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VERFAHREN zum HERSTELLEN von SINTERFÄHIGEN URANDIOXYD Die Erfindung
bezieht sich auf ein zweistufiges Fliessbett -verfahren zur Herstellung von Urandioxyd
aus Uranhexafluorid.
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Im besonderen betrifft die Erfindung neue und verbesserte Arbeitsweisen
zur Umwandlung von Uranhexafluorid in sinterfähiges Unrandioxyd mit verhältnismäßig
geringer Fluoridkonzen -tration.
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Es gibt er eine Anzahl von Fliessbettverfahren, die zur Um -wandlung
von Uranhexafluorid in Urandioxyd vorgeschlagen worden sind. So beschreibt beispielsweise
das amerikanische
Patent 3 160 471 ein einstufiges Wirbelbettverfahren,
bei dem Uranhexafluorid mit einem stöchiometrischeii Überschuß an Dampf und Wasserstoff
zusammengebracht wird, um das Uranhexafluorid in Urandioxyd umzuwandeln. Im amerikani
-schen Patent 3 574 598 ist ein zweistufiges Fließbettverfahren beschrieben, bei
dem Uranhexalluorid, Dampf und Wasserstoff in einem ersten Wirbelbettreaktor unter
Bildung von Zwischenstufen verschiedener Uranoxyde zur Reaktion gebracht werden.
Diese als Zwischenprodukte erhaltenen Uranoxyde werden dann mit Dampf und Wasserstoff
in einem zweiten Reaktor verwirbelt, wobei sie in Urandioxyd umgewandelt werden.
Obwohl diese Verfahren behaupten, Kosten, wie sie dem Wirbelbettverfahren anhaften,
zu sparen, müssen die festen Uranoxyde zur Verminderung des Fluoridsgehaltes im
hergestellten Urandioxyd bis auf einen annehmbaren Betrag beispielsweise unter 0,011
bis 0,015 Gew,-,berechnet auf das Gewicht des hergestellten Urandioxyds, ungewöhnlich
lange Zeit im Fließbett gehalten werden. Überdies wird das Urandioxyd dabei bei
verhältnismäßig hohen Temperaturen gebildet, was die Sinterqualität des Dioxyds
schädlich beeinflusst.
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Gemäß vorliegender Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung
von Uranhexyfluorid in sinterfähiges Uran -dioxyd geschaffen worden. Das vorliegende
Verfahren besteht in der ersten Stufe darin, ein Fließbett von festen Uranylfluoridteilchen
(U02F2) zu erzeugen, das bei Temperaturen von etwa 7300C gehalten wird, und dieses
feste Uranyl -mit
Dampf fluorid im Gegenstrom/im Überschuß zu der
Menge in Berührung zu bringen, die zur Umwandlung des Uranylfluorids in Triuranoctoxyd
(U308) erforderlich ist. Hierauf wird das Triuranoctoxyd in einer zweiten Stufe
verwirbelt und mit Wasserstoff in Gegenwart von Dampf bei Temperaturen unter etwa
5000C reduziert.
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Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es
besonders vorzuziehen, das Fließbett aus festem Uranylfluoridteilchen in einem Reaktor
mit mehreren Fließbetten vorzugsweise in einem Zweibettreaktor zu erzeugen. Uran
-hexafluorid und Dampf werden dann bei Temperaturen, die im allgemeinen zwischen
6580C und etwa 7800C liegen, in das erste Fließbett eingeleitet, das Keime von Uranylfluorid
enthält. Der Dampf wird in solchen Mengen angewendet, die ausreichen, um das Uranhexafluorid
in Uranylfluorid umzuwandeln. Das so hergestellte Uranylfluorid wird dann in ein
zweites Fließbett eingeleitet, in dem es verwirbelt und mit überschüssigem Dampf
in Berührung gebracht wird und zwar einer Menge, die über dem stähiometrischen Betrag
liegt, der erforderlich ist, um das Uranylfluorid in Tritranoctoxyd umzuwandeln.
Die Temperatur in diesem zweiten Fließbett wird in der Größenordnung von etwa 730
0C bis etwa 7800C , vorzugsweise oberhalb etwa 7500C gehalten. Auf diese Weise wird
die Fluoridkonzentration im Triuranoctoxyd unter höchstens 0d01 Gew.-% und im allgemeinen
bei etwa 0,0025 bis etwa 0,0005
Gew.-% gehalten, wodurch sichergestellt
ist, daß das U02 im wesentlichen frei von Fluorid ist.
