CN101955229B - 在步骤之间利用可靠密封阀设备的两步骤干式二氧化铀生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于产生核等级的活性二氧化铀(UO₂)粉末的两步骤方法，其中第一步骤包括使六氟化铀(UF₆)与水蒸气在火焰反应器中反应生成氟化铀酰(UO₂F₂)；第二步骤包括在窑炉中在水蒸气/氢气气氛下除去氟化物并将UO₂F₂还原成二氧化铀(UO₂)。该两步骤方法的每一步骤都以可靠密封阀设备隔离以防止气体特别是H₂回流，该方法严格控制反应的放热，这允许非常严格的温度控制，从而控制颗粒生长并产生有活性的且具有一致形貌的UO₂粉末。

Description

在步骤之间利用可靠密封阀设备的两步骤干式二氧化铀生产方法

本申请是部分连续申请，要求2007年4月27日提交的美国正式申请系列号11/741,158的优先权，还要求2006年7月25日提交的美国临时申请系列号60/833,232的优先权，这里通过引用将它们全部并入本文。 

发明背景 

发明领域

本发明涉及用作核燃料的铀氧化物粉末的制造方法，更具体地，涉及用于生产铀氧化物粉末的、不需湿法加工并且产生易于处理的UO₂粉末和稳定的芯块(pellet)的两步骤干式方法。 

现有技术的说明 

商用核燃料的准备主要是通过使用以UF₆形式加入的浓缩铀和贫化铀(即与天然铀矿的铀235含量相比铀235同位素被浓缩或贫化)的方法。通过利用选定的方法将浓缩的UF₆转变为UO₂，以提供制备核燃料芯块所需的陶瓷可烧结性。 

虽然将UF₆转变为铀氧化物的程序是已知的，但目前可用的方法对于将UF₆转变为UO₂不是特别经济或有效。更具体地，已开发用于核燃料的UF₆转变以制备具有良好受控的陶瓷性能的UO₂。此外，由于需要控制其陶瓷性能并且由于热力学限制，已知的商用转变方法或为具有多个处理阶段的复杂的水基方法，或为单一阶段的干式方法。虽然湿式方法更易于控制，但它们产生大量的液体废料。单步干式方法产生极少的废物物流，但难以操作。 

早期于1961年提交的、授予Reese等人的美国专利No.3,168,369和于1962年提交的、授予Blundell等人的美国专利No.3,235,327等专利描述了在干式方法中在1000°F-1800°F或537℃-982℃下从六氟化铀为核反应器制造二氧化铀核燃料所需的全部基本反应及通用技术： 

UF₆+2H₂O-----→UO₂F₂+4HF 

(气体) (过量水蒸气)   (固体)  (气体) 

UO₂F₂+H₂-----→UO₂+2HF 

(固体)  (粉末) ( 气体) 

这里可以使用惰性气体来促使UF₆和作为水蒸气的H₂O之间的气相反应，以提供了非常大的表面积的氟化铀酰(UO₂F₂)粉末，它具有0.5至1.5克/毫升的振实密度和2至4平方米/克的表面积。(通过将UO₂粉末放到量筒中并振动给定时间来得到振实密度。这设定了体积，对量筒称重，得到了粉末重量。) 

随后，许多美国专利已经授予了将UF₆转化为铀氧化物的方法。例如，参见美国专利No.4,830,841及其中所列美国专利，这些专利描述了在炉、回转窑、流化床等中将UF₆转化为二氧化铀的程序。例如，美国专利No.4,830,841涉及由UF₆制备UO₂的方法：使UF₆与水蒸气反应产生亚微米级氟化铀酰粉末，在约580℃至约700℃下使用水蒸气、氢气和惰性气体的混合物使铀氧化物材料的床层流化，并将亚微米氟化铀酰粉末引入到铀氧化物材料的流化床中，使得氟化铀酰粉末团聚、致密化、流化、脱氟并还原成含氟化物的铀氧化物材料，将该材料从流化床中移出，然后在升高的温度下与氢气和水蒸气接触以获得基本上不含氟化物的UO₂。由该方法生产的UO₂产品往往活性非常低，并且需要强烈的研磨步骤以产生适度活性的粉末。此外，UO₂F₂向UO₃/U₃O₈的转化经常是不完全的，这导致最终UO₂粉末中的不可接受的污染。这可能是由于不充分的停留时间和初始相中大颗粒的增长，这不能使氟化物去除反应进行完全。如下文所讨论的，多个流化床反应器与在本发明中使用的利用火焰火舌 卷流(plumes)的火焰反应器之间的差异是显著的，是有根本区别的和不等同的。 

