СПОСОБ ДЛЯ КОНВЕРСИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА В ДИОКСИД УРАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C01G43/25 

Изобретение относится к технологии получения оксидов урана из гексафторида урана за счет взаимодействия гексафторида урана любой степени обогащения по изотопу U²³⁵ с водяным паром и водородом и является первым этапом получения любых оксидов урана в зависимости от последующей стадии переработки.

Уровень техники
Известен способ переработки гексафторида урана до диоксида урана путем взаимодействия гексафторида урана со смесью водяного пара и восстановителя, например водорода при температуре от 450^oС до 600^oС в первом реакторе в виде вертикальной трубы (US 4020146, С 01 G 43/02, 26.04.1977). В результате после первого реактора образуются в основном UO₂F₂ и U₃O₈, которые направляются во второй реактор, где при температуре от 575^oС до 675^oС взаимодействуют с водяным паром и водородом для получения U₃O₈ и UO₂, которые направляются в третий реактор для окончательного восстановления диоксида урана. Устройство, реализующее данный способ, выполнено в виде трех практически идентичных реакторов. В каждом реакторе процесс идет в псевдоожиженном слое.

Известен также способ конверсии гексафторида урана в диоксид урана, включающий подачу в верхний объем реактора водяного пара и гексафторида урана и их взаимодействие (US 4830841, С 01 G 43/025, 16.-5.1989). Продукты реакции поступают в нижний объем реактора, куда подают водород. Окончательное обесфторивание продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом осуществляют во вращающейся печи, в которой происходит восстановление диоксида урана.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ конверсии гексафторида урана в диоксид урана, включающий взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС, обесфторивание фтористых соединений урана водяным паром и водородом, окончательное обесфторивание фтористых соединений урана и частичное восстановление фтороксидов урана водяным паром и водородом, окончательное восстановление оксидов урана водородом (GB 1548300, С 01 G 43/02, 11.07.1979).

Данный способ реализуется с помощью устройства для конверсии гексафторида урана в диоксид урана, содержащего последовательно установленные реакционную камеру, снабженную патрубками подачи гексафторида урана и водяного пара, и печь, включающую реторту, внутренний объем которой разделен на три зоны, причем в средней зоне расположены поперечные перегородки и магистраль подачи водяного пара, и патрубок подачи водорода, соединенный с последней по ходу движения порошка зоной реторты.

В вертикальной реакционной камере происходит взаимодействия UF₆ с водяным паром при температуре от 250^oС до 300^oС. Образовавшийся порошок UO₂F₂ оседает на дно камеры и шнеком загружается в первую зону вращающейся реторты печи, имеющей температуру от 600^oС до 700^oС, а затем порошок перемещается во вторую зону реторты, имеющей температуру от 760^oС до 800^oС. Реторта печи разделена на три зоны и оборудована вертикальными перегородками для предотвращения продольной обратной диффузии находящихся и подаваемых в реторту газов.

В первой зоне реторты происходит превращение UO₂F₂ в U₃O₈ и UO₂, а во второй - восстановление U₃O₈ до UO₂ при взаимодействии с водородом.

В известном решении в процессе конверсии UF₆ при низкой температуре образуется в основном мелкодисперсный, до 0,15 мкм, оксифторид урана, который обладает большой адгезией, вследствие чего он нарастает на стенках реактора, с трудом транспортируется в реторту печи, для чего требуются специальные приемы и устройства, усложняющие аппаратурное оформление процесса.

Обесфторивание и восстановление UO₂F₂ до UO₂ производится в реторте печи, а не в реакционной камере, что затрудняет получение порошка диоксида урана с регулируемыми характеристиками - содержание фтора, степень восстановления, крупность зерна, удельная поверхность, насыпная плотность и др.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа и устройства для конверсии гексафторида урана в диоксид урана, обладающих улучшенными параметрами.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что обеспечивается возможность получения порошка диоксида урана с требуемыми физико-химическими характеристиками, повышается стабильность и маневренность работы оборудования для осуществления процесса конверсии гексафторида урана в диоксид урана, увеличивается производительность установки.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе конверсии гексафторида урана в диоксид урана, включающем взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС, обесфторивание фтористых соединений урана водяным паром и водородом, окончательное обесфторивание фтористых соединений урана и частичное восстановление фтороксидов урана водяным паром и водородом, окончательное восстановление оксидов урана водородом, вводят камеру, в которой фтористым водородом фторируют продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом.

