DE69500881T3 - Oxidation von uranhexafluorid - Google Patents

Description

• Rund um die Welt gibt es ein steigendes Interesse an dem "Integrated Dry Route" (IDR)-Dörrverfahren der Anmelderin zur Umwandlung von UF&sub6; in UO&sub2;. Elemente des Prozesses sind Gegenstand der älteren Patente GB-1 341 379 und GB-2 064 503. Verbraucher in zehn Ländern ziehen ihren Nutzen bereits aus der lizenzierten Anwendung des IDR-Verfahrens, wobei seine Zuverlässigkeit und seine Leistungsfähigkeit, mehrere unterschiedliche nukleare Brennstofftypen zu erzeugen, gut bekannt sind. Seit seiner Einführung 1969 an dem Springfields-Sitz der Anmelderin wurde das IDR-Verfahren für die Herstellung von Brennstoff, zum Gebrauch in Leichtwasserreaktoren (LWR), Schwerwasserreaktoren (HWR) und in fortgeschrittenen gasgekühlten Reaktoren (AGR) benutzt.
• Was das IDR-Verfahren bemerkenswert macht, ist, daß es Uranhexafluorid in keramisches Urandioxid in nur einem Reaktionsgefäß umwandelt. Dies steht im Kontrast zu anderen nassen oder trockenen Wegen, die bis zu sechs unterschiedliche Verfahrensschritte in unterschiedlichen Gefäßen benötigen, um das gleiche Resultat zu erreichen. Folglich ist das IDR-Verfahren der Anmelderin der unmittelbarste und ökonomischste Umwandlungsweg.
• Hinzu kommt, daß das IDR-Verfahren sehr vielseitig ist. Es produziert ein äußerst reines Urandioxidpuder, welches eingesetzt werden kann, um die besonderen Pellet-Erfordernisse der unterschiedlichen Brennstofftypen, die von unterschiedlichen nuklearen Reaktorsystemen benötigt werden, zu erfüllen. Das Puder kann in Brennstoffen eingesetzt werden, die mit oder ohne Addition von Bindemitteln gemacht werden, wobei die Anmelderin auch Porenformer für das Puder entwickelt hat, welches die Einführung einer kontrollierten Porösität in gesinterte Pellets ermöglicht und die Fähigkeit, die gesinterte Dichte der hergestellten Pellets exakt zu steuern.
• Das trockene IDR-Verfahren erzeugt minimale Ausflüsse. Dementsprechend ist das IDR-Verfahren bestens in der Lage, den strenger werdenden Austragungsbegrenzungen Rechnung zu tragen und es ist besonders geeignet, um mit rückgewonnenem Uran zusainmenzuwirken.
• In dem IDR-Verfahren werden die Gase, die zusammen reagieren sollen, insbesondere UF&sub6; und trockener Dampf, zusammen als eine Aerosolwolke oder -fahne in ein Reaktionsgefäß eingespritzt, wie dies beispielsweise in der GB-2 135 058-B der Anmelderin beschrieben ist. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, den Produktdurchgang des UF&sub6;-Oxidationsverfahrens, das in dem IDR-Verfahren benutzt wird, bei Aufrechterhaltung der Produktqualität zu verbessern.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Oxidation von Uranhexafluorid vorgesehen durch das Einspritzen von Uranfluorid und einem oxidierenden Gas zusammen in ein Reaktionsgefäß, um eine Art Rauchfahne zu bilden, welches sich dadurch auszeichnet, daß eine Mehrzahl dieser Rauchfahnen zusammen in dem gleichen Gefäß gebildet wird, wobei jede der genannten Rauchfahnen durch Einspritzung in das Reaktionsgefäß von Uranfluorid und oxidiertem Gas gebildet wird, wobei die Rauchfahnen zu einem zirkulierenden, produktbildenden Strom in dem Gefäß beitragen.
• Das Verfahren kann die simultane Erzeugung von drei oder mehr Fahnen umfassen, die zur Reaktion zwischen den Gasen in dem Reaktionsgefäß beitragen.
• Das oxidierende Gas kann Dampf umfassen.