其它的美国专利公开了生产核反应器燃料的单步骤方法，例如美国专利No.4,397,824和美国专利No.5,875,385。在美国专利No.5,752,158中公开了生产固态铀氧化物粉末的典型的单步骤方法，该专利描述了用于从UF₆产生固态铀氧化物粉末和气态HF的单步骤MDR(改进的直接路线-这实为商标名而非说明性名称)方法：汇集2种气态反应物物流，反应物物流中的一种包含可选地与作为O₂的氧混合的UF₆，第二反应物物流包含以H₂或含氢化合物形式的氢与作为含氧化合物的氧的混合物。在一定温度和组成下将气态反应物物流汇集在一起，以通过火焰反应将UF₆快速转化为易于分离的固态铀氧化物和气态HF产物。在美国专利No.4,112,005中公开另一单步骤方法，该方法描述了在容器的第一区域中使UF₆与水蒸气反应，在其中得到UO₂F₂，然后将UO₂F₂在容器的第二区域中还原以获得UO₂。所得到的UO₂F₂在容器的第二区域的第一区与氢气和水蒸气的混合物接触，在其中在所述容器的第二区域的第二区中使具有U₃O₈和UO₂之间的中间组成的氧化物与氢气和水蒸气接触。这些方法的问题是因为需要生产能制成致密UO₂芯块的可接受的陶瓷等级UO₂粉末而进料速度低下。 

用于获得二氧化铀粉末的其它单步骤干式方法(即通过UF₆直接还原为UO₂)-其中包括IDR(中间干式路线-另一商标名而非说明性名称)方法-已被广泛使用并在例如美国专利No.4,889,663、美国专利No.4,397,824和法国No.2,060,242中进行了描述。通过这种干式转化方法获得的粉末具有容易烧结的的优点，该干式转化方法包括水蒸气水解，随后对获得的氟化铀酰UO₂F₂进行高温水解。产生的粉末很有活性但很难处理，并产生非常脆弱的未成型的芯块。因此操纵棘手，如果不特别仔细，不合格品将很多。IDR方法以一个步骤的蒸气/固相反应将UF₆转化为UO₂，但该反应难于控制并往往产生具有UO₂F₂污染物的产品。该方法的部 分问题在于，在混合喷嘴尖端的同一位置处发生两种非常放热的过程：(1)形成UO₂F₂；和(2)来自水蒸气和来自周围气氛的夹带氢气的反应的一些UO₃/U₃O₈。随着该方法的工艺流量增加，与水蒸气水解步骤混合的氢气量成为可变的，这导致了火焰温度的变动很大，造成了粉末性质变动很大。 

有几个所谓的双步骤方法来利用由用于第一反应产生的UO₂F₂粉末的螺旋/螺杆式旋转移动设备连接的火焰反应器和回转窑从UF₆生产UO₂。这些方法的共性问题是，第1步骤UO₂F₂的产生事实上并没有避开来自在回转窑中形成UO₂的第2步骤的H₂气的侵入，H₂侵入第1步骤导致了如上所述的粉末性质的变化。这些似乎不是真正的商业实现，因为通过未填满的螺杆或螺旋进料器的H₂渗流在未控的温度下导致了反应： 

UO₂F₂+N₂+H₂O+H₂-→UO₂+2HF+H₂O+N₂

该反应生成无反应性的或反应性过大的粉末。 

Carter等人的美国专利No.5,757,087利用了至少两个斜置火焰反应器火舌卷流以生产循环产物UO₂F₂的产物粉末，该粉末被“螺旋”到水平窑与逆流的水蒸气和/或H₂反应，以通过出口室提供UO₂。没有给出实施例。Feugier在美国专利No.6,136,285中也在步骤1和2之间采用了螺旋进料器，并教导向内同心引入UF₆并在UF₆与水蒸气之间的环形空间引入N₂，以在火焰反应器中的中央喷嘴尖端喷射器处提供反应来提供UO₂F₂和HF气体。N₂被注入到UF₆和水蒸气之间，以防止在喷嘴尖端上生成晶体UO₂F₂。所有的HF、多余的水蒸气和N₂气体都必须通过火焰反应器顶部的过滤器排出，因为它们是在专利中所示的仅有的HF尾气过滤器。虽然这个专利集中在火焰反应器中的同心喷嘴上，但看上去没怎么认识到在注入逆流H₂和水蒸气的第二级旋转式高温水解炉中对生成的HF、未反应的H₂和水蒸气都发生了什么。该旋转炉需要5个区，其图8示出在区1-4中的窑温超过了680℃，内部气体H₂、HF和H₂O的最高温度为730℃-800℃，该温度将很容易转变成向窑壳的稳态过程。仅有的HF过滤器也必须排出多余 的H₂和水蒸气，在压力下穿过/鼓泡通过处理UO₂F₂的螺杆，并与从火焰反应器排出的废气通过同一套过滤器离开。在该专利中考虑了仅仅一套过滤器。 

