JP2014516315A - 酸化ウラン触媒体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、以下の工程を有する酸化ウラン触媒体の製造方法に関する。ａ）少なくとも５０％の純度のＵＯ2+x粉末（２）（ここで、ｘ≦０．７である。）が第１の焼結プロセスにおいて焼結されてＵＯ2+y中間生成物（１４）（ここで、ｙ≦０．２５である。）となる工程、ｂ）ＵＯ2+y中間生成物（１４）が酸素で酸化されて、Ｕ3Ｏ8-z粉末（１１）（ここで、ｚ≦１である。）に変換される工程、ｃ）Ｕ3Ｏ8-z粉末（１１）が圧縮されて、後の触媒体（１）に対応する形状を有する未加工品（１５）となる工程、及び、ｄ）未加工品（１５）が、第２の焼結プロセスにおいて、酸素を含有する焼結雰囲気中、９００℃以上で焼結される工程。
【選択図】図５

Description

本発明は、活性成分として酸化ウランを含む触媒の製造方法に関する。
酸化ウランは、特許文献１から窺がえるように、例えば一酸化炭素から二酸化炭素へ、イソブテンからアクロレインへ、塩化水素から塩素へ、等の揮発性有機化合物の完全酸化のための、一連の酸化反応のための酸化触媒として使用されている。しばしば、触媒、特に酸化ウラン触媒、は、液状の活性成分を、例えばウラニル二水和物のような前駆体の懸濁液として又は気相中においてＣＶＤ（化学蒸着法）又はＰＶＤ（物理蒸着法）により、担体上に、設けることにより製造される。
ドイツ特許出願公開１０２００７０３３１１４号公報
本発明の課題は、酸化ウラン触媒の代替的な製造方法を提供することにある。
この課題は、請求項１に記載の方法により解決される。この場合、本発明の一般的思想は、酸化ウランから高い開放気孔率を有する焼結体を製造することにある。先ず、例えばＡｌ2Ｏ3からなる、適切な担体を用意し、これに活性成分を加えなければならない公知の製造方法とは異なり、本発明によれば、担体と活性成分とを一体化した触媒が作られる。これにより、製造経費と担体上に活性成分を設ける手間が省ける。これに加えて、ここで用いられるウラン材料は弱放射性なので、例えば余剰若しくは不使用の前駆体懸濁液又は前駆体の製造時に生じる廃棄物の除染に関して、製造経費を高めるような余計な出費をしなくてもよい。
第１の焼結プロセスでは、ＵＯ2+x粉末（ここで、ｘ≦０．７である。）、好適には乾式又は湿式変換法において、ＵＦ6、ＵＯ3、ＵＮ、ＵＮＨ、Ｕ3Ｏ8又はＵＦ4の化学的変換により得られた粉末、が、ＵＯ2+y中間生成物（ここで、ｙ≦０．２５である。）に焼結される（工程ａ）。この場合、ＵＯ2+x粉末は、例えばＡｌ2Ｏ3又はＺｒＯ2等の、金属酸化物の添加なしに使用してもよいが、このような添加物を５０重量％まで含んでもよい。この場合、中間生成物は任意の構造の成形体である。しかし、また、ＵＯ2+x粉末を予め圧縮せずに焼結することも考えられるが、これは製造技術上の理由から実際的でない。好適には、中間生成物は、後の最終製品と同じ形、即ち、完成した触媒体の形、を有するように作られる。中間生成物の未加工品の圧縮及び以下に詳述する触媒体の未加工品の圧縮には、同一の圧縮装置が使用できる。
次の工程ｂ）では、焼結された中間生成物が酸素で処理され、ＵＯ2+yがＵ3Ｏ8-z（ここで、ｚ≦１である。）に酸化される。この場合、中間生成物から、例えば５μｍ〜１０μｍ、典型的には１〜３０μｍ、の範囲の平均粒径を有する細かいＵ3Ｏ8-z粉末が生じ、その焼結活性は、出発ＵＯ2粉末に比べて弱められている。例えば５μｍ〜５００μｍの粒径を有し得る出発ＵＯ2粉末の粉末粒子は、それぞれ例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の微結晶径を有する多数の小さな微結晶から形成されているが、これは比較的大きな焼結活性を意味し、これにより、気孔率の小さい緻密な焼結体の製造が促進される。本発明方法では、第１の焼結プロセス中に、最初に存在した微結晶がより大きな微結晶／粒子に溶融するので、第１の焼結プロセス後のみならず工程ｂ）の酸化後にも、６００倍まで大きい微結晶、即ち、微結晶径が１μｍ−３μｍの微結晶、が生じ、このことは、このようにして作られる焼結体の高い気孔率又は小さい密度の観点から、有利である。しかし、更に重要な効果は、斜方晶の結晶構造を有するＵ3Ｏ8-zの密度が正六面体のＵＯ2+yのそれよりも小さいので、酸化により元のＵＯ2+y粒子の体積の増加が生じ、粒子に多数の亀裂が生じて、より小さな成分に分解されるところにある。これにより、粒子に多数の中空部分が生じる。その結果、第２の焼結プロセスにおいて中空部分は少なくとも部分的に維持され、大きな開放気孔率を有する触媒体が生じる。