Для этого устройство для конверсии гексафторида урана в диоксид урана, содержащее последовательно установленные реакционную камеру, снабженную патрубками подачи гексафторида урана и водяного пара, и печь, включающую реторту, внутренний объем которой разделен на три зоны, причем в средней зоне расположены поперечные перегородки и магистраль подачи водяного пара, и патрубок подачи водорода, соединенный с последней по ходу движения порошка зоной, снабжено камерой для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом, расположенной между реакционной камерой и печью, а реакционная камера снабжена патрубком подачи водорода.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. На первом этапе процесса конверсии гексафторида урана образуются в основном оксиды урана, которые направляют в камеру для их фторирования на втором этапе фтористым водородом с получением фторсодержащих оксидов урана. Термодинамически доказано, что при температуре выше 600^oС все реакции взаимодействия фторидов урана с водяным паром сдвинуты в сторону образования оксидов урана. Поэтому при температуре стенок реактора 600^oС и выше, когда все зоны реакционной камеры будут находиться выше термодинамически обозначенной температуры, в ней будут образовываться в основном оксиды урана, а в присутствии водорода - диоксид урана, с содержанием фтора не более десятых долей процента. При этом крупность частиц порошка оксидов урана будет более высокой (до 0,4 мм), чем порошки UО₂F₂, получаемые при более низких температурах (практически аэрозоли), как, например, в прототипе. Получение более крупных частиц порошков оксидов урана, обладающих к тому же меньшей адгезией, чем порошок UО₂F₂, и с более высокой насыпной плотностью позволяет предотвратить адгезию порошка во всех зонах реакционной камеры, существенно упрощает загрузку порошка в реторту печи и повышает производительность установки в целом. На третьем, четвертом и пятом этапах имеет место постепенное обесфторивание и восстановление фторсодержащих оксидов до диоксида урана с требуемыми физико-химическими характеристиками. Это достигается тем, что процесс обесфторивания и восстановления фторсодержащих оксидов урана до диоксида урана проходит в реторте печи в трех температурных зонах.

Устройство для осуществления процесса оборудовано камерой для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом, расположенной между реакционной камерой и печью, что позволяет получать фтороксиды урана более крупных размеров. Снабжение реакционной камеры патрубком подачи водорода предполагает получение оксидов урана непосредственно в объеме реакционной камеры.

Кроме того, продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом фторируют при температуре от 150^oС до 600^oС фтористым водородом, образующимся при обесфторивании фтористых соединений урана, а обесфторивание фтористых соединений урана водяным паром и водородом проводят при температуре от 550^oС до 620^oС.

Целесообразно окончательное обесфторивание фтористых соединений урана и частичное восстановление фтороксидов урана водяным паром и водородом проводить при температуре от 640^oС до 660^oС, а окончательное восстановление оксидов урана водородом - при температуре от 670^oС до 720^oС.

Предпочтительно взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС и фторирование фтористым водородом продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом проводить в атмосфере инертного газа, в качестве которого используют азот. Инертный газ целесообразно подавать в форсунку между каналами подачи гексафторида урана и смеси водорода с водяным паром.

В устройстве для конверсии гексафторида урана в диоксид урана магистраль подачи водяного пара может быть выполнена в виде перфорированной трубы, на которой установлены поперечные перегородки, периферийные участки которых выполнены с наклоном навстречу движению порошка.

Реакционная камера может быть снабжена патрубком подачи нейтрального газа и снабжена форсункой, соединенной с патрубками подачи гексафторида урана, водяного пара, водорода и инертного газа.

Целесообразно форсунку снабдить желобом с наклоном к продольной оси реакционной камеры под углом от 30 градусов до 60 градусов. В результате пылегазовая смесь, выходящая из форсунки, получает в реакционной камере в зоне реакции движение по спирали, что способствует увеличению времени пребывания в реакционной зоне продуктов реакции и улучшает условия формирования частиц оксидов урана, в частности приводит к увеличению крупности частиц получаемых оксидов урана.

В верхней части камеры для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом целесообразно расположить фильтры для отвода газообразных продуктов реакции.

