Verfahren zur Herstellung von Urantetrafluorid Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Urantetrafluorid.
Es wurde bereits behauptet, dass Urantetrafluorid aus Uranhexafluorid hergestellt werden kann, indem man letzteres mit einem wasserfreien organischen Fluoracceptor, wie Tetrachlorkohlenstoff, Äthylen- dichlorid, Trichloräthylen und Chloroform, umsetzt. Die Bedingungen, unter welchen diese Reaktionen zu erwarten sind, sowie die Art der während der Re aktion gebildeten Produkte (mit Ausnahme von Urantetrafluorid selbst) wurden jedoch nicht be kanntgegeben.
Die Erfinder haben die Möglichkeit untersucht, Urantetrafluorid aus Uranhexafluorid und Tetra chlorkohlenstoff durch ein Dampfphasen-Verfahren herzustellen, und haben gefunden, dass die Bedin gungen, unter welchen die Reaktion durchgeführt wird, streng überwacht werden müssen, insbeson dere, wenn das Verfahren durch Vermischen von Strömen der Reaktionsteilnehmer in Dampfform durchgeführt wird, um die Bildung eines Urantetra- fluorides zu verhindern, das mit festen Uranfluorid- Zwischenprodukten,
wie UF., UZF9 und U4F17, ver unreinigt ist. Es wurde gefunden, dass ein Urantetra fluorid von befriedigender Reinheit erhalten werden kann durch Anwendung einer Temperatur von 150 bis 400 C und durch Verwendung von Tetrachlor- kohlenstoff und Uranhexafluorid im Verhältnis von 2 bis 4,5 Mol Tetrachlorkohlenstoff zu 1 Mol Uran- hexafluorid. (Da die Molekulargewichte dieser Ver bindungen 154 bzw.
352 betragen, sind die verwen deten Gewichtsverhältnisse 308 bis 693 Gewichts teile CC14 zu 352 Gewichtsteilen UF..) Es wurde ferner gefunden, dass die Reaktion durch Anwendung einer Temperatur von 270 bis 350 C und Molverhältnissen von 2,5 bis 3,7 Tetra chlorkohlenstoff zu 1 Mol Uranhexafluorid, unter Bildung eines grossen Anteils der wertvollen Chlor fluorkohlenstoffe CC13F und CC12F2 erfolgt.
Wird das Verfahren durch Vermischen von Tetrachlorkohlenstoff und Uranhexafluoriddämpfen durchgeführt, so werden diese Ströme vor dem Mi schen vorzugsweise auf eine Temperatur von min destens 150 C vorgeheizt, um die Reaktion zu be schleunigen.
Die Reaktion wird durch das gebildete Uran- tetrafluorid katalysiert.
<I>Beispiel</I> Die zum Durchführen dieses Beispiels verwen dete Apparatur war eine solche bekannter Art und umfasste einen schrägen Drehofen aus rostfreiem Stahl mit Nickelauskleidung von 14 Litern Inhalt und einem Grössenverhältnis von Länge zu innerem Durchmesser von 14: 1, der an seinen Enden in Rollenlagern gelagert war, welche mit einem mit verstellbaren Füssen versehenen Gestell verbunden waren, so dass die Neigung des Ofens verändert wer den konnte. Der Ofen konnte mittels eines Ketten antriebes rotiert und durch einen, annähernd den ganzen Ofen innerhalb der Walzlager umfassenden Feuerraum erhitzt werden.
Zwei konzentrische Rohre aus rostfreiem Stahl führten durch eine Polytetrafluoräthylen-Dichtung in das obere Ende des Ofens; das äussere Rohr diente der Einleitung von Tetrachlorkohlenstoff- dampf und das innere der Einleitung von Uran- hexafluoriddampf. Das innere Rohr wies eine ver engte Öffnung auf, um ein Rückdiffundieren des Tetrachlorkohlenstoffdampfes zu verhindern.
An diese Einlassrohre war eine Ablenkplatte befestigt, durch welche die, aus dvn Rohren austretenden Dämpfe der Reaktionsteilnehmer nach unten abge lenkt und dadurch rasch vermischt wurden. Das untere Ende des Ofens führte durch eine Polytetrafluoräthylendichtung in eine Absetzkammer. Diese Kammer umfasste einen, durch ein Ventil schliessbaren Ausgang für Feststoffe an seinem untern Teil und eine Leitung für entweichende Dämpfe an seinem obern Teil.
