JP2012526037A - フッ素抽出システムおよび関連するプロセス - Google Patents

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Abstract

ウラン濃縮方法の副生成物を、産業規模において効率的および費用効果的にフッ素を製造するためのフッ素源として用いる方法の提供。ウランフッ化物(Uxy、式中xおよびyは整数である)および酸化剤を含む混合物を反応容器中に装填する工程であって、反応容器は、閉じた底部セクションと、該底部セクションと離隔した開口部とを有する工程と;反応容器中で、ウランフッ化物および酸化剤を含む混合物を加熱して、少なくとも1種のウラン酸化物と非放射性気体生成物とを形成する工程と、反応容器内の混合物の深さを制御して、非放射性気体生成物の所望される反応収率および/または反応速度を実現する工程とを含むフッ素抽出方法。

Description

本発明は、概して、フッ素抽出システムおよび関連するプロセスを指向する。
フッ素は、全ての化学元素の中で最も電気的に陰性である化学元素である。この特性によって、フッ素は多くの独特の用途を有する。たとえば、フッ素は、プロセッサ、記憶デバイス、および/または他のマイクロエレクトロニクスデバイスを製造するための半導体ウェーハのプラズマエッチングにおいて用いられている。別の例においては、フッ素の化合物(たとえば、フルオロポリマー、フッ化カリウム、および氷晶石)は、それらの異常に低い屈折率によって、反射防止コーティングおよびダイクロイックミラーにおいて用いられている。
フッ素の産業的製造技術は、典型的には、フッ化カリウム(KF)存在下におけるフッ化水素(HF)の電気分解を含む。電気分解に必要なフッ化水素は、典型的には、相当量のフッ化カルシウム(たとえば、カルシウム蛍石、CaF2)を有するリン酸塩含有鉱物から得られる。硫酸(H2SO4)による処理の際に、リン酸塩含有鉱物は、以下のようにフッ化水素を放出する。
CaF2+H2SO4 → 2HF+CaSO4
しかしながら、このフッ素製造方法はエネルギー集約的である。なぜなら、電気分解は稼働時に大量のエネルギーを必要とするからである。また、前述のプロセスは、鉱物抽出の絶え間ない必要性のために、高い稼働コストを有する恐れがある。
フッ素は、ウラン濃縮プロセスの副生成物として得ることもできる。自然界において、ウランは、約99.284%の238U、約0.711%の235U、および約0.0058%の234Uとして存在する。235Uは核分裂の燃料として使用できるが、他の同位体238Uおよび234Uは核分裂の燃料として使用できない。よって、核分裂を支持するのに十分な濃度の235Uを有するために、ウラン含有鉱物を最初に濃縮しなければならない。ウラン濃縮プロセスの共通の副生成物は劣化ウランのヘキサフルオリド(238UF6234UF6)を含む。劣化ウランのヘキサフルオリドは放射性かつ有害な化合物であり、典型的には多額の費用をかけて保存される。したがって、このフッ素源を産業規模において効率的および費用効果的にフッ素を製造するために用いることは、望ましいであろう。
開示される実施形態によるフッ素抽出システムの概略図である。 開示される実施形態による図1のフッ素抽出システムに適当な反応容器を示す図である
以下に、フッ素抽出システムおよび関連するプロセスの種々の実施形態を記載する。用語「酸化剤」は、一般的に、少なくとも1つのフッ素原子と組み合わせられることによって還元されることが可能な化合物を意味する。特定の実施形態において、酸化剤は、元素状形態にあることができる。たとえば、酸化剤は、元素状形態のケイ素(Si)を含むことができる。別の実施形態においては、酸化剤は、化合した形態であることができる。たとえば、酸化剤は、酸化ゲルマニウム(GeO)、二酸化ゲルマニウム(GeO2)、酸化ケイ素(SiO2)、三酸化ヒ素(As23)、酸化チタン(TiO)、三酸化ホウ素(B23)、および/または少なくとも1つのフッ素原子と化合することができる他の化合物を含む。また、当業者は、本明細書の開示内容がさらなる実施形態を含んでもよいこと、ならびに、図1および図2と関連して以下に記載される実施形態の詳細のいくつかを伴わずに本明細書の開示内容を実施してもよいことを理解するであろう。
図1は、本明細書の開示内容に従うフッ素抽出システム100の概略図である。図1に示されるように、フッ素抽出システム100は、直列的に接続された、キャリアガス貯蔵器102、反応器104、および生成物分離器106を含むことができる。任意選択的に、フッ素抽出システム100は、制御バルブ107を介して反応器104に接続される酸素貯蔵器105を同様に含むことができる。フッ素抽出システム100の特定の構成要素のみが図1に示されているが、別の実施形態において、フッ素抽出システム100は、バルブ、アクチュエーター、ポンプ、圧縮機、および/または他の適当なデバイスを同様に含むことができる。