• Das Verfahren kann ein solches sein, in dem das Produkt als ein Feststoffpartikel wie im Stand der Technik gebildet wird. Die Produktpartikel können unmittelbar als dendritische Partikel gebildet werden, die in dem Reaktionsgefäß rezirkuliert werden können, um das Keimen, das Wachsen, das Ansintern und Anhäufen von den benötigten Produktartikeln voranzutreiben, wobei die Rauchfahnen dabei zum Produktbildungsprozeß im Gefäß beitragen.
• Das Reaktionsgefäß kann eine Einfassung aufweisen, die einen Bereich größeren Volumens schafft, der den Rezirkulationsprozeß vereinfacht. Ein solcher Bereich ist für sich gesehen im Stand der Technik bekannt, wie in dem IDR-Verfahren, das vorgesehen wird durch einen sogenannten Entladungstrichter.
• Ein Drehmechanismus, wie beispielsweise eine Schneckenstruktur, ebenfalls für sich gesehen im Stand der Technik bekannt, kann im Reaktionsgefäß angewendet werden, um ebenfalls den Rezirkulationsprozeß zu unterstützen, ebenso wie die Förderung der Produktpartikel zum Auslaß des Reaktionsgefäßes.
• Wo das Reaktionsgefäß eine Einfassung aufweist, die einen Bereich größeren Volumens schafft, kann wenigstens eine der erwähnten Rauchfahnen in diesem Bereich eingesetzt werden. Eine andere der Rauchfahnen kann in einem Teil des Reaktionsgefäßes eingesetzt werden, der im wesentlichen gleich ist mit dem Auslaßbereich für das Reaktionsprodukt. Die genannten Rauchfahnen können durch zwei Reaktionsgase UF&sub6; und H&sub2;O gebildet werden, wobei ein oder mehrere weitere Gase an der Reaktion teilnehmen können. Die Gase, die jede Fahne ausbilden, können über eine Düse zugeführt werden.
• Dort wo die Rauchfahnen von zwei Gasen gebildet werden, werden eine oder mehr von ihnen durch koaxiale, rohrförmige Düsen oder Austrittsöffnungen gebildet. Eines der Reaktionsgase kann über einen inneren Kanal jedes der Düsen zugeführt werden und das andere der Reaktionsgase entlang eines äußeren Kanales jeder dieser Düsen. Alternativ kann eine oder mehrere dieser Rauchfahnen durch eine Vielfachdüse, die Gaszuführungsrohre aufweist, welche Seite an Seite oder eine über der anderen sich befinden, gebildet werden.
• Der Feststoff, der durch das Verfahren nach der Erfindung erzeugt wird, kann durch eine andere Reaktionskammer hindurchgeführt werden, die Teil desselben Gefäßes oder eines separaten Gefäßes sein kann.
• Die Gase des Verfahrens, UF&sub6; und Dampf, wie im bekannten IDR-Verfahren, reagieren miteinander, um Uranylfluorid zu UO&sub2;F&sub2; zu ergeben, welches ein Vorläufer des UO&sub2;-Pulvers ist, ein Produkt, das allgemein in der Produktion von keramischen, radioaktiven Brennstoffpellets gebraucht wird.
• Das Produkt der genannten Rauchfahnen kann in Richtung auf einen Auslaßbereich des Reaktionsgefäßes geführt werden. An einem solchen Auslaßbereich kann UO&sub2;F&sub2; entfernt werden und mit Dampf und/oder Wasserstoff in einer rotierenden Schnecke bei höheren Temperaturen reagieren als in dem Reaktionsgefäß, um UO&sub2; zu produzieren, wie hier beim Stand der Technik. Die Temperaturen in dem Reaktionsgefäß und in der rotierenden Schnecke können ähnlich sein demjenigen, wie sie im Stand der Technik angewandt werden, insbesondere von 150ºC bis 250ºC im Gefäß und von 500ºC bis 800ºC in der Schnecke.
• Es wurde herausgefunden, daß wenigstens zwei Rauchfahnen in dem IDR-Verfahren eingesetzt werden können durch die Rezirkulation von UO&sub2;F&sub2;-Partikeln, die in jeder Fahne hergestellt wurden, derart, daß das Keimen und Wachsen der Produktpartikel ausreichend erreichbar ist. Vorteilhafterweise und überraschenderweise kann der UO&sub2;F&sub2;-Produktdurchsatz auf einfache und effektvolle Art und Weise gesteigert werden während der wesentlichen Aufrechterhaltung der Produktqualität.
