DE2049911B2

DE2049911B2 - Verfahren zur Herstellung von Uranoxid aus Uranhexafluorid

Info

Publication number: DE2049911B2
Application number: DE19702049911
Authority: DE
Inventors: George Marshall St. Annes Gillies; James Edgar Lytham St. Annes Littlechild
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-10-15
Filing date: 1970-10-10
Publication date: 1980-02-07
Also published as: FR2064351A1; BE757513A; DE2049911C3; JPS5116915B1; SE370382B; DE2049911A1; FR2064351B1; GB1320137A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Uranoxid aus Uranhexafluorid, bei dem zunächst Uranhexafluoriddampf mit Trockendampf bei Temperaturen von 200—500⁰C zu Uranylfluoridpulver umgesetzt und dieses dann mit Dampf oder Wasserstoff oder einem Dampf-Wasserstoff-Gemisch bei einer Temperatur von 500—800⁰C zu Uranoxid umgewandelt wird.

Es ist bekannt, Uranylfluorid durch Reaktion von gasförmigem Uranhexafluorid mit Trockendampf in einem einzigen Reaktionsbehälter zu zeugen, wobei dieses Uranylfluorid dann einem weiteren Reaktionsbehälter für eine nachfolgende Umwandlung in das geflanschte Uranoxid durch Behandlung mit Dampf und/oder Wasserstoff zugeführt wird.

Ein zweistufiges Verfahren ist aus der DE-AS 645 bekannt. Hierbei werden jedoch zwei Behälter benötigt, in denen die Reaktionen stattfinden.

Die Verwendung von zwei Wirbelbetten lehrt auch die DE-OS 19 13 882. Die Förderung des Uranylfluoridpulvers zwischen Wirbelbetten stellt aber ein Problem dar. Wenn das Uranoxid in Kernbrennstoffpellets zu fertigen ist, dann sollte es besser nicht in einer freifließenden Form vorliegen, was auch für das Uranylfluorid gilt. Da das Pulver so leicht zusammenklebt, können Blockierungen der Einrichtung während des Transportes des Uranylfluorids auftreten, die unweigerlich ein Versagen der Einrichtung, zusammen mit dem Freilassen von Uranylfluorid in den Arbeitsbereich, mit sich bringen.

Ein Einstufenverfahren beschreibt die DE-AS 12 07 929, wobei portions- oder Chargen weise gearbeitet wird. Es handelt sich also nicht um ein kontinuierliches Verfahren.

Auch die US-PS 31 60 471 beschreibt allenfalls ein halbkontinuierliches Verfahren. Wie bei allen Wirbelbettverfahren, liegt auch die Beschränkung dieses bekannten Verfahrens in der physikalischen Form des Produktes, das fließ- bzw. strömungsfähig sein muß.

ίο Andere Nachteile sind die Notwendigkeit, ein Wirbelbett aus Urandioxid-Keimteilchen aufrechtzuerhalten, und die Schwierigkeit, einen niedrigen Fluorgehalt im Produkt zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches trockenes Verfahren zur Erzeugung von Uranoxid aus Uranhexafluorid zu schaffr-r.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Uranhexafluoriddampf und der Trockendampf in einen ersten Bereich eines Reaktionsbehälters in der Weise injiziert werden, daß sich darin das Uranylfluoridpulver in Form eines federbüschelartigen Streifens bzw. Nebelstrahls bildet, welcher auf das obere Ende der Trommel eines den zweiten Bereich des Reaktionsbehälters darstellenden geneigten, rotierenden trommelartigen Schachtofens gerichtet ist, durch den hindurch die Umwandlung des Uranylfluorids mit Dampf oder

Wasserstoff oder Dampf/Wasserstoff-Gemisch zu Uranoxid im Gegenstrom erfolgt. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Verfahrens werden der Uranhexafluoriddampf und der Trockendampf in den ersten Bereich über eine Düse mit einem Innenrohr für den Uranhexafluoriddampf und einem dieses koaxial umgebenden Außenrohr für den Trockendampf injiziert

Die Überführe ig von im eisten Bereich des Reaktionsbehälters niedergeschlagenem Uranylfluorid-

pulver in das obere Ende der Trommel des Schachtofens erfolgt zweckmäßig durch einen Schneckenförderer.

Durch die Verwendung des Einzelbehälters werden

die eingangs geschilderten Transportprobleme vermieden. Die beiden Stufen sind leichter zu kontrollieren als Einzelstufenvf-fahren, da unterschiedliche Temperaturen für die beiden Stufen verwendet werden können, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.

