JP2018526307A - 熱的脱硝のための装置及び方法、そのような装置の使用、及びそのような方法を用いて得られた生成物 - Google Patents
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Abstract
本発明は、硝酸ウラニル水和物を三酸化ウランＵＯ３に熱的脱硝する装置（１）に関する。装置（１）は、硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状の三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成されたバーナー（１１４）と、反応槽（１１０）と、を含む。装置はまた、反応槽（１１０）で行われた熱的脱硝の結果生じたガスからＵＯ３粒子を分離するのに適した分離槽（１２０）と、ガスを洗浄するように構成された少なくとも１つのフィルター（１３０）と、を含む。分離槽（１２０）は、その内部に反応槽（１１０）が直接開いているデカンティング槽である。フィルター（１３０）は、３５０℃以上の温度で分離を行うことができる。本発明はまた、このような装置、熱的脱硝方法、及びこのような方法を用いて得られたＵＯ３粒子に関する。
Description
本発明は、粒子の形状を有する三酸化ウランを得るために硝酸ウラニル水和物を熱的脱硝するための設備に関する。
本発明はまた、硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝、特に硝酸ウラニル六水和物の熱的脱硝を行うためのこのような設備の使用に関する。
本発明は最終的に、硝酸ウラニル水和物を三酸化ウランに熱的脱硝するための方法、並びにこの熱的脱硝によって直接得られた粒子の形状を有する三酸化ウランに関する。
硝酸ウラニル六水和物ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏを熱的脱硝して三酸化ウランＵＯ３を得ることは良く知られており、以下の反応：
ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏ → ＵＯ３＋２ＮＯ２＋１／２Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ
に従って作られる。
ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏ → ＵＯ３＋２ＮＯ２＋１／２Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ
に従って作られる。
得られた三酸化ウランＵＯ３は次いで、二酸化ウランＵＯ２に還元され得る。フッ酸での反応によって、この二酸化ウランＵＯ２は次いで、様々な原子力産業方法で主要な役割を果たす四フッ化ウランＵＦ４に変換され得る。
特許文献１（ＷＯ８４／０２１２４Ａ１）で教示されるように、ＵＯ２からＵＦ４へのフッ素添加反応の収率は、二酸化ウランＵＯ２の反応性、故に熱的脱硝の上流で得られる三酸化ウランＵＯ３の反応性に直接関係する。特許文献１では、三酸化ウランＵＯ３のこの反応性はＢＥＴ法で測定して少なくとも１５ｍ２／ｇに等しい値を有するべきその比表面積に直接関連がある、と述べられている。
特許文献２（ＵＳ５６２８０４８）では、三酸化ウランＵＯ３はＢＥＴ比表面積が１２ｍ２／ｇと１５ｍ２／ｇとの間である場合に非常に反応性が高いと考えられる、と確認されている。より詳細に、このような比表面積を有する三酸化ウランを硝酸ウラニル溶液から得るための特許文献２に記載された方法は、接触ゾーンと呼ばれる反応槽のゾーンにおいて、接触ゾーンの所与の軸に沿って微細な液滴にスプレーされた硝酸ウラニル溶液と、接触ゾーンに導入された十分に高温であるガス状流体と、の熱機械的接触を作ることと、接触ゾーンにおいて硝酸ウラニルの脱水及び焼成を行うのに十分な高い機械エネルギーを有することと、から成る。
特許文献２ではさらに、上記方法を実施するのに適した硝酸ウラニルを熱的脱硝するための設備について記載されている。
添付の図１に概略的に示され硝酸ウラニル六水和物の熱的脱硝と関連して説明されるこの設備は、
‐バーナー４と、
‐バーナー４の出口に配置され、硝酸ウラニル六水和物の注入口を含み、硝酸ウラニル六水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽１と、
‐反応槽１で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽８と、
−前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄する（ｓｃｒｕｂ）ように構成されたフィルター１２と、