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Das so hergestellte Triuranoctoxyd wird rasch in einen zweistufigen
Reaktor umgewandelt, indem das Triuranoctoxyd bei Temperaturen unter etwa 500°C
und im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 4500bis 5000C verwirbelt wird,
wobei das Urantrioxyd im Fließbett im Gegenstrom mit einem Überschuß an dampfhaltigem
Wasserstoff in Berührung gebracht wird.
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Dabe»beträgt das Molverhältnis des Wasserstoffes zu Dampf beispielsweise
im allgemeinen 2 : 1 bis etwa 1,5 : 1. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Triuranoctoxyd
liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 3 : 1 bis etwa 2,5 : 1.
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Demnach wird die Reaktion bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen
durchgeführt mit dem gleichzeitig sich ergebenden Resultat, daß das Erzeugnis sehr
leicht zu sintern ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
ein Bett aus Festteilchen von Uranylfluorid in einem Einbettreaktor hergestellt,
und das Material hier in Triuranoctoxyd umgewandelt, indem man Uranhexafluorid und
Dampf in ein Bett, welches Keime an Uranylfluorid enthält, einleitet und die Temperatur
des Wirbelbettes in der Größenordnung von etwa 7300C bis etwa 7800C hält. Die Dampfmenge
ist größer als die, welche zur Umwandlung des Uranhexafluorids in Triuran -octoxyd
erforderlich ist. Anschließend wird das Triuanoxyd in der zweiten Stufe des Reaktors
mit Wasserstoff und Dampf
bei Temperaturen in der Größenordnung
von etwa 4500C bis etwa 5000C reduziert.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser
verständlich durch Bezugnahme auf die detaillierte folgende Beschreibung, besonders
unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnung.
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Die einzige Figur stellt ein schematisches Diagramm dar, das die Verwendung
eines Reaktors mit zwei Fließbetten bei der praktischen Durchführung des vorliegenden
Verfahrens erläutert.
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In der Zeichnung sind zwei getrennte Fließbettreaktoren 10 und 20
dargestellt. Jeder dieser Reaktoren ist mit einem typischen Rost zur Unterstützung
des aus Feststoffen bestehenden Fließbettes versehen. Die Ausbildung des Rostes
ist kein Teil der vorliegenden Erfindung und infolgedessen ist der Rost lediglich
mit den Linien 12 und 12a im Reaktor 10 und der Linie 22 im Reaktor 20 angedeutet.
Im Reaktor 10 sind bei 1 und ia auch zwei Wirbelbetten von Feststoffen dargestellt,
und im Reaktor 20 ist ein Wirbelbett von Feststoffen generell bei der Ziffer 2 angedeutet.
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Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung wird ein
Fließbett 1 aus Uranylfluorid(U02F2) dadurch hergestellt,
daß der
erste Reaktor 10 mit Keimen von Uranylfluoridteilchen einer Teilchengröße ausgestattet
wird, die sich verwirbeln lassen. Beispielsweise genügt es, wenn die Teilchen eine
durchschnittliche Teilchengröße von etwa 300,u besitzen.
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Die als Keimmaterial verwendete Menge ist naturgemäß nicht fixiert,
sondern schwanftweitgehend in Abhängigkeit von der Reaktorgröße, dem gewünscslten
Durchsatz und dergleichen.
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Hierauf werden nun Uranhexafluorid und Dampf in das Fließ -bett 1
des Reaktors 10 eingeleitet. Um eine Kanalbildung der Gase zu verhüten, wird das
Uranhexafluorid vorzugsweise durch die Leitung 14 unter der Rostplatte 12 eingeleitet.
Der Dampf wird dagegen durch die Leitung 15 eingeführt und strömt nach oben durch
den Reaktor in das Fließbett 1. Gewünschtenfalls kann der Dampf in das Fließbett
1 im wesentlichen in der gleichen Weise wie das Uranhexafluorid durch eine andere,
nicht dargestellte Leitung zugeführt werden.
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Die Temperatur im Fließbett 1 wird im allgemeinen in der Größenordnung
von etwa 6580 bis 7800C, vorzugsweise von etwa 6580 bis etwa 6800C gehalten. Der
Dampf wird in Mengen angewendet, die ausreichen, um das Uranhexafluorid in Uranylfluorid
umzuwandeln.
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Anschließend wird das Uranylfluorid in das Fließbett la durch ein
Fallrohr 19 oder mit Hilfe anderer passender Einrichtungen weiter befördert. Das
in das Fließbett 1 a eingeleitete
Uranylfluorid wird verwirbelt
und hier im Gegenstrom mit überschüssigem Dampf in Berührung gebracht, dessen Menge
größer ist als die stöchiometrische Menge, die zur Umwandlung des Uranylfluorids
in Triuranoctoxyd erforderlich ist.