反応器104は、反応チャンバー108と、反応チャンバー108内に配置される反応容器110と、少なくとも反応チャンバー108に隣接するヒーター112とを含むことができる。反応チャンバー108は、排出口116と離隔された注入口114と、注入口114および排出口116の間の反応器本体118とを含むことができる。反応チャンバー108は、少なくともその一方の面がニッケル、フルオロポリマー類および/または他の適当なフッ素抵抗性材料で被覆された実質的に剛直な材料(たとえば、316Lステンレス鋼)で構築することができる。例示された実施形態において、反応器本体118は、注入口114および排出口116の間に延びる概円筒形を有するものとして示されている。別の実施形態において、反応器本体118は別の適当な形状および構成を同様に有することができる。
反応容器110の上方にヘッドスペース120が形成されるように、反応容器110を反応チャンバー108の内部に配置することができる。反応容器110は、固体および/または液体形態の反応剤または反応剤の混合物を保持できるように設計された容器を含むことができる。特定の実施形態において、図2を参照して以下に詳細を記載するように、反応容器110は閉底面(closed bottom)111を有する容器を含み、閉底面111はヘッドスペース120に対する開口部113に面している。別の実施形態において、反応容器は、他の適当な構成を有することができる。例示された実施形態において、反応容器110は、反応チャンバー108の反応器本体118の上に直接載置されている。別の実施形態において、反応容器110は、反応容器110を反応チャンバー108中に支持するための、ポール、プレート、および/または他の適当な構造要素を同様に含むことができる。
ヒーター112は、反応チャンバー108に熱エネルギーを供給するための、電気炉、マイクロ波放射器、および/または他の適当な種類のヒーターを含むことができる。例示された実施形態において、ヒーター112は、反応チャンバー108から離隔しているように示されている。別の実施形態において、ヒーター112は、反応チャンバー108を少なくとも部分的に取り囲んでもよい。さらなる実施形態において、ヒーター112は、反応チャンバー108中に組みこまれていてもよい。
生成物分離器106は、所望される沸点または所望される範囲の沸点を有する気体状生成物を収集するように設計されてもよい。図1に示されるように、生成物分離器106は、冷却浴128によって少なくとも部分的に取り囲まれた収集器容器121を含むことができる。収集器容器121は、収集器注入口122、収集器排出口124、および収集器注入口122に接続されたディップチューブ126を含むことができる。例示された実施形態において、冷却浴128は、冷却剤132(たとえば、ドライアイス、水、氷、液体窒素、および/または所望される冷却温度を有する他の冷却剤)を収容するように設計されたチラー浴130を含む。別の実施形態において、チラー浴130を省略して、収集器容器121を空冷してもよい。さらなる実施形態において、生成物分離器106は、図1に示される要素に代えて、または図1に示される要素に加えて、蒸留塔、吸着容器、および/または他の適当な分離部品を含むことができる。
図2は、本明細書の開示内容の実施形態に従う図1のフッ素抽出システム100に適当な反応容器110である。図2に示されるように、反応容器110は、エンドキャップ119(第1エンドキャップ119aおよび第2エンドキャップ119bとして別個に識別される)に対して、溶接、接着、締付、および/または他の方法で取り付けられた本体部117を含む。例示された実施形態において、本体部117は縦軸Rに沿って延びる該半円断面を有するハーフパイプの部分を含み、エンドキャップ119は、半円形の板を含む。本体部117およびエンドキャップ119の少なくとも内側を、ニッケル膜で覆うことができる。別の実施形態において、本体部117は、矩形、楕円形、台形、および/または他の適当な断面形状および配置を同様に有することができる。本体部117および/またはエンドキャップ119は、ステンレス鋼(たとえば、316L)、ニッケル、および/または他の適当な材料で構築することができる。
図1および図2の両方を参照して、フッ素抽出システム100の特定の実施形態を用いて、少なくとも1種のウランフッ化物を酸化剤と反応させることによって、非放射性のフッ素含有化合物を形成することができる。稼働時には、オペレーターは、最初に、反応容器110内に反応剤および/または反応剤の混合物115を装填する。特定の実施形態において、反応剤の混合物115は、少なくとも1種のウランフッ化物と、化学量論量および/または他の適当な比率の酸化剤とを含むことができる。ウランフッ化物は、四フッ化ウラン(UF4)、六フッ化ウラン(UF6)、オキシフッ化ウラン(UO22)および/または他の適当なウランフッ化物を含むことができる。酸化剤は、酸化ゲルマニウム(GeO)、二酸化ゲルマニウム(GeO2)、ケイ素(Si)、二酸化ケイ素(SiO2)、ヒ素酸化物(たとえば、As23またはAs25)、アンチモン酸化物(たとえば、Sb23、Sb24、およびSb25)、チタン酸化物(TiO、TiO2、Ti23、Ti35、およびTi47)、ホウ素酸化物(たとえばB23、B2O、およびB6O)、および/または他の適当な金属酸化物を含む。別の実施形態において、反応剤の混合物115は、追加および/または異種の化合物を同様に含むことができる。