所有这些方法都提供了大量的HF气体和夹带的UO₂、UO₂F₂和U₃O₈微颗粒，它们必须被去除，以使HF的副产物不受任何铀化合物污染。一项专利具体地说是Feugier的美国专利No.7,422,626在这方面提供了大量细节。在那里，再一次，过滤器只示在第一级火焰反应器中，这似乎意味着，来自第二级回转窑的HF、未反应的H₂与水蒸气穿过螺旋输送器(transport)会从第一级火焰反应器离开。因此，该火焰反应器不是真正的无氢，当火焰在层流和湍流之间转换和从周围气氛将气体随机夹带入火焰中时，发生温度的随机波动，导致高度变动的UO₂F₂粉末性质，这将导致高度变动的UO₂粉末性质。 

在这里，如同在所有的过滤器系统中那样，过滤作为蓬松颗粒生成的放射性物质必须由诸如反吹N₂的气体来清洗。Feugier的美国专利No.7,422,626要求由速度超过300米/秒的反吹N₂进行粉末的极其湍急的声波逐出不到1秒钟。这是高于约700英里/小时(在20℃时的声波速度＝343.14米/秒＝707.58英里/小时)。这是他们的方法的根本。烧结金属过滤器很有名，几乎所有的这样的过滤器都有气体反吹阀设备，如在MottCorporation Brochure的“Fiber Metal Gas Filtration”Rev.210/08和1961年6月15日的T.Shapiro等人的Union Carbide论文“Porous Metal Filters，Application to Feed MaterialsProduction”(副本提供给英国图书馆)中所说明的，在那里，在流化床系统中允许了烧结多孔金属过滤器对固气系统的应用。在那里，已被灰尘堵塞的金属过滤器被在15psi下用约115立方英尺/分钟的反吹气体所清洗，这对应于一个低于音速的约为417英尺/秒或127米/秒的速度。计算如下： 

喷嘴开口＝3/16英寸 

喷嘴数＝24(第15页，图1)

每个喷嘴的流量＝115/24＝4.79立方英尺/分钟/喷嘴 

速度＝4.79立方英尺/(3/16*3/16*3.14/4平方英寸)*(144平方英寸/平方英尺)/(60秒/分)(其中*等于“乘以”或×＝乘以) 

速度＝417英尺/秒或127米/秒。 

喷射器也图示于T.Shapiro等人的图1、4、6和8中(在这些图中是在每一过滤器的开口上方的小块)，并在第12页第4段有说明。 

用于生产UO₂燃料芯块的另一方法公开于美国专利No.5,091,120，该专利描述了从金属铀生产烧结UO₂核燃料芯块的方法。这种方法是使用高价值金属，因此在经济上不可行。 

美国专利No.6,656,391公开了使用湿的重铀酸铵(ADU)的方法从六水合硝酸铀酰(UNH)和UF₆生产UO₃/U₃O₈二者。特别是，然后在煅烧炉中对由这一方法产生的UO₃/U₃O₈进行处理以生产UO₂。ADU方法产生稳定但只有适度活性(即，在一致的基础上只获得了约97.5％的最终芯块密度)的UO₂粉末。此外，这一方法产生大量的液体废物，必须对所述液体废物进行处理以去除氟化物。常见的处理方法是加氢氧化钙(Ca(OH)₂)泥浆，然后它通过与氟化物最终中和形成大量作为CaF₂的固体。由于它们起源于核设施，这些固体难以处置。所排放的液体废物尽管具有非常低的残余氟化物，但依然受到管制，必须加以监测以符合任何获得的排放许可证。此外，基于硝酸盐的再循环(UNH)必须抑制HF，以便使其在离心和干燥步骤期间具有合理操纵性能；还产生大量的硝酸盐，必须在排放物以及氟化物中对硝酸盐进行处理。因为需要添加氢氧化钠以使氨从硝酸盐中释放出来，故硝酸盐干扰氨的回收过程。另一个问题是，干燥的UO₃/U₃O₈产品中的NH₄F被携带到最终的煅烧炉。这种氟化物趋于使UO₂细粉团聚，这减小了总的粉末活性并产生半挥发性的NH₄F物质，该NH₄F物质会析出(plate out)并堵塞煅烧炉的废气出口。 

