DE3619391C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Umwandeln von gasförmigem UF₆ in UO₂-Pulver, welches
besonders zur Herstellung eines Kernbrennstoffs für
Kraftwerke aufgrund seiner guten keramischen Eigenschaften,
seines geringen Fluorgehaltes und seiner freien
Fließbarkeit geeignet ist.
Als Verfahren zum Umwandeln von UF₆ in UO₂-Pulver für
Kernbrennstoffe in Kraftwerken hat man bisher gasförmiges
UF₆ in großtechnischem Maßstab zu UO₂-Pulver nach
zwei verschiedenen Verfahren umgewandelt, und zwar nach
einem Naßverfahren und nach einem Trockenverfahren.
Das Naßverfahren hat den Nachteil, daß das Verfahren
durch die vielen benötigten Stufen kompliziert wird und
daß eine große Menge an Abfallösung gebildet wird.
Andererseits hat das Trockenverfahren den Nachteil,
daß das erhaltene UO₂-Pulver schlechte keramische
Eigenschaften und einen hohen Fluorgehalt aufweist,
jedoch liegt dabei auch der Vorteil vor, daß es nur
einfache Stufen umfaßt und daß nur eine geringe
Menge einer Abfallösung gebildet wird. Deshalb hat
man in der Vergangenheit das Trockenverfahren weiter
verbessert, um die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden.
Für das Trockenverfahren hat man Drehöfen verwendet
oder Verfahren, bei denen man eine Fließbettvorrichtung
anwendete, sowie ein Verfahren unter Verwendung einer
Flammenverbrennungs-Reaktionsvorrichtung. Von diesen
Verfahren erhält man bei dem Verfahren, bei dem eine
Fließbettvorrichtung verwendet wird, ein UO₂-Pulver,
welches eine freie Fließfähigkeit hat und wodurch
die Handhabung des UO₂-Pulvers in den nachfolgenden
Stufen vereinfacht wird, im Vergleich zu den anderen
Verfahren.
Bei dem Verfahren, bei dem man eine Fließbettvorrichtung
verwendet, treten die vorerwähnten Vorteile auf, jedoch
werden die keramischen Eigenschaften des UO₂-Pulvers
verschlechtert und außerdem erhöht sich auch der
Fluorgehalt im Vergleich zu den anderen Verfahren. Die
Erniedrigung der keramischen Eigenschaften des UO₂-Pulvers
ist auf die Bildung von feinen Teilchen aus UO₂F₂ durch
eine Gasphasenreaktion des gasförmigen UF₆ mit Wasserdampf
zurückzuführen, wie in der nachfolgenden Gleichung (1)
gezeigt wird, und die Bildung von UF₄ beruht auf der
Umwandlung von UO₂F₂ in UO₂ mit Wasserstoffgas, wie in
den nachfolgenden Gleichungen (2) und (3) gezeigt wird.
Bei den üblichen Trockenverfahren, insbesondere bei
einem Verfahren, bei dem man eine Fließbettvorrichtung
verwendet, läuft die Umsetzung nahezu vollständig als
Zwei-Stufen-Reaktion ab.
UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF (1)
UO₂F₂ + H₂ → UO₂ + 2 HF (2)
Bei diesem Verfahren kann UF₄ durch eine Umkehrreaktion
gebildet werden, wie aus der Gleichung (3) hervorgeht.
Dabei wird UO₂-Pulver möglicherweise zu UF₄-Pulver
hydrofluoriert.
UO₂ + 4 HF → UF₄ + 2 H₂O (3)
UF₄ ist eine Substanz, die bei verhältnismäßig niedriger
Temperatur (etwa 1000°C) sintert und die bei der
Betriebstemperatur der Gleichung (2) zu sintern beginnt
und wodurch eine Defluorierungsreaktion verhindert wird,
was für eine Erniedrigung des Fluorgehaltes des UO₂-Pulvers
wichtig ist. Deshalb war es bisher erforderlich, bei
der Reaktion gemäß der Gleichung (2) einen großen
Überschuß an Wasserdampf zu verwenden, um die
Hydrofluorierung des UO₂-Pulvers zu unterdrücken. Dadurch
wird das Fließbettverfahren komplizierter und durch die
im Überschuß zugegebene Menge an Wasserdampf wird
auch die Menge der Abfallösung erheblich erhöht. Da
außerdem eine erhebliche Zeit erforderlich ist, um
das UO₂-Pulver zu defluorieren, hat man es längere
Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt. Dadurch wurden
dann wiederum die keramischen Eigenschaften des UO₂-Pulvers
erheblich verschlechtert.
