DE1135669B - Einstufiges kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Uran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein einstufiges, kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Uran durch Reduktion von Uranhexafluorid mit Natrium als Reduktionsmittel.

Bei der Trennung von Uranisotopen durch Diffusion im gasförmigen Zustand wird das flüchtige Uranhexafluorid verwendet, und die Produkte haben die Form des Uranhexafluorides. Die Technik bedarf dementsprechend sehr wirksamer Methoden zur Reduktion von Uranhexafluorid zu Uran, und es ist ein einstufiges kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Uran erwünscht. Bei den meisten mit Erfolg durchführbaren Verfahren des Standes der Technik zur großtechnischen Erzeugung von Uran aus Uranhexafluorid wird zuerst das Hexafluorid durch Reduktion mit Wasserstoff zu dem Tetrafluorid reduziert und das entstehende Tetrafluorid durch Reduktion in einer Bombe unter Verwendung von Calcium oder Magnesium als Reduktionsmittel zum metallischen Uran reduziert. Die Reduktion des Hexafluorides zum Tetrafluorid ist zwar ein kontinuierlicher Vorgang, aber die Reduktion des Urantetrafluorides zu Uran stellt einen diskontinuierlichen Prozeß mit den diesen begleitenden Nachteilen dar.

Man hat Versuche unternommen, Natrium als Reduktionsmittel für Urantetrafluorid in einer Umsetzung in Art der Bombenreaktion zu verwenden, aber bei der Umsetzung zwischen dem Natrium und dem Tetrafluorid wurde zu wenig Wärme entwickelt, um das Reaktionsprodukt zu schmelzen; das dabei erhaltene Hauptprodukt ist pyrophores Uranpulver, das keinen großen Wert hat. Versuche, das Metall durch Flußmittelbehandlung bei einer höheren Temperatur zu agglomerieren, haben zu keinem Erfolg geführt; außerdem macht die außerordentlich schwierige Handhabung von Natrium im feinzerteilten Zustand in Luft seine Verwendung unerwünscht.

Die Erfindung stellt ein verbessertes, und zwar einstufiges kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Uran aus Uranhexafluorid zur Verfügung. Sie ermöglicht also eine einstufige kontinuierliche Reduktion von Uranhexafluorid zu Uran mit Natrium als Reduktionsmittel. Weitere Vorteile und Zweckangaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erfolgt die Herstellung von Uran dadurch, daß durch kontinuierliche Einführung von Uranhexafluoriddampf und von flüssigem oder dampfförmigem Natrium in eine Reaktionskammer, die auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Urans gehalten wird, das Uranhexafluorid mit Natrium umgesetzt und konti-Einstufiges kontinuierliches Verfahren
zur Herstellung von Uran

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Juni 1959 (Nr. 819 194)

Charles David Scott, Knoxville, Tenn. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

nuierlich und gesondert das entstehende flüssige Uran und flüssige Natriumfluorid von der Reaktionskammer abgezogen wird.
Dieses einstufige kontinuierliche Verfahren hat gegenüber einer mehrstufigen diskontinuierlichen Arbeitsweise noch den weiteren Vorteil, daß Natrium als Reduktionsmittel verhältnismäßig billig ist.

Die Reaktionskammer wird von zwei Zonen, einer oberen Reaktionszone und einer unteren Produktsammelzone, gebildet. Das Uranhexafluorid wird als Dampf in den oberen Teil der Reaktionskammer eingeführt. Die Einführung des UF₆-Gases in die Kammer erfolgt vorzugsweise bei 56 bis 200° C. Die Umsetzung des UF₆ mit Natrium stellt eine Hochtempe-

ratur-Flammenreaktion dar. Dementsprechend erfolgt eine extreme örtliche Erhitzung der Einführungsorgane, und es hat sich gezeigt, daß eine Kühlung der Einlaßorgane wichtig ist, um ihren raschen Abbrand zu verhindern. Die Geschwindigkeit der UF₆-Zufuhr ist nicht kritisch und ist im wesentlichen von der vorhandenen Apparatur abhängig. Wenn z. B. keine zusätzlichen Heizmittel verfügbar sind, um die Temperatur der Reaktionskammer oberhalb der Schmelztemperatur des Urans zu halten, muß das UF₆ mit

solcher Geschwindigkeit zugeführt werden, daß die von der Reaktion gelieferte Wärme zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur führt.