を含む。
‐バーナー４と、
‐バーナー４の出口に配置され、硝酸ウラニル六水和物の注入口を含み、硝酸ウラニル六水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽１と、
‐反応槽１で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽８と、
−前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄する（ｓｃｒｕｂ）ように構成されたフィルター１２と、
を含む。
特許文献２では、反応槽１は、反応槽１の入口２及び出口３部分に向かって縮小する円錐形状内に各端部が延在する円筒セルによって区切られている。入口２は、パイプ５によって空気が供給されパイプ６によって燃料ガスが供給されるバーナー４に連結される。パイプ７は、反応槽１に硝酸ウラニル六水和物が供給されることを可能にする。反応槽１の出口３は、導管９を通って、サイクロンから成る分離槽８に連結される。
反応槽１で形成されたＵＯ３粒子のうち、少なくとも１５μｍの平均粒子径を有するものは、サイクロン８の底出口に連結された導管１０で回収される。微細粒子と呼ばれるより低い平均粒子径を有する他の粒子は、サイクロン８の上部にあるガス通気孔によって運ばれ、導管１１を通ってバッグフィルターであるフィルター１２に送られる。微細粒子は導管１３で回収される。ほこりのないガスは、フィルター１２の出口に位置するファンにより、導管１４に吸い込まれる。
しかしながら、特許文献２に記載された設備の実施には多数の欠点がある。
これらの欠点のなかで、反応槽１で形成されたＵＯ３粒子を集めるための方法に直接関係するものが幾つかある。
まず、ＵＯ３粒子の収集は、１つの導管ではなく２つの導管、ここでは導管１０及び１３によって行われる。
その一方で、この方法で得られるＵＯ３粒子は５μｍを超えない平均粒子径を有するため、サイクロン８を用いて得られる分離収率は低く、典型的にはほぼ３０％程度であり、ＵＯ３粒子の多くはバッグフィルター１２によって集められ、導管１３で集められる。それ故に、特許文献２に記載された設備の実施は、バッグフィルター１２の永続的な過負荷という結果になる。さらに注目すべきは、バッグフィルター１２に継続的に詰まりを解消する装置が備え付けられた場合であっても過負荷が生じることである。このようなバッグフィルター１２の過負荷は損失水頭を生じさせ、それは核物質を取り扱う設備の場合有害になり得る。実際に、核物質を取り扱う分野に適用される安全ルールは、このような設備が特に前記設備の機器の部品の１つから漏れがあるという仮説下において動的格納容器バリアを成すように、周囲の気圧に対して減圧を保つことを課す。従って、バッグフィルター１２において低い損失水頭を保つことの困難性は、対応する設備の全体の減圧制御に対して影響を有し得る。
さらに、バッグフィルター１２のバッグを作り上げる材料は、ほぼ２００℃程度の使用温度から分解される。脱硝反応温度は３５０℃と５００℃との間で定められることを考えると、新鮮な空気を循環する補足装置によって導管１１で循環するガス流を冷却することが故に必須であり、その流量は典型的にほぼ３００ｋｇ／ｈ程度である。設備の出口で処理されるべきガスの全体の流量が増えること（その流量は導管１４の出口で約４６０ｋｇ／ｈと５００ｋｇ／ｈとの間で定められる）は、装置の部品のサイズが増大しそれによりエネルギー消費が増加することで、熱的脱硝方法の全体のコストにマイナスに影響する。
さらに、それらの収集場所に応じてＵＯ３粒子が非常に異なる形態学的特徴を有することが観察される。
このように、サイクロン８に連結された導管１０で集められたＵＯ３粒子は、２０から２５ｍ２／ｇ程度のＢＥＴ比表面積を有する。これらのＵＯ３粒子は故に、それらの後続の二酸化ウランＵＯ２への、それに次ぐ四フッ化ウランＵＦ４への変換に関して非常に良好な反応性を有する。
バッグフィルター１２に連結された導管１３で集められたＵＯ３粒子は次に、１２ｍ２／ｇよりも低いＢＥＴ比表面積を有する。導管１３で集められたＵＯ３粒子は故に、導管１３で集められたものよりも低いＵＯ２へ、それに次ぐＵＦ４へ変換する反応性を有する。
これらの後続のＵＯ２への、それに次ぐＵＦ４への変換に必要とされる反応性に適合する形態学的特徴を有するＵＯ３粒子を良好な収率で得るための時代遅れと考えられる解決策は、特許文献２に記載された設備の導管１０及び１３でそれぞれ集められたＵＯ３粒子の混合物をもたらすことから成る。従って、典型的に１２ｍ２／ｇと１５ｍ２／ｇとの間である平均ＢＥＴ比表面積を有するＵＯ３粒子の混合物が得られる。