従属請求項には上述の方法の有利な発展形態が提示されている。
本発明を添付の図面を参考して詳述する。図はそれぞれ著しく簡略化したものである。
図１は、本発明方法の出発粉末であるＵＯ2+x粉末（ここで、ｘ≦０．７である。）を示す。 図２は、微結晶を有する出発粉末のＵＯ2+x粒子を示す。 図３は、ＵＯ2+x中間生成物又はＵ3Ｏ8-z触媒体の未加工品の製造を示す。 図４は、ＵＯ2+y中間生成物（ここで、ｙ≦０．２５である。）を酸素で酸化する工程を示す。 図５は、ＵＯ2+y粒子から酸化により生じたＵ3Ｏ8-z粒子（ここで、ｚ≦１である。）を示す。
本発明による、例えば円筒状の触媒体１の、製造のために、出発粉末としてＵＯ2粉末２、好適には六フッ化ウラン（ＵＦ6）、三酸化ウラン（ＵＯ3）、硝酸ウラニル（ＵＮ）、硝酸ウラニル六水化物（ＵＮＨ）、八酸化三ウラン（Ｕ3Ｏ8）又は四フッ化ウラン（ＵＦ4）から湿式化学又は乾式化学変換により得られた粉末が使用される。公知の方法は、その中間段階により、例えばＡＵＣ（アンモニウム−炭化ウラニル）法又はＡＤＵ（アンモニウム−二ウラン酸塩）法と呼ばれる。乾式化学変換法では、ＵＦ6が、水及び気相の水素により、直接二酸化ウランに変換される。上述の種類のＵＯ2+x粉末は、通常は、５μｍ〜５００μｍ、しばしば１０μｍ〜１５０μｍの平均粒径を有する粉末粒子３を有する。粉末粒子自体は、約５０ｎｍ〜３００ｎｍの大きさの多数の微結晶４の集合体である。個々のＵＯ2+x粒子３は、従って、言わば種々に方向付けられた多数の微結晶からなる構成体である。
まず第１の方法工程（工程ａ）において、ＵＯ2+x粉末が第１の焼結プロセスで焼結される。好適には、富化されたＵＯ2+xが使用されるが、このものは、原子力発電所の核燃料ペレットの製造中にウラン富化により生じる。ＵＯ2+x粉末２は、例えば円筒状の未加工品５に圧縮され、このものは、円筒状の中空室６を有する鋳型７に充填され、矢印９の方向に鋳型７へ挿入されるピストン８で、典型的には５〜７ｇ／ｃｍ3の密度に、圧縮される（図３）。また、例えば二軸プレスやアイソスタチックプレス等の他の圧縮方法及び対応する他の圧縮度合も利用可能である。ＵＯ2+xの理論密度は、約１１ｇ／ｃｍ3である。未加工品５の焼結は、炉（図示せず）において、ＵＯ2+y（ここで、ｙ≦０．２５である。）が得られるように実施される。これを保証するために、例えばＨ2を含む雰囲気中、１，５００℃〜１，８００℃で又はＣＯ2を含む雰囲気中、１，１００℃〜１，２００℃で焼結される。焼結後に、中間生成物として、例えば円筒状のＵＯ2+y焼結体が生じる。
これに続く方法工程（工程ｂ）において、中間生成物１４が、第１の焼結プロセスで使用された炉とほぼ同じ炉１６において、酸化されてＵ3Ｏ8-z粒子（ここで、ｚ≦１である。）となり、その際、Ｕ3Ｏ8-z粉末１１に崩壊する。中間生成物１４の形は、それ故、問題にならない。中間生成物１４として最終製品である触媒体１と同じ形が選ばれるときには、各未加工品の圧縮には同一の装置（鋳型７、ピストン８）が使用できる。第１の焼結プロセスの効果は、これに続く酸化で得られるＵ3Ｏ8-z粉末がより乏しい焼結活性を示し、これにより、密度が小さく高い気孔率を有する焼結体の製造が促進されることにある。別の効果は、Ｕ3Ｏ8の密度が８．３８ｇ／ｃｍ3でＵＯ2の密度よりも小さいので、ＵＯ2+yから形成されるＵ3Ｏ8-z粒子１０が膨張し、部分的に破片１２に崩壊し、そのなかに亀裂の形の中空部分１３を形成することにある（図５参照）。酸化は、典型的には３００℃〜６００℃の温度で、例えば３時間内で、行なわれる。
次の方法工程（工程ｃ）では、Ｕ3Ｏ8-z粉末１１が、上述のように、典型的には５ｇ／ｃｍ3−６ｇ／ｃｍ3の密度で、後の触媒体１の形に相応する形で、例えば単軸で、未加工品１５に圧縮される。また、例えば二軸プレスやアイソスタチックプレス等の他の圧縮方法及び相応する他の圧縮度合いも利用可能である。触媒体１は、例えば直径７ｍｍ、高さ１０ｍｍの、円筒体である。Ｕ3Ｏ8-z粉末には、圧縮前にプレス補助剤、例えば０．２重量パーセントのポリエチレンワックス、が添加される。プレス補助剤は、また、中間生成物１４の製造時にも使用できる。
上述の方法で得られた未加工品１５は、第２の焼結プロセス（工程ｄ）で焼結され、その際、これは、Ｕ3Ｏ8-z組成範囲が変化しないで残されるような雰囲気内で行なわれる。これを保証する雰囲気は、酸素を含むか又は空気から成り、焼結中、１，０００℃〜１，３００℃の温度が維持される。最後に高い開放気孔率とそれに応じて触媒反応が行なわれる大きな内表面積を有する触媒体１が得られる。