• Einrichtungen mit duellierenden Strahlgasreaktionen sind im Stand der Technik bekannt, aber für unterschiedliche Zwecke, z. B. beschreibt die EP-54530 eine Einrichtung, in der das SiF&sub4; zu SiO&sub2; oxidiert wird. In dem dortigen Falle verbrennt Brennstoff in einer Düsenflamme, wobei der Gebrauch von zwei Düsen die Temperatur der Reaktionen steuert. Dort gibt es keine Zirkulation wie bei der vorliegenden Erfindung.
• In der vorliegenden Erfindung trägt die Vielzahl von Rauchfahnen, die die Reaktantgase einbringen, in einen zirkulierenden produktherstellenden Strom zum Zirkulierungsprozeß und der Morphologie der Produktpartikel bei. Die Partikel, die durch die Reaktion der Reaktantgase aus jedem der beteiligten Rauchfahnen gebildet werden, fördern das Keimen und Wachsen der Partikel aus den Reaktantgasen von der anderen Rauchfahne oder den anderen Fahnen bzw. Wolken. Die gemeinsame bzw. gegenseitige geometrische Anordnung der Rauchfahnen fördert wie gewünscht die Zirkulation, das gegenseitige Sprießen und den Wachstumsprozeß.
• Vorzugsweise sind die Fahnen in einem schiefen Winkel zueinander aufeinander zugerichtet. Falls gewünscht, ist eine der Fahnen über der anderen angeordnet, wobei sich der genannte Produktauslaß in einem im wesentlichen horizontalen Niveau mit der unteren Fahne befindet.
• Ausgestaltungen der Erfindung werden nach folgend anhand der Beispiele mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen
• Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Vielkammerapparates darstellt, der ein verbessertes IDR-Verfahren zur Konvertierung von Uraniumhexafluorid und Dampf in UO&sub2;F&sub2; darstellt,
• Fig. 2 ist eine Teilbereich-Seitenansicht in einem größeren Maßstab, die ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zeigt.
• Wie in den Figuren dargestellt, umfaßt ein Zweibereichsgefäß 1 eine geneigte, zylinderartige, rotierende Schnecke 2 mit einer Einlaßkammer 3, die einen ersten Bereich des Gefäßes 1 bildet, in welches Uranhexafluorid und trockener Dampf eingespritzt werden.
• Die Schnecke 2 und die Kammer 3 sind mit einem Element 11 miteinander verbunden, welches einen Auslaßbereich für die Produkte bildet, die in der Kammer 3 hergestellt wurden zur Lieferung durch die Schnecke 2.
• Vielfache koaxiale Düsen (zwei sind in Fig. 1 dargestellt) 4a und 4b sind so befestigt, daß sie in die Einlaßkammer 3 weisen. Das UF&sub6; wird zugeführt entlang eines inneren Kanales und trockener Dampf wird zugeführt entlang eines äußeren Kanales jeder Düse 4a und 4b. Rauchfahnen 5a bzw. 5b werden an den Enden der Düsen 4a und 4b innerhalb der Kammer 3 ausgebildet und weisen in Richtung auf den Auslaßbereich (Teil 11). Eine der Düsen 4a ist im wesentlichen auf demselben Niveau wie die Schnecke 2 vorgesehen. Die andere der Düsen 4b ist durch die Wand eines Gehäuses 9 hindurch oder in einem sogenannten Entladungstrichter über der Kammer 3 vorgesehen. Das Gehäuse 9 formt ein Überschußvolumen, um die Rezirkulation der Gase und der darin enthaltenen Partikel zu ermöglichen, um das Entstehen und Wachsen der Partikel in der oben beschriebenen Weise zu unterstützen.
• Die Düse 4b ist gebogen, um die Einpassung der Düse durch die Wand des Gehäuses 9 ebenso zu ermöglichen, wie die Ausrichtung der Rauchfahne 5b, die von der Düse 4b ausgebildet wird in Richtung auf den Auslaßbereich (Teil II).