他の欠点は、特許文献２に記載された設備の反応槽１の構造に関係する。実際に、反応槽１の接触ゾーンにおいて熱的脱硝で形成されたＵＯ３粒子は、この槽１の円錐状の低壁上に置かれて浸食を生じさせ、故にこの低壁を長い時間かけて摩耗する。さらに、この反応槽１の下端の円錐形状はＵＯ３粒子の積層を促進させ、故に出口３を詰まらせ、洗浄操作を必要とするが、これらの操作の間は設備を利用できなくなる。
本発明の目的はそれ故に、特許文献の設備の欠点を解消し、硝酸ウラニル水和物を三酸化ウランに熱的脱硝するための設備を提供することであり、それは良好な収率で三酸化ウラン粒子を得ることを可能にし、それは特許文献２に記載された設備の分離槽又はサイクロン８の出口に配置された導管１０で集められた三酸化ウラン粒子と、バッグフィルター１２の出口に配置された導管１３で集められた粒子と、の混合物の形態学的特徴よりも高い形態学的特徴を有する。
相補的に、この設備はまた、特許文献２に記載された設備の実施の間に観察され得る問題の１つ以上を解決することを可能にすべきであり、特にそれらは、
‐バッグフィルター１２の過負荷により観察される損失水頭、
‐反応槽１の低壁の摩耗、あるいは
‐反応槽１の出口１の詰まり、
に関係する。
‐バッグフィルター１２の過負荷により観察される損失水頭、
‐反応槽１の低壁の摩耗、あるいは
‐反応槽１の出口１の詰まり、
に関係する。
本発明による設備はさらに、特にガス流の幾つかを冷却するための補足装置の実施を避けることによって、特許文献２に記載された設備と比べて簡略化された構成を有するべきである。
上記に記載された目的及び他のものはまず、化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物を三酸化ウランＵＯ３に熱的脱硝するための設備によって達成され、
‐バーナーと、
‐バーナーの出口に配置され、硝酸ウラニル水和物の注入口を含む反応槽であって、前記反応槽及びバーナーは硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽と、
‐反応槽で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽と、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するように構成された少なくとも１つのフィルターと、
を含む。
‐バーナーと、
‐バーナーの出口に配置され、硝酸ウラニル水和物の注入口を含む反応槽であって、前記反応槽及びバーナーは硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽と、
‐反応槽で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽と、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するように構成された少なくとも１つのフィルターと、
を含む。
本発明によると、設備の分離槽は沈殿槽であり、その中に反応槽が直接開いており、フィルターは３５０℃よりも高い温度で分離を行うことができる。
当業者の理解に応じて、本文献の上記及び残りにおいて、“沈殿槽”とは、規定された寸法及び体積を有する囲いであり、その中にキャリアガスに含まれる個体粒子のような非混和性混合物が導入され、異なる相を分離するつまりキャリアガスから粒子を分離するために重力効果を使用する、と理解されるべきである。このような沈殿槽において、重力効果の下、大きい及び中間サイズの粒子は下方に落下して沈殿槽の底で回収され、より微細なもの及びキャリアガスはこれらの軌道がフィルターに進み続けることで上部に留まる。
分離槽としての沈殿槽の存在により、硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝によって反応槽で形成されたＵＯ３粒子が反応ガスから特に効果的に分離されることが可能になる。実際に、ＵＯ３粒子の多くが典型的に少なくとも６５％の収率で沈殿槽の出口で集められるが、それは特許文献２に記載された設備のサイクロン８で得られる３０％よりも高い収率である。従って、フィルターの過負荷が避けられ、それにより特許文献２に記載されたバッグフィルターの過負荷によって生じる損失水頭に関連する全ての欠点を解消することができる。
さらに、３５０℃より高い温度で分離を行うことができる１つ以上のフィルターにより、新鮮な空気を循環する補足装置を提供する必要がない。従って、特許文献２に記載された設備とは異なり、装置の部品のサイズの増大及びこれが生じさせ得るエネルギー消費の増加は不可欠ではない。本発明による設備は故に、特許文献２に記載されたものと比べて簡略化された構成を有する。