Weiterhin besteht ein Nachteil bei der Anwendung einer
Fließbettvorrichtung hinsichtlich der stabilen
Betriebsweise des Fließbettes bei der Umwandlung
von UF₆ in UO₂F₂.
Die UO₂F₂-Teilchen bilden das Fließbett, jedoch
reagiert gasförmiges UF₆, das in das Fließbett mit
Wasserdampf als Fluidisierungsgas, welches durch den
Boden des Fließbettes eingeführt wird, unter Bildung
von UO₂F₂-Teilchen, die sich an der Oberfläche der
bereits vorhandenen UO₂F₂-Teilchen absetzen. Infolgedessen
wird durch dieses abgesetzte UO₂F₂ ein Wachsen der
UO₂F₂-Teilchen verursacht. Andererseits wird ein Teil
der UO₂F₂-Teilchen durch den Abrieb infolge des gegenseitigen
Zusammenstoßens pulverisiert. Durch dieses Gleichgewicht
bildet sich eine mittlere Teilchengröße der UO₂F₂-Teilchen
aus, aber bei den üblichen Fließbettvorrichtungen
neigen die so erhaltenen UO₂F₂-Teilchen dazu, erheblich
zu wachsen. Infolgedessen war es erforderlich, neue
UO₂F₂-Teilchen in das Fließbett einzuführen, um eine
stabile Fließbett-Betriebsweise aufrechtzuerhalten.
Dadurch wiederum wird dieses Verfahren kompliziert und
der Betrieb störanfällig.
Ein Verfahren zur Umwandlung von UF₆ in UO₂, bei dem die
Umsetzung von gasförmigem UF₆ zu UO₂F₂ im
Fließbettreaktor mittels Wasserdampf in der Hitze vorgenommen
wird, und das intermediär gebildete UO₂F₂ dann direkt
mit Wasserstoff oder über Uranoxyl mit Wasserdampf und
Wasserstoff zu UO₂ umgesetzt wird, ist aus der US-PS 37 65 844
bekannt. Zur Erniedrigung des Fluorgehaltes und Verbesserung
der keramischen Eigenschaften der UO₂F₂-Teilchen wird dort
die Umwandlung von UF₆ in UO₂F₂ unter besonderen
Verfahrensbedingungen vorgenommen, wobei die Menge an
Wasserdampf überstöchiometrisch gewählt wird.
In der älteren Anmeldung DE-A-36 18 695 wird die Umwandlung
von UF₆ in UO₂-Pulver beschrieben, wobei man gasförmiges
UF₆ in einem Fließbett mit Wasserdampf unter Erhalt von
UO₂F₂-Teilchen pyrohydrolysiert und anschließend die
UO₂F₂-Teilchen mit Ammoniak unter Umwandlung in
Ammoniumdiuranat-Teilchen umsetzt. Anschließend erfolgt
dann Trocknen, Hydratisieren, Calcinieren mit Wasserdampf
und gegebenenfalls Reduzieren zu UO₂-Pulver.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, verbessertes
Verfahren zum Umwandeln von gasförmigem UF₆ in UO₂-Pulver,
welches für die Herstellung von Kernbrennstoffen für
Kraftwerke aufgrund seiner guten keramischen Eigenschaften
und seines niedrigen Fluorgehaltes und seiner freien
Fließbarkeit geeignet ist, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Stufen
zum Umwandeln von UF₆ in UO₂-Pulver durchgeführt:
1. Stufe UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF (1)
2. Stufe UO₂F₂ + n H₂O → UO₂F₂ · n H₂O (2)
3. Stufe UO₂F₂ · n H₂O → UO₂F₂ + n H₂O (3)
4. Stufe UO₂F₂ + H₂ → UO₂ + 2 HF (4)
oder
1. Stufe UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF (1)
2. Stufe UO₂F₂ + n H₂O → UO₂F₂ · n H₂O (2)
3. Stufe UO₂F₂ · n H₂O → UO₂F₂ + n H₂O (3)
4. Stufe UO₂F₂ + H₂O → UO₃ + 2 HF (4)
UO₂F₂ + H₂O → U₃O₈ + 2 HF + 1/6 O₂
UO₂F₂ + H₂O → U₃O₈ + 2 HF + 1/6 O₂
5. Stufe UO₃ + H₂ → UO₂ + H₂O (5)
Von diesen Stufen ist die zweite Stufe besonders wichtig,
bei der die UO₂F₂-Teilchen, die in dem Fließbett der
ersten Stufe gebildet wurden, hydratisiert werden, und
die dritte Stufe, bei welcher die hydratisierten UO₂F₂-Teilchen
dann durch Erhitzen dehydratisiert werden.