Перечень фигур чертежей
На чертеже изображена принципиальная схема установки для конверсии гексафторида урана в диоксид урана.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Настоящее изобретение реализуют следующим образом. Устройство для конверсии гексафторида урана в диоксид урана содержит последовательно установленные реакционную камеру 1 и печь 2. Реакционная камера 1 снабжена патрубком 3 подачи гексафторида урана, патрубком 4 подачи водяного пара, патрубком 5 подачи водорода и патрубком 6 подачи инертного газа (азота). Печь 2 включает реторту 7, внутренний объем которой разделен по ходу движения порошка на три зоны: зона А, зона В и зона С. В средней зоне С расположены поперечные перегородки 8 и магистраль 9 подачи водяного пара. С последней по ходу движения порошка зоной С соединен патрубок 10 подачи водорода. Устройство снабжено камерой 11 для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом. Камера 11 расположена между реакционной камерой 1 и печью 2. Камера 11 снабжена патрубком 12 подачи инертного газа (азота) для заполнения ее инертным газом после остановки процесса.

Предложенный способ конверсии гексафторида урана в диоксид урана заключается в следующем. В реакционную камеру 1 длиной от 1 м до 1,5 м и диаметром (250-300) мм с температурой стенок более 600^oС через имеющую наклоненный желоб 13 форсунку (на чертеже не показана) с коаксиально расположенными каналами раздельно подаются гексафторид урана по центральному каналу, азот по промежуточному каналу (для предотвращения нарастания твердых продуктов реакции на конце форсунки) и смесь водяного пара и водорода по наружному каналу. Данные компоненты подаются по патрубку 3, патрубку 6, патрубку 4 и патрубку 5 соответственно, которые соединены с форсункой.

Диоксиды урана, образующиеся в реакционной камере 1, попадая в реакционную камеру 11 с температурой порядка 150^oС, подвергаются фторированию фтористым водородом, образующимся при обесфторивании фтористых соединений урана в печи 2. В результате получаются фторсодержащие оксиды урана, которые шнеком-питателем 14 загружаются в реторту 7 печи 2, оборудованную поперечными перегородками 8 для дальнейшей их обработки пароводородной смесью газов и получения порошка диоксида урана. Обратное фторирование оксидов урана, образующихся в реакционной камере 1, производится с той целью, чтобы в процессе обесфторивания и восстановления фторсодержащих оксидов урана иметь возможность получать порошки диоксида урана с заданными физико-химическими характеристиками (по крупности частиц, насыпной плотности, удельной поверхности, содержанию фтора), т. к. экспериментально установлено, что наличие фтора в исходных оксидах урана существенно влияет на укрупнение порошка диоксида урана, а следовательно, и на другие указанные выше характеристики.

Отходящие газы через фильтры 15, расположенные в верхней части камеры 11, поступают в систему конденсации фтористоводородной кислоты.

Фторсодержащие оксиды урана шнеком-питателем 14 загружаются в первую по ходу движения порошка зону А реторты 7 - зону интенсивного обесфторивания фтороксидов урана. В зону А, свободную от поперечных перегородок, поступает порошок из камеры 11 с относительно низкой насыпной плотностью. Поскольку высокое содержание фтора в исходном порошке в значительной степени влияет на его укрупнение, первая зона А имеет более низкую температуру (550-620)^oС по сравнению с последующими зонами. Далее порошок перемещается в среднюю зону В реторты 7 (зону обесфторивания и восстановления), оборудованную поперечными перегородками 8. В зоне В с помощью нагревателей 16 поддерживают температуру (640-660)^oС. В данную зону со стороны выгрузки порошка через перфорацию (отверстия) в магистрали 9, на которой закреплены поперечные перегородки 8, поступает водяной пар. Водяной пар поступает в эту зону после 2-х, 3-х перегородок с тем, чтобы он не попал в последнюю зону С. Последняя зона С (зона довосстановления), в которую перемещается порошок оксидов урана, также свободна от перегородок и имеет максимальную температуру (670-720)^oС. В зону С поступает водород из разгрузочной головки 17 печи 2 и в ней полностью отсутствует водяной пар и фтористый водород, так как перегородки 8 предотвращают обратную продольную диффузию как водяного пара, так и образующегося в реторте 7 фтористого водорода. Далее порошок UO₂ шнеком 18 направляют в систему 19 разгрузки и далее в приемный контейнер 20. Свободное от перегородок сечение реторты, размеры перегородок, расстояние между ними и их число определяют расчетом в зависимости от производительности печи, числа оборотов вращающейся реторты, длины реторты и величины насыпной плотности перерабатываемых фторсодержащих оксидов урана.

