DE442975C

DE442975C - Herstellung geschmolzener Stuecke von Uran

Info

Publication number: DE442975C
Application number: DEW68829D
Authority: DE
Original assignee: Westinghouse Lamp Co
Current assignee: Westinghouse Lamp Co
Priority date: 1924-03-17
Filing date: 1925-03-17
Publication date: 1927-04-12
Also published as: FR595254A; NL16881C; GB230865A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung· von Uran.

Eine der Aufgaben der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines oxydfreien Haloidsalzes des Urans und die Behandlung dieses Salzes durch geeignete Reduziermittel sowie Hitzebehandlung zur Erzielung des Urans im geschlossenen Zustande. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Uransalzes zu schaffen, das frei von Kristallwasser ist.

Insbesondere ist eine Aufgabe der Erfindung die Erzeugung geschmolzenen Urans, das im wesentlichen frei von Verunreinigungen ist, die seine Eigenschaften beeinflussen könnten.

Im Patent 407 508 ist ein Verfahren zur Erzeugung seltener Metalle in Pulver- oder zusammenhängender Form durch Reduktion der Haloide des Metalls durch Aluminium oder Eisen unter geeigneten Verhältnissen beschrieben.

Die Erfindung ist in gewissem Sinne eine Ausgestaltung des in dem erwähnten Patent beschriebenen Verfahrens. Sie ist insbesondere geeignet für die Erzeugung geschmolzenen Urans, das, wie der Wissenschaft wohl bekannt ist, sehr schwierig in solchem Zustande und frei von jeglichen Beimengungen zu erhalten ist, die die Metalleigenschaften, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit u. dgl., außerordentlich nachteilig beeinflussen.

Bei der Erzeugung des Urans ist die Erfindung zuerst darauf gerichtet, ein reines oxydfreies Haloidsalz des Metalls zu bilden und sieht zu diesem Zwecke ein besonderes chemisches Verfahren vor, das Anwendung finden kann, wenn schon ersichtlich andere Verfahren in geeigneter Weise abgeändert werden könnten, um Salz in dem angegebenen Zuistände zu erhalten. Ferner wird als Reduziermittel ein Stoff angewendet, der leicht flüchtig wird, derart,, daß das Uran ohne Schwierigkeit davon frei gemacht werden kann. Der zum Reduzieren angewendete Stoff ist vorzugsweise ein solcher, der leicht mit im wesentlichen iooprozentiger Reinheit zu erhalten ist, z.B. Magnesium.

Gemäß der Erfindung kann ein oxydfreies Uransalz nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden:

200 g Uranylacetat werden in destilliertem Wasser gelöst und in einen geeigneten Behälter, z. B. einem Holz- oder Gummieimer, filtriert. Dieser Lösung kann eine Lösung zugesetzt werden, die durch Auflösen von 200 g Kaliumfluorid oder gegebenenfalls Natriumfluorid gewonnen wird. Letztgenannte Lösung kann dann gefiltert werden, um Unreinigkeiten zu entfernen, wie z. B. Späne o. dgl. Die beiden klar gefilterten Lösungen werden dann sorgsam gemischt. Diesem Gemisch von Uranyl und Kalium- oder Natriumfluorid mögen 60 ecm Fluorwasserstoffsäure und etwa

6o ecm Ameisensäure oder irgendein anderes geeignetes Reduziermittel zur Bewirkung einer langsamen Kristallisation des Salzes zugesetzt werden. Es tritt bei dem Zusatz der Säuren kein Niederschlag ein, und es zeigt sich, daß die vereinigten Lösungen eine klare, gelbe Farbe aufweisen. Die Reaktion kann dadurch bewirkt werden, daß man die Lösung dem Licht aussetzt, z. B. dem Sonnenlicht. Die

ίο Lichteinwirkung soll fortgesetzt werden, bis die Wirkung vollkommen ist, zu welcher Zeit die Lösung ganz farblos wird und im wesentlichen alle Salze in Gestalt eines feinen kristallinischen, leuchtend grünen Pulvers nieder-

iS geschlagen sind.

Die Reaktion, die eintritt, ist durch folgende Gleichung ausgedrückt:

UO., (C₀H₃O₀), + 3KF ~f 2HF -f- HCOOH = KUF₅ -f- 2H₂O -j- CO₂ + 2KC₂H₃O₂.

Der Niederschlag möge aus der Lösung durch Filtern entfernt und dann sorgfältig mit destilliertem Wasser gewaschen werden, um die löslichen Stoffe zu entfernen, die mit dem Niederschlag gemischt sind, der darauf durch Erhitzung in einem Ofen getrocknet wird.