Es ist vorteilhaft, das gasförmige UF₆ und Wasserdampf in
das Fließbett mittels eines Zwilling-Fließzerstäubers
einzuführen.
Bei der Stufe, bei welcher die UO₂F₂-Teilchen in UO₂-Pulver
umgewandelt werden, werden die
UO₂F₂-Teilchen nur mit Wasserdampf zu UO₃/U₃O₈-Teilchen
calciniert, um die Bildung von UF₄ zu verhindern, wodurch
die Defluorierungsreaktion von UO₂F₂ verhindert wird,
und dann wird das UO₃/U₃O₈ mit Wasserstoffgas zu
UO₂-Pulver reduziert. Eine Kombination dieser Betriebsweise
mit dem vorerwähnten üblichen Verfahren kann dessen
Nachteile beseitigen.
Das leicht defluorierte UO₂-Pulver, das erfindungsgemäß
erhalten wurde, hat die grundlegende Eigenschaft, daß
es für die Bildung von Kernbrennstoffen für Kraftwerke
geeignet ist, und zwar aufgrund seiner guten keramischen
Eigenschaften. Außerdem hat es eine extrem gute
Fließfähigkeit, so daß es gut gehandhabt werden kann
in den nachfolgenden Stufen, wodurch eine Granulierung,
wie sie üblicherweise für Kernbrennstoffe erforderlich
ist, wegfallen kann.
Wird Wasserdampf
anstelle von Wasser als Wasserquelle verwendet, dann
kann eine homogene Hydration sehr leicht erzielt werden
aufgrund der guten Dispergierung und gleichzeitig liegt
hinsichtlich der verwendeten Apparatur eine größere
Auswahlmöglichkeit vor. Bei dem Fließbett der ersten
Stufe kann man besonders vorteilhaft einen
Zwilling-Fließzerstäuber zum Einstellen der Teilchengröße
der UO₂F₂-Teilchen verwenden. Dies beruht auf dem
Phänomen, daß bei der Verwendung eines
Zwilling-Fließzerstäubers, das von einer Zentraldüse
zerstäubte, gasförmige UF₆ mit Wasserdampf pyrohydrolysiert
wird, welcher von der Peripherie der Düse zerstäubt
wird, wodurch sich feine Teilchen von UO₂F₂ bilden, die
den Kern für die nachfolgende Granulierung bilden und
dadurch wird die Teilchengröße der UO₂F₂-Teilchen,
die sich in dem Fließbett bilden, vermindert. Weiterhin
werden die UO₂F₂-Teilchen bei der Anwendung eines
Zwilling-Fließzerstäubers besonders reaktiv, und zwar
aufgrund der Feingranulierung und dadurch werden die
nachfolgenden Reaktionen beschleunigt.
Die Zeichnung ist ein schematisches Fließdiagramm
für ein erfindungsgemäßes Verfahren. In der Zeichnung
wird UF₆ in einer Verdampfungskammer aus einem Zwilling-Flüssigkeitszerstäuber (1) verdampft.
Gleichzeitig wird Wasserdampf als Fluidisierungsgas
in den Boden der Vorrichtung (2) durch eine Leitung
(10) eingeführt. Ein Teil des gasförmigen UF₆ reagiert
unmittelbar mit dem Wasserdampf als Zerstäubungsgas
in der Nähe des Zerstäubers unter Bildung von UO₂F₂-Teilchen.
