DE3046014C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Uranhexafluorid in ein Uranoxid, bei dem Uranhexafluorid und trockener Dampf zur Bildung einer Wolke aus Uranfluorid-Teilchen in einem ersten Bereich eines geeigneten Trommelrotierofens eingespritzt und ein Teil des Uranhexafluorids im ersten Bereich zirkuliert wird, und das Uranhexafluorid dann in einen zweiten Bereich des Trommelofens eingeführt und zur Erzeugung des Uranoxids mit einem Gegenstrom von Dampf und/oder Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird. Ein derartiges Verfahren nach dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs ist aus der US-PS 36 98 697 bekannt.

Die Umsetzung von Uranhexafluorid mit trockenem Dampf zur Erzeugung von Uranylfluorid (UO₂F₂) ist bekannt, ebenso die Umsetzung des Uranylfluorids mit Dampf oder Wasserstoff oder einem Dampf/Wasserstoffgemisch bei einer höheren Temperatur zur Erzeugung von Uranoxiden. Ebenso ist bekannt, z. B. aus der GB-PS 13 20 137 und der entsprechenden US-PS 38 45 193, daß die beiden Reaktionen aufeinanderfolgend im gleichen Behälter durchgeführt werden können. Dabei werden Uranhexafluorid und trockener Dampf zusammen in den ersten Bereich eines Behälters eingespritzt, so daß eine Uranylfluoridwolke entsteht, von der aus Uranylfluorid in den zweiten Bereich desselben Behälters geleitet wird, wo das Uranylfluorid mit Dampf und/oder Wasserstoff im Gegenstrom reagiert. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Umwandlung von Uranhexafluorid zu einem Uranoxid, bei dem Uranhexafluorid und trockener Dampf in einen ersten Behälterbereich eingespritzt werden, um eine Wolke aus Uranylfluoridpartikeln zu bilden, und bei dem das Uranylfluorid in einem zweiten Behälterbereich mit Dampf und/ oder Wasserstoff im Gegenstrom umgesetzt wird, wird das Verfahren so durchgeführt, daß ein größerer Teil des Uranylfluorids innerhalb des ersten Bereiches zum Zirkulieren gebracht wird, damit die ursprünglichen Uranylfluoridpartikel wachsen und dendritisch agglomerieren können.

Ein dendritisches Agglomerat von hoher Porosität ist für das Uranylfluorid erwünscht, da es in dem Endprodukt (z. B. Urandioxid) erhalten bleibt und zu Urandioxidfeststoffen mit hoher Festigkeit führen kann, die beim Sintern nukleare Brennstoffpellets von zufriedenstellender Qualität ergeben. Damit dendritisches Wachstum bzw. dendritische Agglomeration, wie sie erfindungsgemäß verlangt werden, eintreten, reicht es nicht aus, lediglich die Verweildauer des Uranylfluorids im ersten Behälterbereich zu verlängern. Es ist vielmehr notwendig, daß die Uranylfluoridpartikel in dem ersten Bereich zirkulieren, so daß die Reaktion zwischen dem Uranhexafluorid und dem Dampf in Gegenwart der Partikel andauert, welche auf diese Weise Kerne darstellen, die mit der Erzeugung von weiterem Uranylfluorid wachsen können.

Ein geeigneter Behälter für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der GB-PS 13 41 379 und der entsprechenden US-PS 36 98 697 beschrieben. Er besteht aus einem geneigten Trommelrotierofen mit einer Zuführungskammer, die den ersten Kesselbereich bildet, und in die Uranhexafluorid und trockener Dampf horizontal eingespritzt werden, um eine Uranylfluoridpartikel-Wolke zu bilden. Der Ofen bildet einen zweiten Behälterbereich, in dem das in der Zuführungskammer erzeugte Uranylfluorid mit Hilfe von Dampf und/oder Wasserstoff im Gegenstrom zu Uranoxid umgewandelt wird. Die Zuführungskammer ist mit Filtern versehen, die Uranylfluorid sammeln, welches mit überschüssigen Gasen aus dem oberen Ende der Ofentrommel in die Kammer zurückgeführt wurde. Das gesammelte Uranylfluorid wird durch Rückblasvorrichtungen entfernt und fällt durch die Uranylfluoridpartikel-Wolke auf den Boden der Zuführungskammer. Dort wird es von Vorrichtungen aufgenommen, die in der Zuführungskammer abgelagertes Uranylfluorid in das obere Ende der Ofentrommel befördern. Enthalten diese Vorrichtungen wie in GB-PS 13 41 379 und US-PS 36 98 697 beschrieben eine Spirale, dann wird das Uranylfluorid nicht nur vom Boden der Zuführungskammer in den zweiten Behälterbereich befördert oder überführt, sondern wird dabei in der Zuführungskammer zum Zirkulieren gebracht. Es passiert dabei durch und um die Partikelwolke aus Uranylfluoridpulver, die durch das gleichzeitige Einspritzen von Uranhexafluorid und trockenem Dampf gebildet wird, und liefert Uranylfluoridkerne. Die Wolke trifft auch auf überschüssige Gase aus dem oberen Ende der Ofentrommel, die kleine Uranylfluoridpartikel befördern, welche von den überschüssigen Gasen zurückgeblasen werden. Auch diese Partikel dienen als Kernbildungspunkte.