Nachdem der Niederschlag sorgfältig getrocknet ist, möge das Kristallwasser daraus durch Schmelzen entfernt werden. Der Schmelzvorgang kann herbeigeführt werden, indem man dem Kaliumuranfluorid, d.h. dem Niederschlag, eine gleiche Gewichtsmenge eines Gemisches aus gleichen Teilen von Natrium- und Kaliumchloriden zusetzt. Es ist vorzuziehen, ein Gemisch aus Natrium- und Kaliumchlorid zu verwenden statt nur eines dieser Chloride, weil das Gemisch bei niedrigerer Temperatur schmilzt und leichter zu behandeln ist. Das Schmelzen möge durch Erhitzen eines die Stoffe enthaltenden Platintiegels in der Luft über einer offenen Flamme, in einem elektrischen Ofen oder in einer indifferenten Atmosphäre, z. B. Wasserstoff, herbeigeführt werden. Die Natrium- und Kaliumchloride können in einen Tiegel aus Platin oder aus sonst geeignetem Stoff gebracht und das Kaliumuranfluorid kann nach und nach in kleinen Mengen zugefügt werden, bis die Schmelze vollkommen klar ist. Ist dieser Zustand erreicht, so wird dadurch angezeigt, daß das Gemisch vollkommen geschmolzen ist. Darauf deckt man zweckmäßig den Tiegel zu und läßt die Masse erkalten.

Die geschmolzene Masse wird nach der Abkühlung aus dem Tiegel genommen und so gemahlen, daß sie durch ein 200-Maschensieb geht. Darauf möge sie in destilliertem Wasser suspendiert und sorgfältig gewaschen werden, um jeden Überschuß von Natrium- oder Kaliumsalzen zu entfernen. Darauf erfolgt ein Filtern des Rückstandes, Waschen mit Alkohol und dann ein Trocknen während etwa einer Stunde bei etwa 150⁰ C in einem Trockenofen. Dieses nachher in dem Verfahren gebrauchte Salz erweist sich als oxydfrei.

Bisher war es bei der Herstellung von Uransalzen erfahrungsgemäß sehr schwierig, einen Niederschlag von Uranfluorid zu erhalten, der gefiltert und gewaschen werden konnte, weil der Niederschlag so fein verteilt und so gelatinös war, daß er die Poren des Filters verstopfte und so die Trennung des Niederschlages von der Lösung hinderte.

Weiter würde sich infolge der Anwesenheit von Wasser eine Wasserzersetzung und Reaktion mit dem Metall zur Oxydbildung zeigen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind diese Schwierigkeiten überwunden, und es wird ein grobkörniges Uranfluorid erzielt, das sich sehr leicht filtern läßt und das nachher geschmolzen und in oxydfreiem Zustande erhalten werden kann.

Das bevorzugte Verfahren zur Reduktion von Kaliumuranfluorid und das Schmelzen des Urans spielen sich wie folgt ab: Das getrocknete Salz wird im Verhältnis von 10 Gewichtsteilen zu 1V₂ Gewichtsteilen mit Magnesium oder einem äquivalenten Reduziermittel vermischt oder mit einer Legierung von Magnesium und Calcium oder irgendeinem anderen Metall oder Metallgemisch, das für den Zweck brauchbar ist. Die angegebene Menge entspricht ziemlich nahe der theoretischen Magnesiummenge, die für die Reduktion notwendig ist. Es kann aber, da Magnesium leicht durch Sieden entfernt werden kann, eine Überschußmenge benutzt werden, und es ist nicht wesentlich, wie im Verfahren des obenerwähnten Patentes, weniger als die theoretische Menge anzuwenden.

Das Salz und das fein gepulverte metallische Reduziermittel mögen dann sorgsam in einem Mörser gemischt und in entsprechenden Mengen in einer Eisenform in solche Gestalt gepreßt werden, wie sie leicht gehandhabt werden kann. Der gepreßte Körper aus Salz und Reduziermittel sei dann in einen Tiegel von Molybdän o. dgl. Stoff gebracht. Dieser werde in einen Ofen gebracht, in dem no während des ganzen Prozesses das höchstmögliche Vakuum aufrechterhalten wird. Der Tiegel wird langsam auf die Temperatur gebracht, die notwendig ist, die Reaktion hervorzurufen, vorzugsweise durch Induktions- X15 erhitzung. Eine für diese Zwecke geeignete Ofentype ist im Patent 395 831 beschrieben.

Wenn der Tiegel Dunkelrotwärme erreicht, tritt die Reaktion ein, und Kalium und Magnesium destillieren aus auf die Glaswandungen des Behälters. Vorzugsweise ist die Erhitzung des Einsatzes für einige Zeit nach

Eintritt der Reaktion fortzusetzen, um gewisse nach der Reaktion verbleibende Salze zu verflüchtigen. Auch ist es vorteilhaft, die Reaktion weit genug zu treiben, um praktisch alles freie Magnesium auszuscheiden.