反応容器110内に反応剤の混合物115の装填し、所望される反応収率に基づいて深さDを調整した後に、オペレーターは、反応チャンバー108内に反応容器110を配置することができる。ついで、オペレーターは、ヘッドスペース120を(たとえば真空ポンプを用いて)排気し、反応チャンバー108内をキャリアガス貯蔵器102からのキャリアガス(たとえば、アルゴン、窒素、ヘリウムなど)でパージすることができる。反応チャンバー108内に所望される雰囲気が実現された後に、オペレーターは、ヒーター112に電圧を加えて、所望される温度が実現するまで、反応容器110内の反応剤の混合物115に対してエネルギーを供給する。
理論によって拘束されるものではないが、ウラン酸化物および酸化剤を有する反応剤の混合物が反応して、少なくとも1種のウラン酸化物および非放射性のフッ素含有化合物が形成されると信じられる。たとえば、1つの実施形態において、四フッ化ウラン(UF4)および二酸化ゲルマニウム(GeO2)を含有する反応剤の混合物115は、以下に示すように反応することができる。
3UF4+3GeO2+O2 → U38+3GeF4
別の例においては、オキシフッ化ウラン(UO22)および二酸化ゲルマニウム(GeO2)を含有する反応剤の混合物115は、以下に示すように反応することができる。
2UO22+GeO2 → 2UO2+GeF4
さらに別の例においては、四フッ化ウラン(UF4)および二酸化ケイ素(SiO2)を含有する反応剤の混合物115は、以下に示すように反応することができる。
3UF4+SiO2+O2 → U38+3SiF4
さらに別の例においては、ウランフッ化物を含有する反応剤の混合物115は他の適当な酸化剤と反応して、少なくとも1種のウラン酸化物と非放射性のフッ素含有化合物とを生成することができる。
任意選択的に、反応中に、オペレーターは酸素貯蔵器105から反応チャンバー108内に酸素(O2)を導入することができる。本発明者は、反応剤の混合物115の深さDに加えて、導入される酸素の流速が、反応速度および/または反応収率に影響する可能性があることを認識している。よって、特定の実施形態において、オペレーターは、制御バルブ107を調節することによって、反応チャンバー108中への酸素の流速を所望される反応収率に基づいて制御することができる。別の実施形態において、オペレーターは、別のパラメーターに基づいて、オリフィス板、ベンチュリ、および/または他の適当な流動部品を用いることによって、酸素の流れを同様に制御できる。
キャリアガス、任意選択的に導入される酸素、および気体状の非放射性のフッ素含有化合物を含む生成物ガスは、反応器104から生成物分離器106へと流動する。そして、生成物分離器106は、たとえば、非放射性のフッ素含有化合物を収集器容器121内の凝縮物として凝縮させることによって、非放射性のフッ素含有化合物を収集することができる。別の実施形態において、多数の収集器容器(不図示)を用いて、生成物ガスを多数の流れへと分別してもよい。
図2に示されるように、反応剤の混合物115は、反応容器内の深さDを有し、深さDは反応容器110の閉平面111を基準とする。本発明者は、反応容器110内の反応剤の混合物115の深さDを制御して、反応剤間の反応の所望される収率に影響を与えることができることを認識した。具体的には、以下に示すように、反応剤の混合物の深さを減少させて具体的な数値範囲(たとえば、約0.25インチ(0.64cm))を有するようにすることによって、予期しない驚くほど高い効率の改善が得られることが見いだされた。その結果、オペレーターは、所望される反応収率に基づいて、反応容器110への反応剤の混合物115の装填の際の当該混合物の深さDを制御してもよい。
図1のフッ素抽出システム100と概して類似の構成および機能を有するフッ素抽出システムにおける試験を実施した。四フッ化ウラン(UF4)および二酸化ゲルマニウム(GeO2)の混合物を、ヘリウム(He)および酸素(O2)を含有するパージガスを用いて、フッ素抽出システム中で華氏約1600度(約871℃)まで加熱し、反応させた。気体状反応生成物を収集器容器中に収集し、および固体残渣を反応容器中に観察した。収集した気体状反応生成物および固体残渣の分析は、以下の反応収率データを与えた。
Figure 2012526037