Ein Teil der neu gebildeten UO₂F₂-Teilchen setzt sich
auf der Oberfläche von UO₂F₂, das als Keimmaterial
vorliegt, ab, wobei die UO₂F₂-Teilchen wachsen.
Weiterhin wird ein Teil dieser UO₂F₂-Teilchen durch
den Zusammenstoß mit anderen Teilchen zu feineren
Teilchen pulverisiert. Die Größe der UO₂F₂-Teilchen
wird durch dieses Phänomen und die Form des Fließbettes
kontrolliert. Die Betriebstemperatur in dem ersten
Fließbett (2) liegt unter 400°C und vorzugsweise im
Bereich von 200 bis 300°C, unter Berücksichtigung der
keramischen Eigenschaften der Teilchen und um die
Teilchengröße zu kontrollieren. Die in dem ersten
Fließbett (2) gebildete HF wird als HF-Lösung in
einem HF-Kondensator (2 a) wiedergewonnen und in einem
HF-Behälter (2 b) gelagert. Die neu gebildeten
UO₂F₂-Teilchen werden aus dem ersten Fließbett (2)
durch eine Überflußleitung, die am oberen Teil des
Fließbettes (2) angebracht ist, ausgetragen und in
den zweiten Reaktor (3) eingeführt.
In dem Reaktor (3) werden die UO₂F₂-Teilchen mit
Wasser hydratisiert, welches in dem Reaktor (3) durch
die Leitung (11) eingeführt wird. Die Betriebstemperatur
liegt unterhalb 100°C und vorzugsweise im Bereich von
10 bis 50°C unter Berücksichtigung der
Hydratisierungsgeschwindigkeit.
Das UO₂F₂-Hydrat wird in ein drittes Fließbett (5)
eingeführt, welches durch Erhitzen dehydratisiert
wird. Luft als Fluidisierungsgas wird in den Boden
der Vorrichtung (5) durch die Leitung (13) eingeführt.
Die Betriebstemperatur liegt unterhalb 200°C und vorzugsweise
im Bereich von 120 bis 150°C. Das gebildete UO₂F₂-Anhydrid
wird aus dem Fließbett (5) durch die Überflußleitung,
die am oberen Teil des Fließbettes (5) angebracht ist,
ausgetragen und in ein viertes Fließbett (6) eingeführt,
wo es mit Wasserdampf calciniert wird, unter Umsetzung mit dem
Fluidisierungsgas, welches in den Boden der Vorrichtung
(6) durch die Leitung (14) eingeführt wird und wobei
UO₃ oder U₃O₈-Teilchen gebildet werden. Die Betriebstemperatur
beträgt weniger als 700°C und liegt vorzugsweise im
Bereich von 450 bis 600°C, bei welchem UO₂-Pulver gebildet
wird. Wenn die Betriebstemperatur im Bereich von 500°C
bis 600°C liegt, dann bildet sich eine Mischung von
UO₃ und U₃O₈. Die UO₃ oder U₃O₈-Teilchen werden aus
der Vorrichtung (6) durch eine Überflußleitung ausgetragen
und in ein fünftes Fließbett (7) eingeführt, wo sie
mit einer Mischung aus Wasserdampf und Wasserstoffgas,
welches in den Boden der Vorrichtung (7) durch die
Leitung (15) eingeführt wird, unter Umwandlung in ein
UO₂-Pulver reduziert werden. Das UO₂-Pulver wird in
dem Behälter (8) gewonnen. Die Betriebstemperatur beträgt
dabei weniger als 700°C und liegt vorzugsweise im Bereich
von 500 bis 600°C unter Berücksichtigung der keramischen
Eigenschaften des UO₂-Pulvers.
Das Abgas aus den Vorrichtungen (2, 5, 6, 7) wird einer
Abgasbehandlungsvorrichtung durch eine Leitung (16)
zugeführt.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung sind die folgenden:
- (1) Das gebildete UO₂-Pulver hat gute keramische Eigenschaften, einen niedrigen Fluorgehalt und eine gute Fließfähigkeit. Deshalb ist es für Kernbrennstoffe in Kraftwerken geeignet. Ein solches UO₂-Pulver konnte nach den bisherigen üblichen Verfahren nicht erhalten werden.