生产核反应器燃料的进一步扩展型流化床方法公开于美国专利No. 4,053,559(Hart等人)，该专利描述了一种三步骤方法，该方法使用串连互连的连续四级流化床以将UF₆基本上完全转变成UO₂。但是，这种方法非常复杂，难以操作，并产生带有很多残留氟化物的UO₂产物。 

尽管以上提及了先前的广泛的努力，但依然非常需要用于将UF₆转化为固体UO₂的改良方法，该方法要以高的生产率产生高活性的陶瓷等级的UO₂粉末并且易于控制，非常重要的是，该方法完全隔离了各步骤，H₂反应物完全被最初的第一级反应拒之于外，在那里H₂将造成严重的UO₂产物变动性问题。由于形成非反性的大固体以及残留氟化物去除的问题，流化床方法的使用并不是答案。 

因此，本发明的主要目的在于提供对H₂回流到第一反应级的阻挡，提供能生产出具有低的氟化物残余程度的UO₂的煅烧方法，以及提供具有受控的粒径的产物和具有良好反应性的粉末。 

本发明的目的在于提供两步骤干式方法来制造核等级活性UO₂粉末，该方法严格控制工艺步骤的放热，从而允许对每一工艺步骤非常严格的温度控制，并允许双HF气体过滤和允许夹带的颗粒在废气中的微粒再循环。 

本发明的另一目的在于提供两级方法，其中使用水蒸气首先将UF₆转变成UO₂F₂，然后使用水蒸气和氢气的混合物将UO₂F₂转变为UO₂，该UO₂只含有极少量的未转化的UO₂F₂(小于约50ppm)。 

本发明的另一目的在于提供两级方法来制造核等级的、稳定的活性UO₂粉末，其中该两级方法在两个窑、煅烧炉或火焰反应器中进行，其中大量的固体被保留在窑或煅烧炉中或被夹带在火焰反应器火焰中。 

发明概述 

通过提供用于生产核等级的活性二氧化铀(UO₂)粉末的多步骤方法，本发明满足了这一需要并解决了上述问题，所述多步骤方法包括： 

(1)通过使1摩尔的六氟化铀气体(UF₆)水蒸气与与UF₆摩尔比为2至10摩尔的水蒸气加上水蒸气(H₂O)的N₂加上N₂或其它一种或多种惰性 气体在具有至少一个火焰火舌卷流的第一级火焰反应器中反应，在火焰火舌卷流中的从300℃到800℃的温度下产生最初产品氟化铀酰(UO₂F₂)颗粒加上小于0.1摩尔的氧化物颗粒UO₃和U₃O₈中的至少一种、HF气体和未反应的水蒸气和N₂或其它一种或多种惰性气体； 

(2)将HF气体、未反应的水蒸气和N₂或其它一种或多种惰性气体以及细微的被气体夹带的最初产品颗粒送至过滤器，在那里，所有的HF、未反应的水蒸气和N₂或其它一种或多种惰性气体通过了该过滤器而夹带的颗粒通不过； 

(3)通过以水蒸气或氮气作为动力的气体喷射器将过滤的夹带的固体再循环回到所述火焰反应器的水蒸气或氮气流中； 

(4)使未被夹带的最初产品氟化铀酰颗粒和任何UO₃和U₃O₈颗粒通过可靠密封阀设备(positive，sealed valve means)，所述可靠密封阀设备通过粉末，但阻止来自第二级中的随后反应的大量气体回料进入步骤(1)； 

(5)使通过所述可靠密封阀设备的所述最初产品颗粒进入第二级回转窑反应器中，所述第二级回转窑反应器具有窑壳且在其窑壳处的温度上升和下降范围从最初的400℃至700℃到最终温度100℃至300℃，其中将氟化铀酰颗粒以及任何UO₃和U₃O₈颗粒(都来自步骤(1))沿所述回转窑逆流通向5摩尔至30摩尔的水蒸气(H₂O)、5至50摩尔的H₂和一种或多种惰性气体，以还原氟化铀酰颗粒并去除作为HF气体的氟化物以及还原氟化铀酰颗粒和任何UO₃和U₃O₈颗粒，以形成可烧结的出口UO₂粉末，所述UO₂粉末具有从0.1微米到100微米的粒径，具有从2平方米/克至8平方米/克、优选4.5平方米/克至6平方米/克的表面积； 