上述のようにして製造されたＵ3Ｏ8-z触媒体１は、約１，０００℃〜１，２００℃までの大気で安定である。還元条件下での使用には、触媒体は、３００℃〜１，０００℃、有利には４００℃〜６００℃の温度で、例えばＨ2、Ｈ2−Ｎ2、Ｈ2−Ａｒ等のＨ2を含む雰囲気中で、還元処理され、Ｕ3Ｏ8-zがＵＯ2に変換される。ＵＯ2は、大気中では、約１２０℃までしか安定でないが、還元条件下では約１，０００℃まで多孔体として安定である。
（例）
上述のようにして製造された円筒状のＵＯ2中間生成物１４は、４５０℃で３時間酸化された。その際に生じたＵ3Ｏ8-z粉末は、０．２％のプレス補助剤（ＰＥワックス）と混合され、５ｇ／ｃｍ3〜５．５ｇ／ｃｍ3の密度で、１ｇの重量の円筒状未加工品１５に圧縮される。未加工品１５は、次いで、炉中で焼結雰囲気としての空気により１時間、１，２８０℃（チャージＡ）又は１，１００℃（チャージＢ）で焼結される。
この場合、以下の特性を有する触媒体１を得ることができた。
Figure 2014516315
開放気孔率は、全気孔率の一部として示されており、その際、全気孔率（容積％）は、全気孔率＝（１−密度／理論密度）×１００で得られる。ＵＯ2の理論密度は、１０．９６ｇ／ｃｍ3、Ｕ3Ｏ8のそれは、８．３８ｇ／ｃｍ3である。
１ 焼結体
２ ＵＯ2+x粉末
３ 粉末粒子
４ 微結晶
５ 円筒状未加工品
６ 中空室
７ 鋳型
８ ピストン
１０ Ｕ3Ｏ8-z粒子
１１ Ｕ3Ｏ8-z粉末
１２ 破片
１３ 中空部分
１４ 中間生成物
１５ 未加工品
１６ 炉

Claims (11)

  1. 下記の工程を有する酸化ウラン触媒体の製造方法。
    ａ）少なくとも５０％の純度のＵＯ2+x粉末（２）（ここで、ｘ≦０．７である。）が第１の焼結プロセスにおいて焼結されてＵＯ2+y中間生成物（１４）（ここで、ｙ≦０．２５である。）となる工程、
    ｂ）ＵＯ2+y中間生成物（１４）が酸素で酸化され、Ｕ3Ｏ8-z粉末（１１）（ここで、ｚ≦１である。）に変換される工程、
    ｃ）Ｕ3Ｏ8-z粉末（１１）が圧縮されて、後の触媒体（１）に対応する形状を有する未加工品（１５）となる工程、及び
    ｄ）未加工品（１５）が、第２の焼結プロセスにおいて、酸素を含有する焼結雰囲気中、９００℃以上で焼結される工程。
  2. 工程ａ）においてＵＦ6、ＵＯ3、ＵＮＨ、Ｕ3Ｏ8又はＵＦ4の変換により得られたＵＯ2+x粉末（２）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 工程ａ）において粉末粒子が５μｍ〜５００μｍの平均粒径を有するＵＯ2+x粉末（２）が使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. １０μｍ〜１５０μｍの平均粒径を有するＵＯ2+x粉末（２）が使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 粉末粒子（３）が３０ｎｍ〜３００ｎｍの平均径を有する微結晶（４）から成るＵＯ2+x粉末（２）が使用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 工程ｂ）によるＵＯ2+y中間生成物（１４）の酸化が３００℃以上の温度で行なわれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 酸化が４００℃〜５００℃で行なわれることを特徴とする請求項６記載の方法。
  8. 触媒体（１）の未加工品（１５）が９００℃〜１，３００℃で焼結されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 工程ｄ）の後に触媒体（１）が還元され、Ｕ3Ｏ8-zがＵＯ2に変換されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 還元が３００℃〜１，０００℃の温度で行なわれることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 還元が４００℃〜６００℃の温度で行なわれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
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