Außerdem kann bei zwei Stufen in einem Behälter eine Gasphasenreaktion in der ersten Stufe verwendet werden, um Uranylfluorid in der bestgeeigneten Form zu erzeugen,und ein Drehofen kann fi';die zweite Stufe verwendet werden.

so Pei Verwendung eines Drehofens ist eine Einlaßkammer vorgesehen, welche mit dem oberen Ende der Schachtofentrommel in Verbindung steht. Uranhexafluoriddampf und trockener Dampf werden zusammen in die Einlaßkammer über die Düse injiziert. Am Auslaß der Düse reagieren das Uranhexafluorid und der Trockendampf miteinander, um den federbüschelförmigen Streifen bzw. Nebelstrahl aus Uranylfluoridpulver zu bilden, und die Düse ist so angeordnet, daß dieser Nebelstrahl aus Uranylfluoridpulver auf das obere Ende der Schachtofentrommel gerichtet wird.

Der größere Teil des in dem Nobelstrahl gebildeten Uranylfluorids wird in das obere Ende der Schachtofentrommel durch die Ejektionsgeschwindigkeit au3 der Düse heraus gefördert Das im oberen Ende der

6$ Schachtofentrommel deponierte Uranylfluoridpulver wird langsam und stetig in Abwärtsrichtung der sich drehenden Trommel des Schachtofens aufgrund der Neigung desselben bewegt. Das Uranoxid wird in eine

Auslaßkammer entleert Das Uranylfluoridpulver wird bei seiner Abwärtsbewegung in der Trommel des Schachtofens mit einem Gegenstrom aus Dampf, Wasserstoff oder einem Dampf-Wasserstoff-Gemisch in Berührung gebracht, wobei diese Gase in das untere Ende der Schachtofentrommel über die Uranoxid-Auslaßkammer eingespeist werden. Die Temperatur in der Schachtofentrommel wird auf einem Pegel gehalten, der erforderlich ist, um das Uranylfluoridpulver in das gewünschte Uranoxid umzuwandeln, und zwar durch Reihen von Heizelementen, welche die Schachtofentrommel umgeben. Die Heizelemente werden unabhängig und separat so gesteuert, daß ein vorbestimmtes Temperaturprofil entlang der Trommel des Schachtofens aufgebaut wird.

Hubplatten können in der Trommel des Schachtofens vorgesehen werden, welche das Uranylfluoridpulver umwälzen und dieses veranlassen, sich auf einem nach unten gerichtetem spiraligen Weg im Uegenstrom zu den Reaktionsgasen zu bewegen, mit einer Hub- und Umwälz- bzw. Taumelbewegung des Pulvers, welche einen wirkungsvollen Gas-Feststoff-Kontakt und eine schnelle und wirksame Umwandlung des Uranylfluoridpulvers in Uranoxidpulver sicherstellt. Durch das Umwälzen des Uranylfluoridpulvers beim Abwärtsfördem durch die Trommel des Schachtofens wird die notwendige Agglomeration und Verdichtung des Pulvers erzielt, so daß das erzeugte fluoridfreie Uranoxidpulver frei fließt und daduich in herkömmlichen Pulver-Handhabungseinrichtungen leicht zu handhaben ist.

Wenn auch der größte Teil des an der Reaktionsdüse erzeugten Uranylfluorids direkt in das ""ülver-Einlaßende des Schachtofens ausgestoßen wird, fällt doch ein Teil des Uranylfluoridpulvers auf den Boden der Einlaßkammer. Außerdem werden die Abfallgase, die aus dem Pulver-Einlaßende des Schachtofens austreten, einen gewissen Teil des Uranylfluoridpulvers zurückfördern. Das Uranylfluoridpulver wird aus den Abfallgasen durch Filter in der Einlaßkammer entfernt. Die Filter weisen Rückblase-Einrichtungen zum Entfernen von angesammeltem Uranylfluoridpulver auf, welches, wenn es von den Filtern verdrängt wird, auf den Boden der Einlaßkammer fällt. Ein rotierender Schneckenförderer kann in der Einlaßkammer vorgesehen werden, um das Uranylfluoridpulver zu sammeln, welches sich auf dem Boden der Einlaßkammer absetzt, und dieses Pulver in das Einlaßende des Schachtofens vorzutreiben.

Bei einem Alternativverfahren wird Uranhexafluorid alleine in das Ende des Schachtofens injiziert, um in der Form eines Nebelstrahls mit Überschußdampf zu reagieren, welcher das Ende des Schachtofens aus der zweiten Reaktion her verläßt, bei welcher das Uranylfluorid in Uranoxid im Schachtofen umgewandelt wird.