Der Ofen war mit einem Schaber ausgestattet, um ein Ansammeln von festem Urantetrafluorid an der Ofenwand zu verhindern, und mit einer Tasche zur Aufnahme eines Nickelthermoelementes, welches sich der Mittelachse des Ofens entlang erstreckte und die Aufzeichnung der Temperatur beim Einlass, in der Mitte und beim Auslass des Ofens ermöglichte.
Bei einer Schrägstellung des Ofens von 71/2 zur Horizontalen und einer Rotationsgeschwindigkeit von 10 Umdrehungen pro Minute wurden Uran- hexafluoriddämpfe und trockene Tetrachlorkohlen- stoffdämpfe, beide auf 200 C vorgewärmt, bei einem überdruck von etwa 15 mm Hg in das innere bzw.
äussere der koaxialen Rohre einströmen gelassen, wobei die Zuflussgeschwindigkeit derart reguliert wurde, dass auf 1 Mol Uranhexafluorid 3,1 Mol Tetrachlorkohlenstoff entfielen und die absolute Zu- flussgeschwindigkeit des Uranhexafiuorids 1 kg Uran pro Stunde äquivalent war. Der Ofen wurde derart erhitzt, dass der grössere Teil seiner Länge auf einer Temperatur zwischen 285 und 310 C gehalten wer den konnte, wobei der unmittelbar an den Auslass angrenzende Teil eine Temperatur von 170 C auf wies.
Das durch die Reaktion entstandene, feste Pro dukt wanderte allmählich gegen das untere Ende des Drehofens (das Produkt blieb im wesentlichen 15 Minuten im Ofen) und gelangte in die Absetzkam- mer, aus welcher es periodisch durch den Auslass am untern Kammernende entfernt wurde.
Das derart gewonnene Produkt war ein annähernd von Fluorid- zwischenprodukten freies Urantetrafluorid mit einem Gehalt von 0,4 Gew.II/o U02F2, welch letzteres Ma terial durch die Reaktion von UF, mit Feuchtigkeit entstanden war. Das Produkt wurde sodann mit trockener Luft bei 300 C behandelt, um absorbierte Dämpfe zu entfernen.
Die entweichenden Dämpfe verliessen die Ab setzkammer durch die Leitung am obern Ende der Kammer und gelangten in eine Staubabscheidevor- richtung, in welcher feine Teilchen von Urantetra- fluorid gewonnen wurden.
Diese derart von Fest körpern befreiten Dämpfe wurden sodann auf 20 C abgekühlt, wobei der grösste Teil des überschüssi gen Tetrachlorkohlenstoffes kondensiert wurde, und durch eine mit Atznatron beschickte Gaswaschvor- richtung geleitet, in welcher das Chlor adsorbiert und weiterer Tetrachlorkohlenstoff kondensiert wurde.
Die aus der Waschvorrichtung austretenden Dämpfe, welche hauptsächlich aus CC13F und CC12F2 mit sehr kleinen Mengen CCIF 3 und zuvor nicht kondensier tem Tetrachlorkohlenstoff bestanden, wurden so dann zur Gewinnung dieser Verbindungen teilweise durch Adsorption an Aktivkohle und teilweise durch Kondensation bei -20 C und anschliessende fraktionierte Destillation behandelt.
Der aus den entweichenden Dämpfen gewonnene Tetrachlorkohlenstoff wurde nach den üblichen Ver fahren gereinigt und wieder in den Prozess einge schaltet.
Die vorliegende Erfindung findet besonders Ver wendung zur Umwandlung von UF, in UF4 unter Berücksichtigung von U235.
Method for producing uranium tetrafluoride The present invention relates to a method for producing uranium tetrafluoride.
It has been suggested that uranium tetrafluoride can be made from uranium hexafluoride by reacting the latter with an anhydrous organic fluoroacceptor such as carbon tetrachloride, ethylene dichloride, trichlorethylene and chloroform. The conditions under which these reactions are to be expected, as well as the nature of the products formed during the reaction (with the exception of uranium tetrafluoride itself), however, were not disclosed.