前述の表において、効率は、100%転化を仮定し、分析により得られる実際の収率を理論収率で除算したものとして定義される。パラメータ「Δ効率/Δベッド深さ」は、ベッド深さの変化1インチ(約2.5cm)当たりのパーセント変化として計算される。
前述の表に示されるように、1.50インチ(約3.8cm)から約0.50インチ(約1.3cm)まで、ベッド深さ当たりの効率変化は、比較的に変化しないままであった。しかしながら、ベッド深さを0.50インチ(約1.3cm)から0.25インチ(約0.64cm)まで減少させると、ベッド深さ当たりの効率の変化(Δ効率/Δベッド深さで表わされる)は、約6.8倍の改善を示した。理論に拘束されるものではないが、このような驚くべき効率の改善は、反応容器100の開口部113を横断して流れる酸素と、反応容器110内の反応剤の混合物115との接触が改善された結果であると信じられる。反応剤の混合物115のより小さい深さDは、酸素が反応容器110内の反応剤の混合物115中へより深く浸透することを可能にするであろうと信じられる。そして、その結果として、ウラン酸化物と酸化剤との間の反応効率を改善すると信じられる。
前述のことから、本明細書の開示内容の具体的な実施形態は例示の目的のために本明細書に記載されたものであり、開示内容から逸脱することなしに種々の変形を行うことができることが理解できるであろう。たとえば、1つの実施形態の多くの要素を、他の実施形態の要素に加えて、または他の実施形態の要素に代えて、他の実施形態と組み合わせることができる。したがって、本明細書の開示内容は、添付の特許請求の範囲以外のもので限定されるものではない。
100 フッ素抽出システム
102 キャリアガス貯蔵器
104 反応器
105 酸素貯蔵器
106 生成物分離器
107 制御バルブ
108 反応チャンバー
110 反応容器
111 閉底面
112 ヒーター
113 開口部
114 注入口
115 反応剤の混合物
116 排出口
117 本体部
118 反応器本体
119 エンドキャップ
120 ヘッドスペース
121 収集器容器
122 収集器注入口
124 収集器排出口
126 ディップチューブ
128 冷却浴
130 チラー浴
132 冷却剤

Claims (16)

  1. ウランフッ化物(Uxy、式中xおよびyは整数である)および酸化剤を含む混合物を反応容器中に装填する工程であって、該反応容器は、閉底部セクションと、該閉底部セクションと離隔した開口部とを有する工程と、
    該反応容器中で、ウランフッ化物および酸化剤を含む前記混合物を加熱する工程と、
    加熱された混合物から、少なくとも1種のウラン酸化物と非放射性気体生成物とを形成する工程と、
    該反応容器内の前記混合物の深さを制御して、該非放射性気体生成物の所望される反応収率および/または該非放射性気体生成物の所望される反応速度を実現する工程と
    を含むことを特徴とするフッ素抽出方法。
  2. 前記混合物が装填された該反応容器の開口部を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含み、
    前記ウランフッ化物および酸化剤を含む混合物を装填する工程は、該半円形断面を有する反応容器内に四フッ化ウラン(UF4)および二酸化ゲルマニウム(GeO2)を含有する混合物を装填することを含み、
    該混合物を加熱する工程は、該反応容器の開口部を横断して前記酸素(O2)を含有するガスを流しながら、該反応容器内の前記四フッ化ウラン(UF4)および二酸化ゲルマニウム(GeO2)を含有する混合物を加熱して、下記
    3UF4+3GeO2+O2 → U38+3GeF4
    のように四フッ化ウランを二酸化ゲルマニウムと反応させることを含み、
    該反応容器内の前記混合物の深さを制御する工程は、少なくとも90%の反応収率を実現するように該反応容器内の前記混合物の深さおよび前記酸素(O2)を含有するガスの流速を制御することを含み、前記深さは、該反応容器の該半円形断面の底部から0.25インチ(約0.64cm)以下である
    ことを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  3. 前記混合物が装填された該反応容器の開口部を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  4. 該反応容器内の前記混合物の表面を横断して、前記混合物の表面に概平行な方向に、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  5. 該反応容器内の前記混合物の表面を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含み、
    前記混合物の深さを制御する工程は、該反応容器内の前記混合物の深さを制御して、該非放射性気体生成物の所望される反応収率および/または該非放射性気体生成物の所望される反応速度を実現する