Die Reaktion zwischen dem Uranhexafluorid und dem Trockendampf in der Einlaßkammer wird in üblicher Weise bei einer Ncbclslrahllcmperiiiiir im Ik'rcich von 2QO-500'T ausgeführt. Die KenklHtiiMeni ncralur ist bestimmt durch das Ausmaß der Vorwill ,.,> mung des Uranhexafluorids, durch die Temperatur, mit welcher der Trockendampf injiziert wird, ferner durch den Umstand, daß die Reaktion zwischen Uranhexafluorid und Trockendampf exothermisch ist, sowie durch Wärme, welche von den Abfallgasen zugeführt wird, die vom oberen Ende der Schachtofentrommel in die Einlaßkammer gelangen. Die Reaktion des Urany'Huoridpulvers in der Schachtofentrommel mit Dampf, Wasserstoff oder einem Dampf-Wassersloff-Gemisch wird, wie bereits erwähnt, bei einer Temperatur im Bereich von 300—800⁰C ausgeführt Das Temperaturprofil im Schachtofen wird so gesteuert, daß die höchste Temperatur in der Mitte der Schachtofentrommel vorhanden ist während niedrigere Temperaturen am Einlaß- und Auslaßende vorherrschen. Beispielsweise liegt die Temperatur in der Mitte der Schachtofentrommel im typischen Fall im Bereich von 630—770⁰C, bei einer Temperatur im Bereich von 530—720⁰C in Richtung auf das obere Uranylfluorid-Einlaßende der Schachtofentrommei und einer Temperatur im Bereich von 580—77O°C in Richtung auf das untere Produkt-Auslaßende der Schachtofentrommel.

Bei einem besonderen Verfahren zur Erzeugung von Urandioxidpulver werden Trockendampf mit 150° C und Uranhexafluorid mit 180⁰C in die Einlaßkammer über die Düse injiziert, um aen Nebelstrahl von Uranylfluoridpulver zu erzeugen. Das Uranylfluoridpulver, welches in der Schachtofentrommel deponiert wird, wird dann bei seiner Bewegung in Abwärtsrichtung in der Schachtofentrommel mit einem Dampf-Wasserstoff-Gemisch zur Reaktion gebracht, welches die Schachtofentrommel aufwärts im Gegenstrom zum Uranylfluoridpulver strömt Dampf wird in das untere Ende der Schachtofentrommel mit 150⁰C über ein Rohr injiziert, welches sich durch die Produkt-Auslaßkammer hindurch in das untere Ende der Schachtofentrommel erstreckt, während Wasserstoff mit atmosphärischem Druck über einen Einlaß in der Produk-i-Auslaßkammer eingebracht wird. Die Temperatur im Bereich etwa in der Mitte der Schachtofentrommel wird durch die äußeren Heizelemente auf 720⁰C gehalten, während die Temperatur im Bereich der Schachtofentrommel zu beiden Seiten des Mittelbereiches auf 630⁰C gehalten wird. Die Temperatur am oberen Ende des Schachtofenkörpers, welche die Temperatur der Abfallgase (Dampf und Wasserstoff) ist, die aus dem oberen Ende der Schachtofentrommel in die Einlaßkammer gelangen, beträgt 400⁰C. Dieses Verfahren ergibt die Erzeugung eines Urandioxidpulvers, welches gepreßt und gesintert werden kann, um Urandioxidkörper von hoher Dichte zu bilden, im typischen Falle mit einer Dichte von 10,65 g/cm^J (die maximale theoretische Dichte von Urandioxid liegt bei 10,94 g/cm^J). Das Erhöhen der Temperatur im Mittelbereich der Schachtofentrommel. beispielsweise auf 77O°C, und das Herabsetzen der Temperatur im Bereich des Schachtofens in Richtung auf das obere Einlaßendc auf 530°C ergibt die l^:.r/ciigung eines I Inindioxids. welches auf eine geringere Pichle von beispielsweise IOJ g/cni'sinicri.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Uranoxid aus Uranhexafluorid, bei dem zunächst Uranhexafluoriddampf mit Trockendampf bei Temperaturen von 200—500⁰C zu Uranylfluoridpulver umgesetzt und dieses dann mit Dampf oder Wasserstoff oder einem Dampf-Wasserstoff-Gemisch bei einer Temperatur von 500—800⁰C zu Uranoxid umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Uranhexafluoriddampf und der Trockendampf in einen ersten Bereich eines Reaktionsbehälters in der Weise injiziert werden, daß sich darin das Uranylfluoridpulver in Form eines federbüschelartigen Streifens bzw. Nebelstrahls bildet, welcher auf das obere Ende der Trommel eines den zweiten Bereich des Reaktionsbehälters darstellenden geneigten, rotierenden trommelartigen Schachtofens gerichtet ist, durch den hindurch die Umwandlung des Uranylfluorids mit Dampf oder Wasserstoff oder Dampf-Wasserstoff-Gemisch zu Uranoxid im Gegenstrom erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Uranhexaflueriddampf und der Trockendampf in den ersten Bereich über eine Düse mit einem Innenrohr für den Uranhexafluoriddampf und einem dieses koaxial umgebenden Außenrohr für den Trockendampf injiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung von im ersten Bereich des Reaktionsbehälters niedergeschlagenem Uranylfluoridpulver in das obere Ende der Trommel des Schachtofens durch einen Schneckenförderer erfolgt