(6)使来自步骤(5)的第二级反应器的HF气体、一种或多种惰性气体以及未反应的H₂或水蒸气通过过滤器以去除任何夹带的固体； 

(7)将通不过步骤(2)和(6)的过滤器的颗粒送回到步骤(1)的火焰反应器或步骤(5)的窑中； 

(8)从过滤的废气中将HF和水蒸气气体冷凝为液体HF； 

(9)从步骤(5)的出口收集UO₂粉末；和 

(10)将收集的UO₂粉末压至大于98.5wt％的密度。 

诸如可选的螺旋进料机或类似物的单独的粉末输送器可用于步骤(4)中使用的可靠密封阀和步骤(5)的回转窑之间。这些密封都不是完全不透气的，但是，它们允许比诸如螺旋进料器中的颗粒松散层显著更少的气体回流(约少94％至95％的回流)。一个可选的第二可靠密封阀也能用于在步骤(5)中用于通过最初产品的可选的螺旋进料器和步骤(5)的实际的回转窑之间。在步骤(9)的最终UO₂中，作为UO₂F₂的残余氟化物小于50ppm，且UO₃和U₃O₈的总残余小于总计100ppm。用于清洗HF过滤器的反吹是标准的做法，且是由低于音速即小于250米/秒(m/s)的速度下的N₂短脉冲构成的。步骤(9)的“活性”粉末能压至大于98.5wt％的密度。本文所用的术语“活性”是指能够容易被压成预烧结(“未成型”)芯块的UO₂粉末，所述预烧结(“未成型”)芯块可经受常规的处理而无碎裂且无纹缝或无端部脱落(end-capping)、并且在烧结时产生高密度(＞98％理论密度)芯块而没有过多的碎裂或纹缝或其它缺陷。 

在所述方法的第一步骤中，水蒸气与UF₆的摩尔比的范围可以在约2至10摩尔水蒸气每摩尔UF₆之间，优选是在4至8摩尔水蒸气每摩尔UF₆之间。改变水蒸气/UF₆比控制反应的温度，反应温度改变生产的UO₂F₂粉末以及最终的UO₂粉末的性质。 

在第二步骤(在隔离的窑中进行)，水蒸气与氢气的摩尔比的范围可以是在约1到10[？]之间，即从1摩尔水蒸气比1摩尔H₂到1摩尔水蒸气比10摩尔H₂。在第二个窑中的停留时间可以是在约0.25小时到4.0小时之间。 

在本方法的两个步骤中，优选的温度范围可以是在约400℃至700℃之间。 

附图简述 

为了更好地理解本发明，现在将参照如下附图仅仅以示例性的方式来说明本发明的实施方案，其中： 

图1是本发明的方法的详细的示意图，它示出了在火焰反应器和回转窑之间的密封的阻挡气体的阀设备、双HF和水蒸气气体过滤器以及夹带的颗粒回到火焰反应器的再循环； 

图2是火焰反应器喷嘴和火舌卷流的示意性的部分剖面图； 

图3是星形阀形式的密封的阻挡气体的阀设备的示意图，显示了到螺旋进料输送器设备的进料；及 

图4是具有颗粒回料和常规脉冲阀惰性气体反吹清洗机构的一种气体过滤器的一个实施方案的部分截面的示意图。 

优选实施例的说明 

本发明提供用于生产核等级的活性二氧化铀(UO₂)粉末的两步骤方法。该方法的第一步骤包括使六氟化铀(UF₆)与水蒸气在火焰反应器中反应以生成氟化铀酰(UO₂F₂)和少量三氧化铀/八氧化三铀(UO₃/U₃O₈)。该方法的第二个步骤包括在回转窑(例如在水蒸气/氢气气氛下的煅烧炉)中去除氟化物并将UO₃/U₃O₈和/或UO₂F₂还原为二氧化铀(UO₂)。 