- (2) Die gute Fließfähigkeit des UO₂-Pulvers macht die Handhabbarkeit in den nachfolgenden Stufen einfacher und man kann Pulverisieren vor dem Pelettisieren, wie es üblicherweise bei der Herstellung von Kernbrennstoffen erforderlich ist, vermeiden.
Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Erfindung.
Drei Pilotansätze wurden mit dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung durchgeführt.
Im ersten Fall, der dem Anspruch 1 entspricht, werden
die in dem ersten Fließbett gebildeten UO₂F₂-Teilchen
hydratisiert, dehydratisiert und direkt zu UO₂-Pulver
reduziert.
Im zweiten Fall, welcher dem Anspruch 2 entspricht,
werden die UO₂F₂-Teilchen, die in dem ersten Fließbett
gebildet wurden, hydratisiert, dehydratisiert, mit
Wasserdampf zur Umwandlung in UO₃ oder U₃O₈ calciniert
und das UO₃ oder U₃O₈ wird dann zu UO₂-Pulver reduziert.
In dem Vergleichsbeispiel wurde ein Pilotansatz nach
dem üblichen Trockenverfahren durchgeführt. In dem
Vergleichsbeispiel werden UO₂F₂-Teilchen, die in dem
ersten Fließbett gebildet wurden, direkt zu UO₂-Pulver
reduziert.
Die hier verwendeten Fließbetten hatten einen Durchmesser
von 83 mm. Die Betriebsbedingungen werden in Tabelle 1
gezeigt. Die Eigenschaften der bei diesen Ansätzen
verwendeten UO₂-Pulver werden in Tabelle 2 gezeigt.
In Tabelle 2 wird gezeigt, daß das erfindungsgemäß
erhaltene UO₂-Pulver ein kleineres Raumgewicht und eine
kleinere mittlere Teilchengröße hat und daß es eine
größere spezifische Oberfläche und einen niedrigeren
Restfluorgehalt hat, im Vergleich zu dem nach den
üblichen Trockenverfahren erhaltenen. Deshalb ist das
erfindungsgemäß erhaltene UO₂-Pulver besonders für die
Herstellung von Kernbrennstoffen geeignet.
Claims (3)
1. Verfahren zur Umwandlung von UF₆ in UO₂ in einer
Fließbettvorrichtung, bei dem man in einer ersten
Stufe gasförmiges UF₆ und Wasserdampf in dem
Fließbett aus UO₂F₂-Teilchen unter Erhalt von UO₂F₂-Teilchen pyrohydrolisiert
und in einer folgenden Stufe die UO₂F₂-Teilchen mit
Wasserstoffgas oder einer Mischung von Wasserstoffgas
und Wasserdampf unter Umwandlung in ein UO₂-Pulver
reduziert, dadurch gekennzeichnet, daß
man im Anschluß an die erste Stufe in einer zweiten
Stufe die UO₂F₂-Teilchen mit Wasser oder Wasserdampf
zu UO₂F₂-Hydrat hydratisiert, in einer dritten Stufe
das UO₂F₂-Hydrat durch Erhitzen zu UO₂F₂-Anhydrid
dehydratisiert und dann in einer vierten Stufe das
UO₂F₂-Anhydrid mit Wasserstoffgas oder einer Mischung
von Wasserstoffgas und Wasserdampf unter Umwandlung in
ein UO₂-Pulver reduziert.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man in der vierten
Stufe das UO₂F₂-Anhydrid zunächst mit Wasserdampf unter
Umwandlung in UO₃ oder eine Mischung aus UO₃- und
U₃O₈-Teilchen reduziert und in einer fünften Stufe
das UO₃ oder die Mischung aus UO₃ und U₃O₈ mit
Wasserstoffgas oder eine Mischung von Wasserstoffgas
und Wasserdampf zu UO₂-Pulver reduziert.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das gasförmige
UF₆ und Wasserdampf in das Fließbett mittels eines
Zwilling-Fließzerstäubers eingeführt werden.
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