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Der Dampf wird durch die Leitung 15 eingeführt. Im allgemeinen wird
die Temperatur im Bett la in der Größenordnung zwischen etwa 7300 und etwa 7800C
gehalten, wobei das Gebiet von 7500C bis etwa 7600C bevorzugt wird.
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Gewünschtenfalls wird ein einziges Bett aus Uranylfluoridteilchen
im Fließbettreaktor vorgesehen, wobei man Uranhexafluorid und Dampf in ein Bett
aus Keimen von Uranylfluorid einleitet. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die
Temperatur des Fließbettes in der Größenordnung von etwa 7300 bis etwa 7800C gehalten,
und der Dampf wird im Überschuss angewendet, um zuletzt das gebildete Uranylfluorid
in Triuranoctoxyd umzuwandeln.
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In jedem Fall liegt das generelle Molverhältnis des Dampfes zu dem
in den Reaktor 10 eingeleiteten Uranhexafluorid in der Größenordnung von 10 : 1,
vorzugsweise in einer Größenordnung von etwa 5 : 1. Die ausströmenden Gase werden
durch die Lei -tung 8 entfernt und streichen durch ein Wiedergewinnungssystem für
Feststoffe,das in Form eines Gefäßes 16 dargestellt ist.
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Diese Feststoffe können durch die Leitung 9 in das Fließbett 1 zurückkehren,
oder sie werden durch die Leitung 17 zur Weiterverarbeitung
entfernt.
Die Gase, die die Wiedergewinnungseinrichtung 16 für die Feststoffe durch die Leitung
18 verlassen, können im Kreislauf zurückgeführt oder nach Wunsch wiedergewonne"#erden.
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Im Hinblick auf die im Fließbett 1a des Reaktors 10 herrschende Temperatur
und den erheblichen Dampfüberschuß werden die Uranylfluorid-Festteilchen rasch zu
Triuranoctoxyd oxydiert. Das Triuranoctoxyd wird beispielsweise durch die Leitung
7 abgezogen und in.einen Reaktor 20 überführt. Die Leitung 7 ist mit geeigneten,
nicht dargestellten Einrichtungen versehen, um zu verhüten, daß Gase aus dem Reaktor
20 in den Reaktor 10 übertreten.
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Im Reaktor 20 wird das Uranyltriuranoctoxyd verwirbelt und zu Urandioxyd
reduziert. Im allgemeinen wird das Triuranoctoxyd bei Temperaturen unter etwa 5000C
gehalten, beispielsweise beVtemperaturen in der Größenordnung von etwa 4500 bis
etwa 5000C, und vorzugsweise in einem Gebiet von etwa 4700 bis 4750C, Dabei wird
Wasserstoff durch die Leitung 23 im Gegenstrom zum Triuranoctoxyd eingeleitet und
reduziert dieses zu Urandioxyd. Die Menge des in den Reaktor 20 eingeleiteten Wasserstoffes
befindet sich im Überschuß zu der stöchbmetrischen Menge an Wasserstoff, die erforderlich
ist, um Triuranoxyd in Urandioxyd umzuwandeln. Beispielsweise liegt das Molverhältnis
des Wasserstoffs zum Urantriuranoctoxyd in
der Größenordnung von
3 : 1 bis 2,5 : 1.
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Das Molverhältnis des Wasserstoffs zum Dampf beträgt im allgemeinen
2 : 1, vorzugsweise 1,5 : 1. Offensichtlich erleichtert und/oder katalysiert der
Dampf die Reduktion des Tri -uranoctoxyds durch Wasserstoff. Feine Teilchen, die
aus dem Reaktor 20 entweichen, werden beispielsweise mit Hilfe eines Trenngefäßes
24 wiedergewonnen, das mit dem Reaktor 20 durch die Leitung 25 in Verbindung steht.
Derartige Feinteilchen werden entweder durch die Leitung 26 entfernt, oder sie werden
durch die Leitung 28 der Produktableitung 27 zugeführt. Die Abgase, die Dampf und
Wasserstoff enthalten, werden durch die Leitung 29 entfernt und zu einer Gaswiedergewinnungseinrichtung
geleitet, wo der Wasserstoff abgetrennt und im Kreislauf zurückgeführt werden kann.
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Durch die stufenweise Umwandlung des Uranhexafluorids in Urandioxyd
in der beschriebenen Weise wird der Fluoridgehalt des Urandioxyds auf einen annehmbaren
Wert unter etwa 0,011 Gew.-% vermindert, und die Sinterfähigkeit des Urandioxydpulvers
wird erleichtert.