• Das Uranylfluorid, UO&sub2;F&sub2;, welches in der Einlaßkammer 3 gebildet wird, konvertiert zu Uranoxid durch den Gegenstromfluß von Dampf und/oder Wasserstoff, das in die Schnecke 2 durch einen Einlaß eintritt. Das Uranoxid wird durch eine Auslaßkammer 8 entladen.
• Filter, nicht dargestellt, im Gehäuse 9 oberhalb der Einlaßkammer 3 sind vorgesehen, um Uranylfluorid zu sammeln, welches zurück in die Kammer durch Abgase gefördert wird, die von dem unteren Ende der Schnecke 2 entweichen und das gesammelte Uranylfluorid wird zur zurückblockierenden Einrichtungen verdrängt, die durch die Rauchfahnen 5a und 5b aus Partikeln von Uranylfluorid zum Boden der Einlaßkammer 3 fallen. Dort wird es durch Mittel aufgenommen, die zur Bewegung des Uranylfluorids vorgesehen sind, angeordnet in der Einlaßkammer 3 in einem oberen (Einlaß)-Ende der Schnecke 2 über das Element 11. Dieses Mittel wurde in Fig. 1 weggelassen, aber es ist in Fig. 2 dargestellt. Ein derartiges Mittel umfaßt ein rotierendes Schneckenelement 10, angeordnet in der Einlaßkammer 3, welches einen Teil der Mittel zum Transferieren des UO&sub2;F&sub2;-Produktpartikels bildet in der Einlaßkammer 3 der Schnecke 2. Das Schneckenelement 10 unterstützt auch zusammen mit dem Gehäuse 9 in dem Prozeß der Rezirkulation des UO&sub2;F&sub2;-Produktbildungsstromes alle in einem einzigen Drehsinne, so daß die UO&sub2;F&sub2;-Partikel, die in der Einlaßkammer 3 gebildet werden, um durch und um die Rauchfahnen 5a und 5b herum zu strömen, um ein erfolgreiches Keimen und Wachsen der UO&sub2;F&sub2;-Produktpartikel vor den Produktpartikeln zu erleichtern, die der Schnecke 2 zur Konvertierung in UO&sub2; zugeführt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Oxidation von Uranhexafluorid durch das Einspritzen von Uranfluorid und einem oxidierenden Gas zusammen in ein Reaktionsgefäß, um eine Art Rauchfahne zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl dieser Rauchfahnen zusammen in dem gleichen Gefäß gebildet wird, wobei jede der genannten Rauchfahnen durch Einspritzung in das Reaktionsgefäß von Uranfluorid und oxidierendem Gas gebildet wird, wobei die Rauchfahnen zu einem zirkulierenden, produktbildenden Strom in dem Gefäß beitragen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Produkt ein Feststoffpartikel ist, welcher initial als dendritische Partikel gebildet und dann in dem Reaktionsgefäß rezirkuliert wird, wobei die Art Rauchfahnen zur Partikelentstehung und zum Partikelwachsen beitragen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Rotiermechanismus im Reaktionsgefäß verwendet wird, in dem die Flocken gebildet werden, um den Rezirkulationsprozeß zu unterstützen.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Reaktionsgefäß eine Einfassung aufweist, die einen Bereich von größerem Volumen schafft, um die Rezirkulation zu erleichtern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem wenigstens eine der erwähnten Art Rauchfahnen in dieser Einfassung eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Rauchfahnen durch das Kombinieren einer Vielzahl von koaxialen Gaseinlässen in einer Vielfacheinlaßdüse gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem wenigstens eine der Rauchfahnen durch das Kombinieren einer Vielzahl von Gaseinlässen, die Seite an Seite oder eine über der anderen in einer Vielfacheinlaßdüse angeordnet sind, gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die umzuwandelnden Gase Uranhexafluorid und Dampf aufweisen, die zusammen reagieren, um Partikel von Uranylfluorid, UO&sub2;F&sub2; zu bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei den das UO&sub2;F&sub2; einem Rotationsofen zugeführt wird, in dem es weiter zu UO&sub2; oxidiert wird.