Для печи с ретортой ⊘=250 мм, L=6500 мм и производительности установки 30 кг/ч по UF₆ длина зоны А составляет 1500 мм, зоны В2 - 3900 мм и зоны С - 1100 мм, высота перегородок 150 мм, расстояние между перегородками 150 мм, периферийные части перегородок имеют угол наклона навстречу движения порошка 30 градусов с целью лучшего его перемешивания.

Общее время обработки порошка оксидов урана в реторте печи составляет 2,0-2,5 часа.

В результате разделения реторты печи на три зоны получают порошок диоксида урана с незначительным содержанием фтора и высокой степенью восстановления. Содержание фтора составляет (0,0001-0,005) мас.%, урана (87,7 - 88,0) мас.%; крупность зерна (0,48-0,57) мкм; влажность до 0,4 мас.%, насыпная плотность (2,1-2,5) г/см³ и удельная поверхность (2,0-2,5) м²/г.

Назначение: в технологии получения оксидов урана из гексафторида урана за счет взаимодействия гексафторида урана любой степени обогащения по изотопу U²³⁵ с водяным паром и водородом. Способ включает взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС, обесфторивание фтористых соединений урана и восстановление оксидов урана водородом. Для этого в устройство вводят камеру, в которой фтористым водородом фторируют продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом. Камера расположена между реакционной камерой и печью, а реакционная камера снабжена патрубком подачи водорода. В результате обеспечивается возможность получения порошка диоксида урана с требуемыми физико-химическими характеристиками, повышается стабильность и маневренность работы оборудования для осуществления процесса конверсии гексафторида урана в диоксид урана, увеличивается производительность установки. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ конверсии гексафторида урана в диоксид урана, включающий взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС, обесфторивание фтористых соединений урана водяным паром и водородом, окончательное обесфторивание фтористых соединений урана и частичное восстановление фтороксидов урана водяным паром и водородом, окончательное восстановление оксидов урана водородом, отличающийся тем, что вводят камеру, в которой фтористым водородом фторируют продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом фторируют фтористым водородом при температуре от 150 до 600^oС. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что продукты взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом фторируют фтористым водородом, образующимся при обесфторивании фтористых соединений урана. 4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что обесфторивание фтористых соединений урана водяным паром и водородом проводят при температуре от 550 до 620^oС. 5. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что окончательное обесфторивание фтористых соединений урана и частичное восстановление фтороксидов урана водяным паром и водородом проводят при температуре от 640 до 660^oС. 6. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что окончательное восстановление оксидов урана водородом проводят при температуре от 670 до 720^oС. 7. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что взаимодействие гексафторида урана с водяным паром и водородом при температуре выше 600^oС проводят в присутствии инертного газа. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют азот. 9. Устройство для конверсии гексафторида урана в диоксид урана, содержащее последовательно установленные реакционную камеру, снабженную патрубками подачи гексафторида урана и водяного пара, и печь, включающую реторту, внутренний объем которой разделен на три зоны, причем в средней зоне расположены поперечные перегородки и магистраль подачи водяного пара, и патрубок подачи водорода, соединенный с последней по ходу движения порошка зоной, отличающееся тем, что оно снабжено камерой для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом, расположенной между реакционной камерой и печью, а реакционная камера снабжена патрубком подачи водорода. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что поперечные перегородки установлены на магистрали подачи водяного пара, которая выполнена в виде перфорированной трубы. 11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что периферийные участки поперечных перегородок выполнены с наклоном навстречу движению порошка. 12. Устройство по п. 9, или 10, или 11, отличающееся тем, что реакционная камера снабжена патрубком подачи нейтрального газа. 13. Устройство по п. 9, или 10, или 11, или 12, отличающееся тем, что реакционная камера снабжена форсункой, соединенной с патрубками подачи гексафторида урана, водяного пара, водорода и инертного газа. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что форсунка снабжена желобом, установленным с наклоном к продольной оси реакционной камеры под углом от 30 до 60^o. 15. Устройство по п. 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающееся тем, что в верхней части камеры для фторирования продуктов взаимодействия гексафторида урана с водяным паром и водородом расположены фильтры.