本文献の上記及び残りにおける“直接開いている”との用語について、反応槽の出口は互いに連結する導管又はパイプなしで分離槽と直接流体連結していると理解されるべきである。このように、反応槽の出口は分離槽に含まれていると考えられ得る。
本発明者らはさらに、予想外にそして驚くべきことに、分離槽の出口で集められたＵＯ３粒子が特許文献２に記載された設備を用いて集められたＵＯ３粒子の混合物よりも高い形態学的特徴を有することを観察した。
特に、そして以下の実験部分において示されるように、これらの粒子は以下の特徴を有し得る：
‐１７ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ比表面積、
‐０．４ｗｔ％以下の水分重量パーセント、及び
‐０．８ｗｔ％以下の硝酸イオンＮＯ３ −の重量パーセント。
‐１７ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ比表面積、
‐０．４ｗｔ％以下の水分重量パーセント、及び
‐０．８ｗｔ％以下の硝酸イオンＮＯ３ −の重量パーセント。
従って、沈殿槽の出口で集められたＵＯ３粒子は、それらの後続の二酸化ウランＵＯ２への、それに次ぐ四フッ化ウランＵＦ４への変換に完全に適合した反応性を有する。
実際に、３５０℃以上、典型的に３５０℃と５００℃との間の温度で行われるろ過により、形成されたＵＯ３粒子の再水和を制限でき、故にそれらの比表面積を著しく改善できる、と考えられる。
分離槽の上部は、粒子から分離された後のガスを放出するフィルターに備え付けられた少なくとも１つのガス出口を含むことができる。
分離槽は、フィルターの方に少なくとも１つのガス出口を含むことができる。
設備はさらに、その垂直寸法がガス出口よりも低い分離槽の沈殿位置において、分離槽内の反応槽の口に存在するガスを偏向するためのガス偏向手段を含むことができる。
このような偏向手段により、分離槽の分離収率を最適化することができる。実際に、ガス及び粒子は、フィルターよりも低い垂直寸法を有する偏向位置上の偏向手段によって偏向されるため、高温ガスによって動かされる最も微細な粒子だけはフィルターに到達してガスから分離されない傾向がある。
このような垂直寸法の違いにより、粒子が沈殿によりガスから分離されて粒子の残りがガス出口に位置するフィルターで詰まらずに回収される粒子サイズ閾値を提供することができる。このように、沈殿槽の出口でのＵＯ３粒子の回収を最適化し、フィルターが詰まるリスクを制限することが可能になる。
本文献の上記及び残りで使用される“垂直寸法”、“高さ”、“下端”のような方向の用語は勿論、操作している又は操作しようとしている設備を意図しており、重力に対するものである。従って、垂直寸法は重力方向に沿った地面に対する距離に相当し、高さは同一の重力方向に沿った寸法であり、下端は地面に最も近い端である。
本文献では、本発明に関し、“分離槽”及び“沈殿槽”の用語は順に、本発明による設備の分離槽を指定するために使用され、故にその意味を修正することなく置き換え可能である。
沈殿位置の垂直寸法は、ガス出口の垂直寸法よりも高さｈの分だけ低くなることができ、分離槽は高さＨを有する。
ｈ／Ｈと知られるｈとＨの比率は、０．１と０．５の間であり得る。
有利には、ｈ／Ｈは０．２と０．３との間であり、好ましくは０．２３と０．２７との間である。
このような比率ｈ／Ｈにおいて、ガスからのＵＯ３粒子の分離収率は最適化される。実際に、０．１あるいは０．２より低い比率ｈ／Ｈでは、ＵＯ３粒子の一部がフィルター内に直接動かされ得る。結果として、分離収率が低下し、フィルターが詰まるリスクが非常に増加する。０．５あるいは０．３より高い比率ｈ／Ｈでは、分離槽の壁における熱応力が著しくなり、それによって分離槽にダメージを生じ得る。
ガス偏向手段は、分離槽において反応槽の部分的な囲いによって提供され得、分離槽内の反応槽の口は沈殿位置を規定する。
このような偏向手段を有する本発明による設備は、特にコンパクトでありながら、その分離槽の高い分離収率を維持する。
ガス偏向手段は反応槽の口をガス出口から分離する偏向壁を含むことができ、前記偏向壁の下端は沈殿位置を規定する。
このような偏向手段を含む本発明による設備は、その分離収率を変えることなく分離槽を維持することを可能にするために特に有利である。実際に分離槽は、分離槽の存在によってアクセスが限定され得るゾーンを有しない。
分離槽の側壁は、垂直線に対して６０°より低い、好ましくは４５°より低い角度を成す壁部分のみを有する。
従って、分離槽の側壁上へのＵＯ３粒子の堆積のリスクは制限される。これらのＵＯ３粒子の分離槽における居留時間はこうして低減され、それに応じて前記粒子の再水和のリスクが減少する。
フィルターは有利には、３００℃以上の温度である環境でのろ過が可能な材料で作られる。フィルターは故に、ワイヤメッシュあるいはセラミック又は焼結金属のキャンドルタイプフィルターなどの材料を含むフィルターであり得る。
