СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИДА УРАНА Российский патент 2014 года по МПК C01G43/25 

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к металлургии урана и производству соединений урана, и может быть использовано в химической и ядерной технологиях.

Известен способ получения оксида урана, заключающийся в нагреве урана в среде кислородсодержащего агента при температуре 500÷900°С (Ю.Н. Сокурский и др. Уран и его сплавы. Москва, Атомиздат, 1971, с.222 - 224).

Недостатком известного способа является то, что при указанных температурах окисления образуется не диоксид урана (UO₂), а закись-окись урана (U₃O₈), которая в дальнейшем подвергается восстановлению до двуокиси урана, и в дальнейшем используется для получения ядерного горючего.

Известен способ получения оксида урана, заключающийся в окислении металлического урана в среде кислородсодержащего агента при температуре 500 - 900°С и последующей выдержке без нагрева внешним источником до прекращения процесса (патент РФ №2 247 076, МПК⁷ C01G 43/01, опубл. 27.02.2005).

Конечным продуктом, получаемым в соответствии с известным способом окисления, является закись-окись урана (U₃O₈), которая в дальнейшим подвергается восстановлению в атмосфере водорода до диоксида урана и последующему использованию в качестве ядерного горючего.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения диоксида урана, заключающийся в окислении металлического урана в кислородсодержащей среде (пары воды) при температуре до 500°С (Я.М. Стерлин, Металлургия урана. Государственное издательство литературы в области атомной науке и технике. Москва, 1962, с.64-69).

Недостатком известного способа получения диоксида урана является существенный разброс в крупности частиц (10÷100 мкм), низкая удельная поверхность, неравномерность окисления различных по крупности зерен урана, т.е. разброс по содержанию кислорода (кислородного коэффициента) и низкая производительность.

Задачей заявленного изобретения является повышение дисперсности и удельной поверхности получаемого порошка диоксида урана, повышение его стехиометрии, а также повышение производительности процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения диоксида урана, включающем окисление металлического урана в парах воды, перед окислением металлический уран гидрируют при температуре 200÷220°С, затем дегидрируют при температуре 470÷500°С, а окисление проводят при температуре 600÷800°С в потоке смеси водорода и паров воды в соотношении 40:1÷1,2 (мольн. доли).

В процессе окисления осуществляют циркуляцию водорода по замкнутому контуру.

Причинно-следственная связь между параметрами заявленного способа получения диоксида урана и поставленной задачей заключается в том, что при гидрировании металлического порошка получается мелкодисперсный порошок гидрида урана (1÷3 мкм), при последующем дегидрировании сохраняется дисперсность порошка, что обеспечивает высокую его активность при последующем его окислении. Соотношение расхода водорода и водяного пара установлено экспериментально и обеспечивает поддержание температуры процесса на уровне 600÷800°С равномерно по всему объему и, следовательно, получение порошка строго стехиометрического состава и повышение производительности процесса за счет снятия избыточного тепловыделения.

Пример осуществления.

Металлический уран в виде пластины 100×50×10 мм массой 1 кг помещали в реакционную емкость, которую вакуумировали до остаточного давления 10^-2 мм рт.ст., заполняли водородом из баллона до давления 2 МПа и нагревали до температуры 200÷220°С. Гидрирование проводили до прекращения падения давления в реакционной емкости, что свидетельствовало о завершении процесса гидрирования урана.

Процесс дегидрирования урана проводили при температуре 470÷500°С, выделяющийся водород перекачивали в буферную емкость, а затем в исходный баллон с водородом. О завершении процесса дегидрирования судили по прекращению роста давления водорода в баллоне.

Перед непосредственным использованием при окислении урана, водород нагревали до температуры 150÷180°С, а воду - до температуры кипения. Водород и пары воды в соотношении 40:1÷1,2 (мольн. доли) продували по замкнутому контуру через слой порошка урана в реакционной емкости. В расчете на 1 кг урана расход воды составлял 2,5 г/мин. Процесс окисления урана составлял 1 час.

Полученный порошок диоксида урана имел дисперсность 1÷3 мкм, удельную поверхность - 1,12 м²/г, кислородный коэффициент - UO_2,01.

В таблице приведены примеры получения диоксида урана в соответствии с заявленным изобретением (№№1 - 3) и известным способом (№4).

Как следует из приведенных в таблице данных предложенный способ получения диоксида урана обеспечивает в сравнении с известным способом повышение дисперсности и удельной поверхности порошка диоксида урана, близкий к стехиометрическому кислородный коэффициент диоксида урана и сокращение длительности процесса.

Таблица №№ примеров Температура гидрирования, °С Температура дегидрирования, °С Окисление Дисперсность, мкм Удельная поверхность, м²/г Кислородный коэффициент Длительность процесса, ч Температура, °С Соотношение H₂O и Н₂ (мольн. доли) 1 200 470 600 1:40 1 - 3 1,4 2,011 3,3 2 210 485 700 1,1:40 1 - 3 1,2 2,010 3,1 3 220 500 800 1,2:40 1 - 3 1,1 2,009 2,9 4 извест-ный способ - - 500 - 10-100 0,6 2,04 - 2,06 10 - 15

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к металлургии урана и производству соединений урана, и может быть использовано в химической и ядерных технологиях. Способ получения диоксида урана заключается в гидрировании металлического урана при температуре 200-220°С, дегидрировании при температуре 470-500°С и окислении при температуре 600-800°С в потоке смеси водорода и паров воды в соотношении 40:1-1,2 (мольн. доли). Изобретение обеспечивает повышение дисперсности и удельной поверхности порошка диоксида урана, получения диоксида урана с кислородным коэффициентом близким к стехиометрическому, а также сокращение длительности процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения диоксида урана, включающий окисление металлического урана в парах воды, отличающийся тем, что перед окислением металлический уран гидрируют при температуре 200-220°С, затем дегидрируют при температуре 470-500°С, а окисление проводят при температуре 600-800°С в потоке смеси водорода и паров воды в соотношении 40:1-1,2 (мольн. доли).

2. Способ получения диоксида урана по п.1, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию водорода по замкнутому контуру.