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Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Die Reaktionsvorrichtung 1 weist einen feuerfesten Innenbehälter 2 auf, der sich in einem Außenbehälter 3 befindet. Der feuerfeste Innenbehälter 2 ist mit einem feuerfesten Deckel 4 und der Außenbehälter mit einem Flanschverschluß 5 versehen, der mit einem Natriumeinlaßrohr 6, einer Einlaßdüse 7 für Uranhexafluorid und einem Abgasrohr 8 versehen ist. Das Natriumeinlaßrohr 6 wird von der Natriumquelle 9 durch das Dosiersystem 10 mit Natrium versorgt. Die Düse für die Uranhexafluorideinführung wird von der Quelle 11 über die Dosiervorrichtung 12 mit Uranhexafluorid gespeist und von

herab. Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Natrium kontinuierlich in einem schwach stöchiometrischen Überschuß eingeführt; eine Menge von 5 bis 5O'°/o·, bezogen auf die Menge, die nach der Gleichung

UF₆+6 Na-

zur Umwandlung des Uranhexafluorides in metalli-

Das Natrium kann als Dampf oder als eine Flüssigkeit eingeführt werden, die bei der Temperatur der Reaktionskammer in Dampf übergeht. Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Natrium als Flüssigkeit eingeführt. Die Einführung des Natriums im flüssigen Zustand und seine Wärmeabsorption beim Übergang in den Dampfzustand tragen dazu bei, den oberen TeE der Reaktionsvorrichtung auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zu halten.

Das Natrium muß in genügender Menge eingeführt werden, um einen angemessenen Natriumdampfvorrat zu haben; nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt man es im Überschuß zu, um in

der Reaktionszone eine kontinuierliche Natrium- 15 der Quelle 13 mit einem flüssigen Kühhnedium verdampfphase zu haben. Die kontinuierliche Natrium- sorgt. Die Reaktionsvorrichtung weist einen Auslaß phase hält nicht nur einen angemessenen Vorrat leicht 14 für metallisches Uran und einen Auslaß 15 für verfügbaren Natriums für die Reaktion aufrecht, son- Natriumfluoridschlacke auf. Das Abgasrohr steht mit dem ihre Gegenwart setzt die korrodierende Wirkung der Natriumvorlage 16 und der Chemikalienfalle 17 des Uranhexafluorides und der Reaktionsprodukte 20 in Verbindung.

Die Vorrichtung ist aus einem Werkstoff gebaut, der bei den Temperaturen und gegen die korrodierende Wirkung der auftretenden flüssigen Stoffe beständig ist. Zum Beispiel kann man die Einlaßorgane für Uranhexafluorid und Natrium aus einem hochtemperaturfesten Metall, wie rostfreiem Stahl oder

■ 6NaF+U einer Nickellegierung, fertigen. Vorzugsweise verwen

det man als Material für den Uranhexafluorideinlaß ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer.

sches Uran benötigt wird, wird besonders bevorzugt. 30 Der Körper der Reaktionsvorrichtung kann aus hoch-Nach einmal erfolgtem Aufbau der Natriumdampf- temperaturfesten Metallen, wie einer Nickellegierung, atmosphäre kann die Reduktion durchgeführt werden, gefertigt sein; vorzugsweise wird die Reaktionszone indem man stöchiometrische Mengen an Natrium und mit Graphit oder einem Keramikmaterial, wie MgO, Uranhexafluorid zuführt. Die kontinuierliche Zufuhr ausgekleidet oder mit Graphit überzogen oder mit von überschüssigem Natrium beseitigt jedoch die Not- 35 einem keramischen Oxyd oder Fluorid, beispielsweise wendigkeit, die Beschickung extrem genau zu dosie- MgO und CaF₂ imprägniert.

ren, was sonst zur Aufrechterhaltung eines Natrium- i_m Betrieb wird der feuerfeste Innenbehälter 2 zu