Den so erhaltenen Stoff läßt man sorgsam abkühlen. Er kann dann herausgenommen, pulverisiert und wieder in ein kleineres Formstück geeigneter Gestalt gepreßt werden.

ίο Dieser gepreßte Stoff möge dann auf einem geeigneten Träger, z. B. aus Thoriumoxyd, in das Innere der Primärspule des obenerwähnten Hochfrequenzinduktionsofens gebracht werden. Auf solche Weise möge_ der Einsatz langsam durch Hochfrequenzinduktionserhitzung weitererhitzt werden, uod. zwar so lange, bis die Salze verflüchtigt sind und nichts als reines Uran verbleibt, das jetzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Infolge des Einschrumpfens des Einsatzes kann die Kopplung zwischen ihm und der Primärspule des Ofens ziemlich lose werden. Deshalb kann es erwünscht sein, eine engere Kopplung zwischen Einsatz und Spule zu erzielen. Dies kann leicht dadurch geschehen, daß man den Einsatz kalt werden läßt und aus dem Ofen herausnimmt, wonach der Einsatz, der jetzt ein kleines, unregelmäßig gestaltetes Metallstück ist, in eine kleinere Spule gebracht wird, die in den Vakuumofen eingesetzt wird. Die Hochfrequenzströme werden wiederum durch die Primärspule hindurchgesandt, und der Einsatz wird auf eine Temperatur gebracht, die hoch genug ist, um das Metall in geschmolzenen Zustand zu bringen. Man erhält dann ein Erzeugnis, das einen vollkommen geschmolzenen und durchaus homogenen Zustand aufweist; durch Mikrophotographie und chemische Analyse ergibt es sich als im wesentlichen 1 ooprozentreines geschmolzenes Uran.

Es ist zwar das Verfahren zur Reduzierung des Kaliumuranfluorids durch Magnesium zur Erzielung des geschmolzenen Urans als in verschiedenen Stufen und in verschiedenen Öfen ausgeführt beschrieben; das Verfahren kann jedoch auch in einer einzigen Operation und in einem einzigen Ofen ausgeführt werden, wenn die Konstruktion so ist, daß die notwendigen Temperaturverhältnisse für die Bewirkung der Reduktion und des Schmelzens des Urans darin erreicht werden und die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen getroffen sind. Ist das Metall auf eine Temperatur genügender Höhe für die Schmelzung gebracht, so läßt man es abkühlen und nimmt es dann aus dem Ofen heraus.

Das Verfahren hat befriedigende Ergebnisse zur Erzeugung von Uranmetall von solcher Reinheit und von solchem Zustande ergeben, daß es in geeignete Formen für Röntgenstrahlenschirme, Drähte, Fäden, Elektronen u. dgl. gebracht werden kann.

Das oben beschriebene Verfahren kann beim Schmelzen anderer schwer schmelzender Metalle Benutzung finden, deren Oxyde sich nicht durch Wasserstoff reduzieren lassen, z. B. Thorium, Zirkon u. dgl.; in manchen Fällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Verfahren in einigen Einzelheiten zu modifizieren, um ein geschmolzenes Erzeugnis zu erhalten, das im wesentlichen frei von für die Eigenschaften des Metalls schädlichen Stoffen ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung geschmolzenen reinen Urans, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem oxydfreien Salz des Urans, z. B. Kaliumuranfluorid, ausgeht und es durch Erhitzen im Vakuum mit einem Reduziermittel vergleichsweise niederen Siedepunktes, beispielsweise Magnesium, reduziert, um einen etwaigen Überschuß des Reduktionsmittels durch Verflüchtigung vollkommen entfernen zu können.

2. Verfahren zur Herstellung von Uran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Uransalz, z. B. Uranacetat, mit Kalium- oder Natriumfluorid, Fluorwasserstoffsäure und Ameisensäure behandelt wird, daß ferner das Gemisch der Einwirkung von Licht oder von ultravioletten Strahlen ausgesetzt und der Niederschlag mit Natrium- oder Kaliumchloriden oder -fluoriden zwecks Entfernung des Kristallwassers geschmolzen wird, worauf das erhaltene oxydfreie Kalium- oder Natriumuranfiuorid im Vakuum mit einem Reduziermittel im Sinne von Anspruch 1 zwecks Erhaltung reinen Urans erhitzt wird.

3. Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Uran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Uranmetall, das nach Maßgabe des Anspruches ι und 2 erhalten wird, in Klotz- oder Blockform gepreßt und zur Erzielung geschmolzenen Urans im hohen Vakuum erhitzt wird.