フィルターは有利には、焼結金属タイプのフィルターであり得る。
こうして、上記のフィルターの実装により、特許文献２に記載された設備のバッグフィルター１２の耐熱性の問題は、さらに効率的に解消される。
バーナー及び反応槽は、反応槽の出口において、１ｍ／ｓと２ｍ／ｓとの間、有利には１．４ｍ／ｓと１．７ｍ／ｓとの間のガス速度を提供するように構成され得る。
従って、フィルターが詰まるリスクを制限しながら、沈殿槽の出口においてＵＯ３粒子の回収が最適化される。
設備は、焼結金属タイプの少なくとも２つの平行フィルターを含むことができ、設備は好ましくは、焼結金属タイプの４つの平行フィルターを含むことができる。
幾つかの焼結金属タイプのフィルターの使用により、各フィルターの寸法及び重量を低減することができる。それによって、設備のメンテナンス操作が促進される。
本発明は第二に、化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行う設備の使用に関する。
その使用が本発明の主題となる設備は、上記で規定した設備であり、この設備の有利な特徴は単独で又は組み合わせて解釈される。
このような設備の使用により、上述の有利な点の恩恵を受ける。
有利な代替形態では、硝酸ウラニル水和物は化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏの硝酸ウラニル六水和物であり得る。
本発明は第三に、化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物を熱的脱硝するための方法に関する。
本発明によると、本方法は、
‐バーナーを用いて反応槽において硝酸ウラニルを熱的脱硝するステップであって、反応槽は前記バーナーの出口に配置され、それによってＵＯ３粒子がガスとの混合物で得られる、ステップと、
‐その内部に反応槽が直接開いている沈殿槽において作られたガスからこれらのＵＯ３粒子の一部を分離するステップと、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するろ過ステップであって、前記ステップは３５０℃以上の温度で行われる、ステップと、
‐ＵＯ３粒子を回収するステップと、
を含む。
‐バーナーを用いて反応槽において硝酸ウラニルを熱的脱硝するステップであって、反応槽は前記バーナーの出口に配置され、それによってＵＯ３粒子がガスとの混合物で得られる、ステップと、
‐その内部に反応槽が直接開いている沈殿槽において作られたガスからこれらのＵＯ３粒子の一部を分離するステップと、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するろ過ステップであって、前記ステップは３５０℃以上の温度で行われる、ステップと、
‐ＵＯ３粒子を回収するステップと、
を含む。
本発明による方法のおかげで、そして上で示したように、熱的脱硝によって反応槽に形成されたＵＯ３粒子の分離は特に効率的である。
さらに注目されるべきは、これらのステップから成るこのような方法が、それらの後続の二酸化ウランＵＯ２への、それに次ぐ四フッ化ウランＵＦ４への変換に完全に適合された特徴を有するＵＯ３粒子を得ることのみを可能にすることであろう。
本方法はまた、特許文献２に記載されたバッグフィルター１２の過負荷によって生じる損失水頭に関連する全ての欠点を解消することを可能にする。
本発明者らは他方で、予想外にそして驚くべきことに、沈殿槽の出口で集められたＵＯ３粒子が特許文献２に記載された方法を用いて集められたＵＯ３粒子よりもはるかに高い形態学的特徴を有することを観察した。
このような方法は特に、本発明による設備を用いて実施されるように適合される。
ガスからＵＯ３粒子の一部を分離するステップは、以下のサブステップ：
‐熱処理ステップからの粒子及びガスを、ろ過ステップの間に使用されるフィルターのガス出口よりも低い垂直寸法を有する沈殿位置に偏向するステップと、
‐沈殿槽に集められたＵＯ３粒子の一部を沈殿させるステップと、
を含むことができる。
‐熱処理ステップからの粒子及びガスを、ろ過ステップの間に使用されるフィルターのガス出口よりも低い垂直寸法を有する沈殿位置に偏向するステップと、
‐沈殿槽に集められたＵＯ３粒子の一部を沈殿させるステップと、
を含むことができる。
沈殿位置へのこのような粒子の偏向により、沈殿ステップの分離収率を最適化させることができる。
分離ステップの間、熱的脱硝からのガスは、１ｍ／ｓと２ｍ／ｓとの間、有利には１．４ｍ／ｓと１．７ｍ／ｓとの間のガス速度で分離槽に導入され得る。
本発明は第四に、ＵＯ３粒子に関する。
