низко- и/или высокообогащенного порошка более указанных выше значений не позволяет получить необходимую степень однородности и допустимого отклонения содержания урана-235 в получаемом ядерном топливе.

При увеличении разности в обогащениях уменьшаются необходимые размеры частиц порошка с высоким содержанием урана-235. Установлено, что при R_в-R_н > 22% и D_в ~ (50-60) мкм из-за склонности мелких частиц к агломерации необходимая степень однородности и допустимое отклонение содержания урана-235 в получаемом ядерном топливе не достигаются. В связи с этим введены ограничения на разность в обогащениях (R_в-R_н)≤22 и размеры частиц высокообогащенного порошка в относительном виде D_н/D_в≤3.

Кроме того, перед смешением контролируют размер частиц порошков и при отклонении размера частиц от требуемых размеров производят измельчение порошков.

Предварительное измельчение высокообогащенного порошка позволяет исключить растворение смеси порошков в кислоте, что характеризует, так называемый "сухой" способ получения ядерного топлива.

Дополнительно перед смешением может быть определено содержание урана-235 в порошках с высоким и низким обогащением, вычислена разность содержания урана-235 в порошках с высоким и низким обогащением и при отличии данной величины от заданного значения в порошок с высоким содержанием урана-235 добавлен порошок с низким содержанием урана-235 в количестве, при котором выполняется условие (R_в-R_н)≤22. Полученную смесь растворяют в азотной кислоте, проводят экстракционную очистку с последующим осаждением полиураната аммония и получают готовый порошок водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония, причем полученный продукт используют в качестве исходного порошка с высоким содержанием урана-235.

В качестве исходных урансодержащих порошков целесообразно использовать U₃O₈, которую до или после смешения восстанавливают до UO₂.

В качестве порошка с низким содержанием урана-235 может быть использована UO₂, а в качестве порошка с высоким содержанием урана-235 - U₃O₈.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Описываемый способ реализуют следующим образом. Исходя из обогащения исходных порошков и заданного обогащения рассчитываются размеры частиц низко- и высокообогащенных порошков, которые необходимо направить на смешение.

Затем проводят рассев пробы сухим способом через набор сит или прямой замер размеров частиц низко- и высокообогащенного порошков, например с помощью лазерного анализатора. Если размеры частиц не удовлетворяют заданным значениям, порошки направляют на измельчение. Режимы измельчения определяют исходя из полученных данных о размерах частиц порошков.

Измельчение проводят с помощью ударно-дисковых или шаровых мельниц. При использовании исходных порошков в виде UO₂ измельчение необходимо проводить в защитной среде, например в азоте, для предотвращения окисления.

Затем порошки с различным обогащением и различным размером частиц направляются на смешение, которое осуществляется в смесителе типа "пьяная бочка" или орбитально-шнековом смесителе.

При необходимости полученная смесь может быть повторно измельчена для улучшения качества смешения.

Исходный порошок низкого обогащения целесообразно использовать в виде UO₂. Тогда, если в качестве порошка с высоким обогащением использовать U₃O₈, то полученную готовую смесь порошков можно непосредственно направлять на изготовление таблеток ядерного топлива без дополнительного восстановления, т.к. допускается добавка (до 15%) U₃O₈ в UO₂.

При разности в обогащениях порошков R_в-R_н > 22% - предварительно смешивают порошок высокого обогащения с необходимой для выполнения условия (R_в-R_н) ≤ 22 порошка низкого обогащения и направляют смесь на растворение в азотной кислоте, экстракционную очистку с последующим осаждением получаемого полиураната аммония и получение готового порошка водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония. Полученный продукт используют в качестве исходного порошка с высоким обогащением.

Ниже приведены примеры реализации описываемого способа.

Пример 1.

Необходимо получить порошок с R_з = 2,4% из порошков UO₂ с R_н = 0,8% и R_в = 21%. Так как R_в-R_н = 21-0,8 = 20,2 < 22%, то возможно получение смешиванием порошка с R_з = 2,4%.

Расчет размеров частиц порошка с низким и высоким содержанием урана-235 дает
D_н=530-14•21=236 мкм,
D_в=0,85•D_н•(R_в-R_н)^-0,4•R_з)^0,6=0,85•236•(21-0,8)^-0,4•2,4^0,6=102 мкм.

Контрольный рассев порошков с низким и высоким содержанием урана-235 показал, что D_н ≤ 200 мкм и D_в ≤ 160 мкм соответственно.

Таким образом, порошок с высоким содержанием урана-235 необходимо подвергать дроблению, а необходимость подвергать дроблению порошок с низким содержанием урана-235 отсутствует.

Для дробления порошка с высоким содержанием урана-235 использовалась дисковая мельница при выставленном рабочем зазоре - 100 мкм, что обеспечивало выполнение условия D_н/D_в=200/100 = 2 < 3.

После дробления осуществляли смешивание исходных порошков в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 1,5 часа. Отбор проб массой 100 мг на содержание урана-235 осуществляли обычным порядком. При этом получили данные, приведенные в табл.1
Результат соответствует приемочным требованиям - 2,4 ± 0,03%.

Пример 2.

Необходимо получить порошок с R_з=4,4% из порошков UO₂ с R_н = 0,6% и R_в = 10%. Так как R_в-R_н = 10-0,6 = 9,4 < 22%, то возможно получение смешиванием порошка с R_з = 4,4%.