术语“火焰反应器”是指被操作为通过以下方式形成火焰火舌卷流的反应器：使气体例如六氟化铀以水解反应的方式在高于约300℃下与诸如水蒸气的、气态H₂O的氧化剂反应以形成粉末产品和诸如HF和过量水蒸气的废气。氮气可以被用作同轴管喷口或喷嘴的缓冲物，在那里一般水蒸气是外围反应物而六氟化铀是中心反应物，N₂被用作缓冲气体，因此发生反应并在离开喷口或喷嘴尖端的一定距离处形成固体颗粒，这在美国专利No.5,757,087(Carter等)和美国专利No.6,136,285(Feugier)中也有说明。术语“回转窑”是指提供有加热设备的旋转管状高温水解炉，其在入口端提供有粉末进料设备，在接近反应产物出口 处有注射设备来注入至少是水蒸气、气态H₂O和H₂的逆流流体，如在美国专利No.6,136,285(Feugier)中一般性描述的。 

无论是“火焰反应器”还是“回转窑”都不以任何方式与“流化床反应器”有关或等价，该“流化床反应器”说明在例如美国专利No.4,053,559(Hart等)中。本发明的方法意在明确排除流化床，而使用火焰反应器和回转窑的组合。流化床是在粉末下方的底部处注入工艺气体的槽。在足够高的气体流量和在底部有适当的气体分布器时，粉末就类似于液体，因为它遵从容器的形状，置于流化床的顶面的固体物体如果足够质密就会下沉。流化床的优点是在整个床内传热很好，因此床基本上是一个单一的温度。缺点是，对给定的气体流量，流化只发生在一个非常窄的粒径范围内。如果颗粒太小，它们就随废气被吹出反应器(称为洗脱)。如果它们太大，它们就沉底。在这个反应中，其中粒径将有非常小的范围(少量UF₆与水蒸气发生反应使UO₂F₂颗粒形成得非常大，UF6与已生成的UO₂F₂颗粒附近的水蒸气发生反应使得该颗粒长得更大)。流化床将是非常难以控制的。大的颗粒必须被磨小以产生可烧结的粉末。 

所述火焰反应器的概念制造颗粒并在颗粒被夹带在喷射流中时生长颗粒。通过控制在喷射流中的停留时间，人们可以设置所产生的最大尺寸的颗粒。将更细微的颗粒继续夹带在气体中并重新引入到火焰反应器中以生长到较大的尺寸。 

现在参照附图的图1，它提供了一个多步骤方法10，其中来自存储筒或类似物20的1摩尔六氟化铀气体(UF₆)被加热器22加热到65℃至175℃，并且通过线路24，经过具有至少1个喷嘴16的“火焰反应器喷射器”14，到达火焰反应器12，以在至少一个火焰火舌卷流18内在从300℃至800℃的温度下与2至10摩尔水蒸气28反应，以提供最初产品氟化铀酰(UO₂F₂)，该氟化铀酰不团聚到大于约0.01至40微米，因此很少有被俘获的氟化物作为粉末颗粒31传入料斗21。夹带的细粒一般有从0.01微米到20微米的粒径。废气HF、N₂和H₂O与夹带的颗粒一起被送入第一气体出口 30并随后作为物流42被传到细粉过滤器46。此外，带有夹带的颗粒的HF、N₂和H₂O也作为循环流11从火焰反应器12的底部排出，该过程例如通过用喷射器13将循环物流11传给干水蒸气35拉真空来实现。然后将这一物流与干水蒸气一起循环回到火焰喷射器反应器喷嘴14。这一循环的目的是通过将它们放回到火焰反应器中来将夹带的非常细的颗粒生长成将会在漏斗21中沉下的较大的颗粒。惰性N₂气体26也能传到喷嘴16，该喷嘴优选是以同心进气配置通过并行气体物流，有一个中心UF₆物流和外围的水蒸气物流，在其间有N₂物流将UF₆和水蒸气在喷嘴处分隔开，这样颗粒就不直接形成在火焰反应器12的喷嘴入口处了。这更好地示于附图的图2，其中示出了火焰火舌卷流18。优选在本方法的第一步骤中，水蒸气∶UF₆摩尔比的范围可以为约4至8摩尔水蒸气∶1摩尔UF₆。 