Außerdem ist aus der US-PS 36 98 697 weiterhin bekannt, in der dort beschriebenen Vorrichtung Uranhexafluorid über die Uranylfluorid-Zwischenstufe in Urandioxid umzuwandeln. Dabei werden in der Vorrichtung nach der US-PS 36 98 697 in der ersten Stufe Uranhexafluorid und trockener Dampf in einem ersten Bereich eines Behälters eingespritzt, um dort eine Wolke von Uranylfluorid-Teilchen zu bilden. In der zweiten Stufe wird das so erzeugte Uranylfluorid in einen zweiten Bereich des Behälters eingeführt und dort zur Erzeugung des Uranoxids mit einem Gegenstrom von Dampf und/oder Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Hier wird dieser zweite Bereich des Behälters durch einen Drehofen realisiert, in dessen oberem Bereich das erzeugte Uranylfluorid umgewälzt wird, was durch eine Spirale bewerkstelligt wird.

Nachteilig ist bei dem bekannten Verfahren jedoch, daß aufgrund der dort angegebenen Verfahrensführung nur frei fließendes Uranoxid-Pulver erzeugt werden kann. Für viele Anwendungsfälle wird jedoch die dendritische Form des Uranfluorids benötigt, um den aus dem Uranoxid hergestellten Festkörpern eine höhere mechanische Festigkeit zu geben.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung von Uranhexafluorid in Uranoxid der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem durch entsprechende Verfahrensführung dentrische Uranylfluorid- Kristalle gebildet werden, wie sie zur Fertigung von Uranoxid- Formkörpern mit hoher mechanischer Festigkeit benötigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Uranhexafluorid mit einer Geschwindigkeit von nicht weniger als 7,0 m/s und der trockene Dampf mit einer Gasgeschwindigkeit von nicht weniger als 50 m/s eingespritzt wird, die Geschwindigkeit des Gegenstroms von Dampf und/oder Wasserstoff wenigstens 0,05 m/s und in die Drehgeschwindigkeit des Trommelofens 3 bis 9 U/min beträgt, wodurch der größere Teil des Uranfluorids in dem ersten Bereich des Behälters umgewälzt wird. Dabei wachsen die Uranylfluorid-Teilchen vor ihrer Einführung in den zweiten Bereich des Behälters und agglomerieren dentritisch.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Bildung von dentritischen Kristallen, also sternförmigen oder flockenförmigen Kristallen, die dem daraus hergestellten Material eine niedrige Packungsdichte und eine hohe mechanische Festigkeit geben.

Bei richtiger Durchführung des Verfahrens kann ein größerer Teil des Uranylfluorids erfaßt und daran gehindert werden, sich direkt aus der Wolke in dem Ofen abzulagern. Dies kann durch Anpassung verschiedener Parameter erreicht werden, wozu vor allem die Länge der Wolke und die Drehgeschwindigkeit der Spirale gehören, die zwischen 3 und 9 U/min variiert wurde. Die Länge der Wolke ist abhängig von der Gasgeschwindigkeit an den Düsen, und es erwies sich als notwendig, daß diese an der Hexafluoriddüse mindestens 7,0 m/s und an der Dampfdüse mindestens 50 m/s beträgt. Normalerweise wird selbstverständlich auch ein positiver Gegenstrom gegen das Pulver benötigt, der ausreicht, um mindestens einen Teil der kleineren Uranylfluoridpartikel in die Zuführungskammer zurückzublasen, die andernfalls in den Ofen eintreten würden. Es wurde gefunden, daß dieser Gegenstrom eine Mindestgeschwindigkeit von 0,05 m/s haben sollte. Sobald über diese Geschwindigkeit entschieden wurde, können die anderen inneren Gasfließgeschwindigkeiten für einen bestimmten Ofen berechnet werden.

Für einen bestimmten Ofen müssen die optimalen Bedingungen u. U. durch Experimente und Anpassungen nach der Untersuchung der Form des Produktes bestimmt werden. Vorhandene Zirkulation in dem ersten Bereich kann durch Einspritzen eines radioaktiven Indikators angezeigt werden. So wurde in einer Testreihe mit Molybdän⁹⁹ Hexafluorid gefunden, daß der Indikator den Ofen frühestens 20 s nach seiner Einspritzung mit dem Dampf und dem Uranylhexafluorid, die die Wolke in der Zuführungskammer bildeten, erreichte, daß die Indikatoraktivität am Eingang des Ofens erst nach 3 min ein Maximum erreichte, und daß sie langsam innerhalb von 35 min wieder verschwand, wobei die Hälfte der Indikatoraktivität bei 13 min gemessen wurde.

Claims (1)

1. Verfahren zur Umwandlung von Uranhexafluorid in ein Uranoxid, bei dem Uranhexafluorid und trockener Dampf zur Bildung einer Wolke aus Uranylfluorid- Teilchen in einem ersten Bereich eines geneigten Trommelrotierofens eingespritzt und ein Teil des Uranhexafluorids im ersten Bereich zirkuliert wird, das Uranylfluorid dann in einen zweiten Bereich des Trommelofens eingeführt und zur Erzeugung des Uranoxids mit einem Gegenstrom von Dampf und/oder Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Uranhexafluorid mit einer Gasgeschwindigkeit von nicht weniger als 7,0 m/s und der trockene Dampf mit einer Gasgeschwindigkeit von nicht weniger als 50 m/s eingespritzt wird, die Geschwindigkeit des Gegenstroms von Dampf und/oder Wasserstoff wenigstens 0,05 m/s und die Drehgeschwindigkeit des Trommelofens 3 bis 9 U/min beträgt, wodurch der größere Teil des Uranylfluorids in dem ersten Bereich des Behälters umgewälzt wird, wobei die Uranylfluorid-Teilchen vor ihrer Einführung in den zweiten Bereich des Behälters wachsen und dendritisch agglomerieren.