    ことを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  6. 前記混合物の深さを制御する工程は、該非放射性気体生成物中の少なくとも90%の四フッ化ゲルマニウムという所望される反応収率を実現するように前記混合物の深さを制御することを含むことを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  7. 前記混合物の深さを制御する工程は、該非放射性気体生成物中の少なくとも90%の四フッ化ゲルマニウムという所望される反応収率を実現するように前記混合物の深さを制御することを含み、前記深さは、該反応容器の該半円形断面の底部から0.25インチ(約0.64cm)以下であることを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  8. 四フッ化ウラン(UF4)およびフッ素抽出剤を含む混合物を反応容器中に装填する工程であって、前記フッ素抽出剤は、酸化ゲルマニウム(GeO)、二酸化ゲルマニウム(GeO2)、ケイ素(Si)、三酸化ホウ素(B23)および二酸化ケイ素(SiO2)の少なくとも1種を含有する工程と、
    前記フッ素抽出剤を用いて前記混合物中の四フッ化ウラン(UF4)からフッ素を抽出して、加熱された混合物から気体生成物を生成させる工程であって、前記気体生成物はウランの化合物を含まない工程と、
    前記気体生成物の所望される反応収率および/または前記気体生成物の所望される反応速度に基づいて、前記反応容器内の前記混合物の深さを選択する工程と
    を含むことを特徴とする、ウランフッ化物からフッ素を抽出する方法。
  9. 前記反応容器内に装填された前記混合物の露出表面を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
  10. 前記反応容器内に装填された前記混合物の露出表面を横断して、前記混合物の露出表面に概平行な方向に、酸素(O2)を含有するガスを流す工程をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
  11. 前記反応容器内に装填された前記混合物の露出表面を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程と、
    前記酸素(O2)を含有するガスの流速を制御して、前記気体生成物の所望される反応収率を実現する工程と
    をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
  12. 前記混合物の深さを選択する工程は、前記深さが、前記反応容器の半円形断面の底部から0.25インチ(約0.64cm)以下であるように選択することを特徴とする請求項1に記載のフッ素抽出方法。
  13. 四フッ化ウラン(UF4)および六フッ化ウラン(UF6)の少なくも1種と、フッ素抽出剤とを含む混合物を反応容器中に装填する工程であって、前記フッ素抽出剤は、酸化ゲルマニウム(GeO)、二酸化ゲルマニウム(GeO2)、ケイ素(Si)、三酸化ホウ素(B23)および二酸化ケイ素(SiO2)の少なくとも1種を含有する工程と、
    前記反応容器に装填された前記混合物の露出表面を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流す工程と、
    前記反応容器に装填された前記混合物の露出表面を横断して、酸素(O2)を含有するガスを流しながら、前記混合物を加熱して気体生成物を生成させる工程であって、前記気体生成物はウランの化合物を含まない工程と、
    前記酸素(O2)を含有するガスの流速を制御して、前記気体生成物の所望される反応収率および/または該気体生成物の所望される反応速度を実現する工程と
    を含むことを特徴とする、ウランフッ化物からフッ素を抽出する方法。
  14. 前記酸素(O2)を含有するガスが、前記反応容器内の前記混合物の深さまで浸透する工程をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
  15. 前記酸素(O2)を含有するガスを流す工程は、前記反応容器内に装填された前記混合物の露出表面を横断して、前記混合物の露出表面に概平行な方向に、酸素(O2)を含有するガスを流すことを含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
  16. 前記混合物を加熱して気体生成物を生成させる工程は、四フッ化ウラン(UF4)を少なくとも1種の二酸化ウランへと変換することを含むことを特徴とする請求項8に記載のフッ素抽出方法。
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