The inventors have investigated the possibility of producing uranium tetrafluoride from uranium hexafluoride and carbon tetrachloride by a vapor phase process, and have found that the conditions under which the reaction is carried out must be strictly monitored, especially when the process is carried out by mixing Flowing of the reactants is carried out in vapor form in order to prevent the formation of a uranium tetrafluoride that is mixed with solid uranium fluoride intermediates,
like UF., UZF9 and U4F17, is contaminated. It has been found that a uranium tetra fluoride of satisfactory purity can be obtained by using a temperature of 150 to 400 C and by using carbon tetrachloride and uranium hexafluoride in a ratio of 2 to 4.5 moles of carbon tetrachloride to 1 mole of uranium hexafluoride. (Since the molecular weights of these compounds are 154 resp.
352, the weight ratios used are 308 to 693 parts by weight of CC14 to 352 parts by weight of UF ..) It has also been found that the reaction by using a temperature of 270 to 350 C and molar ratios of 2.5 to 3.7 carbon tetrachloride to 1 mole of uranium hexafluoride, with the formation of a large proportion of the valuable chlorofluorocarbons CC13F and CC12F2.
If the process is carried out by mixing carbon tetrachloride and uranium hexafluoride vapors, these streams are preferably preheated to a temperature of at least 150 ° C. before the mixing in order to accelerate the reaction.
The reaction is catalyzed by the uranium tetrafluoride formed.
<I> Example </I> The apparatus used to carry out this example was of a known type and comprised an inclined, nickel-lined stainless steel rotary furnace with a capacity of 14 liters and a size ratio of length to inner diameter of 14: 1, the its ends was mounted in roller bearings, which were connected to a frame provided with adjustable feet so that the inclination of the furnace could be changed. The furnace could be rotated by means of a chain drive and heated by a furnace that encompassed almost the entire furnace within the roller bearing.
Two concentric stainless steel tubes passed through a polytetrafluoroethylene gasket into the top of the furnace; the outer tube was used to introduce carbon tetrachloride vapor and the inner tube to introduce uranium hexafluoride vapor. The inner tube had a narrowed opening to prevent back diffusion of the carbon tetrachloride vapor.
A baffle plate was attached to these inlet tubes, by means of which the vapors of the reactants emerging from the tubes deflected downwards and were thereby rapidly mixed. The lower end of the oven passed through a polytetrafluoroethylene seal into a settling chamber. This chamber comprised an outlet for solids, which could be closed by a valve, on its lower part and a line for escaping vapors on its upper part.
The furnace was equipped with a scraper to prevent the build-up of solid uranium tetrafluoride on the furnace wall and a pocket to hold a nickel thermocouple which extended along the central axis of the furnace and which recorded the temperature at the inlet, center and at Outlet of the oven allowed.
With the furnace at an angle of 71/2 to the horizontal and a rotation speed of 10 revolutions per minute, uranium hexafluoride vapors and dry carbon tetrachloride vapors, both preheated to 200 C, were injected into the inner or outer walls at an overpressure of about 15 mm Hg.
The outer coaxial tubes were allowed to flow in, the flow rate being regulated such that 3.1 mol of carbon tetrachloride accounted for 1 mol of uranium hexafluoride and the absolute flow rate of uranium hexafluoride was equivalent to 1 kg of uranium per hour. The furnace was heated in such a way that the greater part of its length could be kept at a temperature between 285 and 310 ° C., the part immediately adjacent to the outlet having a temperature of 170 ° C.
The solid product formed by the reaction gradually migrated towards the lower end of the rotary kiln (the product remained in the oven for essentially 15 minutes) and entered the settling chamber, from which it was periodically removed through the outlet at the lower end of the chamber.
The product obtained in this way was a uranium tetrafluoride almost free of fluoride intermediates and containing 0.4% by weight of U02F2, the latter material being formed by the reaction of UF with moisture. The product was then treated with dry air at 300 ° C to remove absorbed vapors.
The escaping vapors left the settling chamber through the line at the top of the chamber and entered a dust separator in which fine particles of uranium tetrafluoride were obtained.
These vapors, freed from solids in this way, were then cooled to 20 ° C., most of the excess carbon tetrachloride being condensed, and passed through a gas scrubbing device charged with caustic soda, in which the chlorine was adsorbed and further carbon tetrachloride was condensed.
The vapors emerging from the washing device, which mainly consisted of CC13F and CC12F2 with very small amounts of CCIF 3 and previously uncondensed carbon tetrachloride, were then fractionated to obtain these compounds partly by adsorption on activated carbon and partly by condensation at -20 C and then fractionated Treated by distillation.
The carbon tetrachloride obtained from the escaping vapors was cleaned using the usual methods and switched back into the process.
The present invention finds particular use for converting UF, to UF4, taking U235 into account.