非常重要的是，为提供没有气体回流(该气体回流可能含有来自后面步骤的氢气)的真正的多步骤方法，在料斗21和任何额外的步骤之间需要有可靠密封阀设备32，例如可选的螺旋进料器33。这优选是图1和图3所示的旋转叶片星形锁气阀的形式。该星形阀旋转，这控制粉末流过阀门并防止任何大量气体从较下的区转移到较上的区(反之亦然)。所谓“大量”是指小于在回转窑中使用的气体的0.1体积％。这种类型的阀优于螺旋进料器之处在于它总是提供了可靠的密封，而在螺旋进料器中，如果粉末料位太低，就有直接路径使气体从高压区流向低压区，或如果在第二反应器中的气体压力过高，气体就能将粉末吹回到低压区。如图3所示，来自漏斗21的粉末颗粒31起初填充叶片23之间的空间，该叶片转而将颗粒排空到诸如可选的螺旋进料器33的其后的设备中。该叶片利用叶片与阀壁的紧密接触和锁气空间15使对步骤1有害的气体例如H₂的潜在回流最小化。参考文献http://www.bushandwilton.com/usa/index.htm和http://www.bushandwilton.com/usa/BW_RotaryAirlocks_USA.pdf都提供了关于这种类型的优选的可靠密封星形阀的进一步信息。一些气体可以进入星形阀的叶片之间的空间，但这是微小的。另一种可靠密封方 法将是使用闭锁料斗。术语“可靠密封阀设备”是指使进入火焰反应器的气体回流最小化的任何设备。 

循环线34将颗粒从细粉过滤器46取回到火焰反应器。最初的工艺UO₂F₂粉末以及少量UO₃和U₃O₈粉末通过重力、降落、或被在图1和图3中所示的可选的螺旋进料器33、螺旋件或密封输送带或类似件传到回转窑/煅烧炉36，该回转窑/煅烧炉36具有容纳窑壳28′，而加热器39环绕该窑。窑是在在UO₂F进料端的400℃的外壳温度到700℃的最高中间温度和在UO₂产品排放端的100℃到300℃的温度下运行。由于UO₂F₂+H₂＝＞UO₂+2HF反应的放热性，床层温度可能会比外壳温度高。然而，在稳态下，床层温度将与壁温平衡。除非是对颗粒执行了极端的粒径减小操作，否则使用超过700℃的温度将预烧结粉末并降低最终产品的活性。如果需要，可以在进入回转窑前在螺旋进料器出口处使用第二个可选的可靠密封阀26。 

在回转窑的UO₂固体出口端，注入每1摩尔UO₂F₂粉末5摩尔至30摩尔的干水蒸气80、5摩尔至50摩尔的H₂81加上惰性气体N₂82载气的并行逆流流体，以去除作为HF气体的氟化物以将UO₂F₂、UO₃和U₃O₈还原至可压缩的UO₂粉末，该可压缩的UO₂粉末具有从0.1微米到100微米的粒径，具有从2平方米/克至7平方米/克的表面积，含有小于约50ppm的UO₂F₂残余物，且能够被压至大于98.5wt％的理论密度的最终烧结密度。 

生成的HF气体和未反应的H₂和水蒸气加上N₂气体优选通过第二废气出口38在最前端离开，供入第二废气流44中，并传给隔离的细粉过滤器70。在煅烧炉中的这第二HF、水蒸气、氮气和H₂废气出口38作为维持煅烧炉中的稳态压力的手段是该方法所必不可少的。还示出了进入细粉窑入口72的细粉循环线74，它回到回转窑/煅烧炉。还示出了冷凝器76，它有管线泵43来移除作为液体78的HF，并生产可以随后烧掉或再循环的不含氟化物的H₂。 

如图1所示，当来自物流42和45的废气和夹带的颗粒传至细粉过滤器46中时，HF、水蒸气和氮气通向物流50并进入冷凝器56中以提供清洁 的HF液体58用于储存或出售。氮气排放到大气中。此外，随着以本领域公知的标准方式通过从脉冲管线52吸入N₂气的标准亚音速脉冲阀54来清洁过滤器，被俘获的颗粒通过再循环管线48循环至回转窑。 

图4示出了在图1中作为46或70示出的标准型细粉过滤器，其具有：废气入口物流45；HF、水蒸气和N₂和其它废气出口物流50；细粉返回回收线路48和过滤器47主体中的孔51。气体通过顶部过滤器部分49，而颗粒一般是收集在过滤器主体上，过滤器主体利用了N₂亚声速反吹阀54来清洁过滤器。细粉过滤器70示出了N₂进料脉冲气管线52′和脉冲阀54′。 