Überschusses bei Zufuhr genau stöchiometrischer Anfang mittels — nicht eingezeichneter — Hilfsheiz-Mengenanteile notwendig wäre. Mittels eines organe auf eine Temperatur oberhalb des Schmelz-Natriumdampf auslasses oder -ventils wird ein Druck- 40 punktes von Uran erhitzt. Man entfernt aus der Reakanstieg verhindert, der sich aus der kontinuierlichen tionsvorrichtung 1 die Luft und führt in den Behälter 2 durch den Einlaß 6 Natrium ein, wodurch eine natriumreiche Atmosphäre erhalten wird. Durch die Kanäle in der Uranhexafluorid-Einlaßdüse 7 wird 45 ein geeignetes Kühlmittel geleitet; als Kühlmittel kann man einen der Reaktionsteilnehmer oder ein anderes, nach Wunsch gewähltes flüssiges Mittel verwenden. Vorzugsweise arbeitet man mit einem inerten Gas als Kühlmittel, da die Verwendung eines außen zirku-5° lierenden Gases die Steuerung der Düsentemperatur unabhängig von der Natriumdampfsteuerung erlaubt. Durch das Einlaßorgan 7 wird Uranhexafluorid eingeführt. Bei der Einführung des Hexafluorides in den inneren Reaktionsbehälter tritt eine Reaktion 55 zwischen dem Natrium und dem Uranhexafluorid unter Bildung von Natriumfluorid und Uran ein. Man führt kontinuierlich Natrium im leichten stöchiometrischen Überschuß und Uranhexafluorid zu. Der Außenbehälter 3 wird wesentlich kühler als der feuer-⁶⁰ feste Innenbehälter 2 gehalten, indem man die Reaktion in dem geschlossenen, aber nicht abgedichteten Behälter 2 einschließt. Das Verfahren wird so betrieben, daß in dem unteren Teil der Reaktionskammer unter einer Schicht von flüssigem Natriumfluorid 65 eine Uran-Schmelze aufrechterhalten wird, wobei man beide Stoffe kontinuierlich so abzieht, daß die Flüssig-Flüssig-Grenzfläche zwischen dem Eingang zu

eines Natriumüberschusses ergeben

Einführung
würde.

Der in der Reaktionskammer aufrechterhaltene Druck ist nicht kritisch; das Verfahren kann bei Drucken oberhalb wie auch unterhalb Atmosphärendruck durchgeführt werden. Vorzugsweise arbeitet man ungefähr bei Atmosphärendruck.

Die Temperatur in der Reaktionskammer muß oberhalb der Schmelztemperatur von Uran liegen. Natrium und Uranhexafluorid reagieren zwar bei einer niedrigeren Temperatur, aber das Uranmetall konglomeriert nicht und scheidet sich nicht richtig ab, wenn die Temperatur nicht oberhalb des Schmelzpunktes des Urans liegt. Das flüssige Natriumfluorid wirkt als Flußmittel und reinigt das flüssige Uran; die obere Temperatur für die Reaktionskammer muß dementsprechend unterhalb der Verdampfungstemperatur von Natriumfluorid liegen. Vorzugsweise liegt die Temperatur in der Reaktionskammer im Bereich von 1130 bis 1200° C.

Das Natriumfluorid bildet eine flüssige Schicht über einer Schmelze flüssigen Urans in der Produktsammeizone der Reaktionskammer. Das flüssige Natriumfluorid und das flüssige Uranmetall werden kontinuierlich aus der Produktsammeizone mit Geschwindigkeiten abgezogen, die der Geschwindigkeit ihrer Bildung äquivalent sind.