Расчет размеров частиц порошка с низким и высоким содержанием урана-235 дает
D_н = 530-14•10 = 390 мкм,
D_в = 0,85•D_н•(R_в-R_н)^-0,4(R_з)^0,6=
0,85•390•(10-0,6)^-0,4•4,4^0,6=329 мкм.

Контрольный рассев порошков с низким и высоким содержанием урана-235 показал, что D_н ≤ 500 мкм и D_в ≤ 400 мкм соответственно.

Таким образом, необходимо дробление порошка с низким и высоким содержанием урана-235. Перед дроблением осуществляли предварительное смешивание порошков в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 0,5 часа.

Для дробления порошков использовалась дисковая мельница при выставленном рабочем зазоре - 300 мкм, что обеспечивало выполнение условия D_н/D_в= 300/300 = 1 < 3.

После дробления осуществляли смешивание исходных порошков в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 1,5 часа. Отбор проб массой 100 мг на содержание урана-235 осуществляли обычным порядком. При этом получили данные, приведенные в табл.2.

Результат соответствует приемочным требованиям - 4,4 ± 0,03%.

Пример 3.

Необходимо получить порошок с R_з = 2,4% из порошков UO₂ с R_н = 0,8% и R_в = 36%. Так как R_в-R_н = 36-0,8 = 35,2 > 22%, то невозможно получение смешиванием порошка с R_з = 2,4%, поэтому предварительно смешивали порошок R_в = 36% с частью порошка R_н = 0,8% и направляли смесь на растворение в азотной кислоте, экстракционную очистку с последующим осаждением получаемого полиураната аммония и получение готового порошка водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония. Полученный порошок обогащением 21% использовали в качестве исходного порошка с высоким обогащением, при этом R_в-R_н = 21-0,8 = 20,2 < 22%.

Расчет размеров частиц порошка с низким и высоким содержанием урана-235 дает
D_н=530-14•21=236 мкм,
D_в=0,85•D_н•(R_в-R_н)^-0,4•(R_з)^0,6=0,85•296•(21-0,8)^-0,4•4,4^0,6 = 102 мкм.

Контрольный рассев порошков с низким и высоким содержанием урана-235 показал, что D_н ≤ 200 мкм и D_в ≤ 160 мкм соответственно.

Таким образом, порошок с высоким содержанием урана-235 необходимо подвергать дроблению, а необходимость подвергать дроблению порошок с низким содержанием урана-235 отсутствует.

Для дробления порошка с высоким содержанием урана-235 использовалась дисковая мельница при выставленном рабочем зазоре - 100 мкм, что обеспечивало выполнение условия D_н/D_в= 200/100 = 2 < 3.

После дробления осуществляли смешивание исходных порошков в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 1,5 часа. Отбор проб массой 100 мг на содержание урана-235 осуществляли обычным порядком. При этом получили данные, приведенные в табл.3.

Результат соответствует приемочным требованиям - 2,4 ± 0,03%.

Таким образом, описываемый способ позволяет получить конечный продукт требуемого состава при снижении трудозатрат и упрощении технологии.

Использование: в ядерной технике при производстве ядерного топлива. Способ получения порошков оксидов урана с заданным содержанием урана-235 включает смешение урансодержащих порошков с различным содержанием урана-235 до требуемой степени однородности и обогащения. На смешение направляют порошки, размер частиц которых удовлетворяет определенным соотношениям, зависящим от массового содержания урана-235. В результате уменьшается неоднородность получаемого продукта и снижается величина отклонения содержания урана-235 от заданного значения, 4 з.п.ф-лы.

1. Способ получения порошков оксидов урана с заданным содержанием урана-235, заключающийся в том, что урансодержащие исходные порошки с высоким и низким содержанием урана-235 смешивают до требуемой степени однородности и обогащения, отличающийся тем, что на смешение направляют порошки, размер частиц которых удовлетворяет соотношениям
D_H≤530-14 • R_B;
D_B≤0,85 • D_H • (R_B-R_H)^-0,4 • (R_З)^0,6;
D_H/D_B≤3,
где D_H и D_B - размеры частиц исходных порошков с низким и высоким содержанием урана-235 соответственно, мкм;
R_З - заданное содержание урана-235, мас. %;
R_H и R_B - массовое содержание урана-235, % в исходных порошках с низким и высоким обогащением соответственно, причем (R_B-R_H)≤22. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед смешением контролируют размер частиц порошков и при отклонении размера частиц от требуемых размеров производят измельчение порошков. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что перед смешением определяют содержание урана-235 в порошках с высоким и низким обогащением, вычисляют разность содержания урана-235 в порошках с высоким и низким обогащением и при отличии данной величины от заданного значения добавляют в порошок с высоким содержанием урана-235 порошок с низким содержанием урана-235 в количестве, при котором выполняется условие (R_B-R_H)≤22, полученную смесь растворяют в азотной кислоте, проводят экстракционную очистку с последующим осаждением полиураната аммония и получают готовый порошок водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония, причем полученный продукт используют в качестве исходного порошка с высоким содержанием урана-235. 4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве исходных урансодержащих порошков используют U₃O₈, которую до или после смешения восстанавливают до UO₂. 5. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве порошка с низким содержанием урана-235 используют UO₂, а в качестве порошка с высоким содержанием урана-235 используют U₃O₈.