返回参照图1，还示出了多个阀40以及到粉末容器62中的UO₂物流出口60，粉末容器62能通过线路61传至芯块按压机64以提供UO₂芯块66。 

实施例

下面的实施例是为了说明本发明，不应被视为以任何方式限制本发明。 

实施例

在第一个反应中，水蒸气/UF₆的重量比为0.2，在火焰反应器中的温度为400℃。 

在回转窑反应中，水蒸气/H₂的重量比为20，温度被置于最高600℃。水蒸气/UO₂的重量比约为0.8。 

UO₂粉末的表面积等于约4平方米/克。压制并烧结的芯块的最终密度约为98.5％。 

在第一反应和回转窑之间使用了可靠阀密封-星形阀。 

虽然已经详细地说明了具体的实施方案，但本领域技术人员会理解，鉴于本公开的总的教导，可对一些具体细节开发出各种修改和替代。因此，所公开的具体实施方案仅仅是意在说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有的等价物的最宽范围而给出。 

Claims (14)

1.一种用于生产核等级的活性二氧化铀（UO₂）粉末的多步骤方法，包括：

（1）使1摩尔的六氟化铀气体（UF₆）与2至10摩尔的水蒸气以及惰性气体在具有至少一个火焰的第一级火焰反应器中反应，以在300℃至800℃的温度下产生最初产品氟化铀酰颗粒（UO₂F₂）、HF气体和未反应的水蒸气和惰性气体、以及小于0.1摩尔的氧化物颗粒三氧化铀（UO₃）和八氧化铀（U₃O₈）中的至少一种;

（2）将HF气体、未反应的水蒸气和惰性气体以及气体夹带的最初产品颗粒送至过滤器，在那里所有的HF、未反应的水蒸气和惰性气体通过了所述过滤器而夹带的颗粒通不过;

（3）使未夹带的最初产品氟化铀酰颗粒通过可靠密封阀设备，所述可靠密封阀设备通过粉末，但阻止来自随后反应的大量气体回料进入步骤（1）;

（4）使通过所述可靠密封阀设备的所述最初产品颗粒进入第二级回转窑反应器中，所述第二级回转窑反应器具有窑壳且在其窑壳处的温度范围从最初的400℃至700℃到最终温度100℃至300℃，其中将氟化铀酰颗粒沿所述回转窑逆流通向水蒸气、氢气和惰性气体，以反应并去除作为HF气体的氟化物，并减少氟化铀酰颗粒，以形成可烧结的出口UO₂粉末;

（5）将HF气体、水蒸气、惰性气体以及未反应的H₂或水蒸气和任何夹带的颗粒送至过滤器，在那里，所有的HF、水蒸气、惰性气体和H₂气体通过了所述过滤器而夹带的颗粒通不过;

（6）将通不过步骤（2）和（5）的过滤器的颗粒送回到步骤（1）的火焰反应器或步骤（4）中的所述窑中;

（7）使过滤后的废气通过冷凝器，以移除作为液体的HF;和

（8）从步骤（4）的出口收集UO₂粉末。

2.权利要求1的方法,其中，所述惰性气体是N₂。

3.权利要求1的方法,其中，通过选自一种或多种惰性气体和水蒸气以及它们的混合物中的气体将在步骤（2）中过滤的滤下的夹带颗粒再循环回到在步骤（1）的火焰反应器中。

4.权利要求3的方法,其中所述气体选自N₂和水蒸气以及它们的混合物，且在再循环物流中使用喷射器。

5.权利要求1的方法,其中在步骤（4），所述惰性气体是N₂，所生成的可烧结的UO₂粉末具有从0.1微米到100微米的粒径。

6.权利要求1的方法,其中在步骤（2）和（5）中的夹带的颗粒具有从0.001微米到0.1微米的粒径，且在步骤（5）中使用的惰性气体是N₂。

7.权利要求1的方法,其中通过使用螺旋进料器将通过步骤（3）的可靠密封阀设备的所述最初产品传送到步骤（4）的回转窑中。

8.权利要求7的方法,其中，在螺旋进料器和回转窑之间使用可靠密封阀设备。

9.权利要求1的方法,其中所述可靠密封阀设备是旋转叶片锁气阀。

10.权利要求8的方法,其中所述可靠密封阀设备是旋转叶片锁气阀。

11.权利要求1的方法,其中，步骤（8）的UO₂粉末具有小于50ppm的残余UO₂F₂和小于100ppm的UO₃和U₃O₈的总残余。

12.权利要求1的方法,其中用具有低于250米/秒的穿越喷嘴速度的惰性气体反吹脉冲来清洗所述过滤器。

13.权利要求1的方法,其中将步骤（8）的所收集的UO₂粉末压至大于98.5wt％的密度。

14.权利要求1的方法,其中所述出口UO₂粉末具有从2平方米/克到8平方米/克的表面积。

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