CN1007344B - 六氟化铀转换成二氟化铀的方法 - Google Patents

六氟化铀转换成二氟化铀的方法

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Abstract

一种将气态UF6转换成UO2粉末的方法由以下工序组成：在流化床内，用水蒸汽高温水解气态UF6，得到UO2F2粒子；使该UO2F2粒子同含氨溶液反应，将其转换成重铀酸铵(ADU)粒子：使该ADU粒子干燥和脱水、如果必要，加水蒸汽焙烧、以及还原成UO2粉末。由于所得UO2粉具有良好的陶瓷性能、低氟含量和自由流动性，所以它适合于生产核电站的核燃料。

Description

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。如JP Shao 59-50030所述，湿法是将UF6水解经气液反应获得含液体双氧铀离子的方法，其后向含液体双氧铀离子中加氨水得到ADU沉淀物，再经过滤、干燥、烘烤及ADU还原等步骤得到UO2粉末。湿法的优点在于制成的UO2粉末活性高氟留量低，但它还有步骤多而复杂和后期的ADU沉淀物及UO2粉末产品不易得以及废液量大等缺点。
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溶液中。
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。如USP4053559所述，该法使用上述流化 床反应设备，经使用流化床干态汽蒸水解UF6获得UO2F2颗粒并再以水蒸汽与氢气的混合气体还原UO2F2颗粒得到UO2粉末。以此获得一种流动性极好的UO2粉末产品。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。
本发明的目的是使上述常规湿法和干法的优点加强，改善不足，其方法是在干燥状态下使用流化床反应设备经汽蒸使水解UF6得到的UF2O2颗粒进一步反应得到ADU颗粒并进而干燥、脱水和还原此ADU颗粒制成UO2粉末，以此提供一种将气态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。因此，本发明提供了一种以UF6制备UO2粉末的干制方法，此UO2粉末适合作反应剂燃料，活性高，氟留量低而且在后期使用中有极好的流动性和易于使用。
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    280
UF6速率（g/min） 90 90 90
雾化器水蒸汽速率（g/min）    14    14    0
流化气体速度（cm/min）    25    25    25
UO2F2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 79
ADU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
流化气体速度（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）    20
UO3/U3O8生产率（g/min） 73
第五级流化床
床温（℃）    600    600    660
＊1    ＊2    ＊3    ＊2    ＊3    ＊1
UO2F2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    1/1
UO2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    145
U含量（%U）    87.6    88.0    87.8
残余氟含量（ppm）    43    38    276

Claims (5)

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。
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