dem Uranauslaßorgan 14 und dem Eingang zu dem

Natriumfluoridauslaßorgan 15 aufrechterhalten wird. Die Flüssigkeiten können unter Ausnutzung der hydraulischen Säulen des flüssigen Urans und Natriumfluorides abgezogen werden.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein zylindrisches, mit Graphit ausgekleidetes Reaktionsgefäß aus einer Nickellegierung von 15,2 cm Durchmesser und 35,6 cm Höhe (Höhe der Graphitauskleidung 25,4 cm), das im oberen Teil mit einer Einlaßdüse für Natrium und einer Einlaßdüse für Uranhexafluorid ausgestattet ist, wird auf eine Temperatur von 270° C erhitzt. In die erhitzte Reaktionsvorrichtung werden 11 Minuten lang Uranhexafluorid bei einer Temperatur von 230° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 47,5 g/Min, und Natrium bei einer Temperatur von 230° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 20 g/Min, eingeführt. Die Maximaltemperatur auf der Innenseite beträgt 800° C. Man läßt die Reaktionsvorrichtung abkühlen und öffnet. In keinem der Reaktionsprodukte sind Anzeichen für erstarrtes Uran festzustellen, wenngleich auch Anzeichen für feinzerteiltes Uran am Kopf der Reaktionsvorrichtung festzustellen sind (etwas am Kopf der Reaktionsvorrichtung befindliches Material flammt auf, wenn die Reaktionsvorrichtung geöffnet wird).

Beispiel 2

Die Reaktionsvorrichtung nach Beispiel 1 wird auf eine Temperatur von 750° C vorgeheizt. In die erhitzte Reaktionsvorrichtung werden 22 Minuten Uranhexafluorid bei einer Temperatur von 100° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 172 g/Min, und Natrium bei einer Temperatur von 400° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 70 g/Min, eingeleitet. Die Temperatur der Reaktionsvorrichtung steigt auf 995° C (d. h. eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Uran). Man läßt die Reaktionsvorrichtung abkühlen und öffnet. Auf der Innenseite der Reaktionsvorrichtung sind Reaktionsprodukte festzustellen, aber es zeigt sich kein erstarrtes Uran.

Beispiel 3

Die Reaktionsvorrichtung nach Beispiel 1 wird auf eine Temperatur von 910° C vorgeheizt. In die erhitzte Reaktionsvorrichtung werden 7 Minuten Uranhexafluorid bei einer Temperatur von 100° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 103 g/Min, und Natrium bei einer Temperatur von 400° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 56 g/Min, eingeleitet (40%iger Natriumüberschuß). Die Temperatur in der Reaktionsvorrichtung liegt über ungefähr 1135° C (d. h. oberhalb des Schmelzpunktes von Uran). Man läßt die Reaktionsvorrichtung abkühlen und öffnet. Uran hat sich in verschiedenen Massen verfestigt. Die metallischen Massen enthalten 429 g Uran mit einer Reinheit von 99,6% in einer Ausbeute von 88,3%, bezogen auf die Reaktorbeschickung.

Wie die vorstehenden Beispiele zeigen, erfordert ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Uranmetall aus Uranhexafluorid unter Verwendung von Natrium als Reduktionsmittel eine Reaktortemperatur ungefähr oberhalb des Schmelzpunktes von Uran.

Beispiel 4

Die Reaktionsvorrichtung nach der Zeichnung wird auf eine Temperatur von 835° C vorgeheizt. In die erhitzte Reaktionsvorrichtung werden Uranhexafluorid bei einer Temperatur von 100° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 g/Min, und Natrium bei einer Temperatur von 400° C und mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 45 g/Min, eingeführt. Die Temperatur in der Reaktionsvorrichtung erreicht ungefähr 1200° C (d. h. einen Wert oberhalb des Schmelzpunktes von Uran). Das Uran und das Natriumfluorid, die als Reaktionsprodukte anfallen, sammeln sich am Boden der Reaktionsvorrichtung. Wenn die Uran-Natriumfluorid-Flüssig-Flüssig-Grenzfläche über die Uranabzugsorgane steigt, werden Uran mit 70 g/Min, und flüssiges Natriumfluorid mit 75 g/Min, abgezogen. Das Uran hat eine Reinheit von über 99,6%; das Natriumfluorid enthält kleine Mengen niederer Uranfluoride.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einstufiges, kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Uran aus Uranhexafluorid, da durch gekennzeichnet, daß durch kontinuierliche Einführung von Uranhexafluoriddampf und flüssigem oder dampfförmigem Natrium in eine Reaktionskammer, die auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Uran gehalten wird, das Uranhexafluorid mit Natrium umgesetzt und kontinuierlich und gesondert das entstehende flüssige Uran und flüssige Natriumfluorid von der Reaktionskammer abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer auf einer Temperatur von 1130 bis 1200° C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Uranhexafluoriddampf bei einer Temperatur von 56 bis 200° C eingeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 638/320 8.