本発明によると、これらの粒子は上記方法によって直接得られ、この方法の有利な特徴はあるいは単独で又は組み合わせて解釈され、ＵＯ３粒子は以下の特徴を有する：
‐１７ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ比表面積、
‐０．４ｗｔ％以下の水分重量パーセント、及び
‐０．８ｗｔ％以下の硝酸イオンＮＯ３ −の重量パーセント。
‐１７ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ比表面積、
‐０．４ｗｔ％以下の水分重量パーセント、及び
‐０．８ｗｔ％以下の硝酸イオンＮＯ３ −の重量パーセント。
このようなＵＯ３粒子は、それらの後続の二酸化ウランＵＯ２への、それに次ぐ四フッ化ウランＵＦ４への変換に反応的に完全に適合されている。
本発明の代替形態では、ＵＯ３粒子のＢＥＴ比表面積は１７ｍ２／ｇと２１．５ｍ２／ｇとの間、有利には１７．５ｍ２／ｇと２１ｍ２／ｇとの間、好ましくは１８ｍ２／ｇと２０ｍ２／ｇとの間である。
本発明は、単に説明し限定する目的ではなく示され、以下の添付図面を参照して例示的な実施形態の記載を読むことによって、より良く理解されるだろう。
異なる図面における同一、類似、又は同等の部分には同一の参照記号が付され、それにより１つの図面から他への移動を容易にする。
図面に示される異なる部分は、必ずしも単一のスケールで描写されておらず、図面をより読みやすいものとする。
異なる可能性（代替形態及び実施形態）は、互いに排除しないと理解されるべきであり、また互いに組み合わせ得る。
図２は、化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物から三酸化ウランＵＯ３への熱的脱硝を行う、本発明による設備１を図示する。
このような設備１は、
‐バーナー１１４と、
‐バーナー１１４の出口に配置されて硝酸ウラニル水和物の注入口を含む反応槽１１０であって、前記反応槽１１０及びバーナーは硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽１１０と、
‐反応槽で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽１２０であって、分離槽１２０は沈殿槽である、分離槽１２０と、
‐図３に図示されたような、前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するように構成された４つのフィルター１３０であって、これらのフィルター１３０のそれぞれは分離槽１２０のガス出口１３１に連結される、４つのフィルター１３０と、
を含む。
‐バーナー１１４と、
‐バーナー１１４の出口に配置されて硝酸ウラニル水和物の注入口を含む反応槽１１０であって、前記反応槽１１０及びバーナーは硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽１１０と、
‐反応槽で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽１２０であって、分離槽１２０は沈殿槽である、分離槽１２０と、
‐図３に図示されたような、前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するように構成された４つのフィルター１３０であって、これらのフィルター１３０のそれぞれは分離槽１２０のガス出口１３１に連結される、４つのフィルター１３０と、
を含む。
バーナー１１４及び反応槽１１０は、反応槽１１０が分離槽１２０内に直接開いているという違い以外は、特許文献２に記載のバーナー４及び反応槽１と一致する。それ故に、現在の設備１では、反応槽１１０を分離槽１２０に連結する導管９は存在しない。さらに、反応槽１１０は出口部分に向かって縮小する円錐形状に延在する端部を有しない。
それ故に、操作原理、反応槽１１０及びバーナー１１４の構造上の特徴、並びに反応槽１１０の出口部分の構造上の特徴に関し、特許文献２の記載が参照される。
バーナー１１４は、
‐硝酸ウラニル水和物を供給するための導管１１７であって、反応槽１１０の入口に連結されている、導管１１７と、
‐燃料ガス供給１１６と、
‐空気供給１１５と、
を含む。
‐硝酸ウラニル水和物を供給するための導管１１７であって、反応槽１１０の入口に連結されている、導管１１７と、
‐燃料ガス供給１１６と、
‐空気供給１１５と、
を含む。
バーナー１１４の出口は反応槽１１０に連結される。反応槽１１０は、燃焼ガス及び硝酸ウラニル水和物１１７が導入される注入円錐と、円筒状セルと、出口１１３と、を含む。
特許文献２の反応槽１とは異なり、反応槽１１０の出口１１３は、直線部分を伴った実質的に一定の部分である円筒形状に延在する。反応槽１１０の出口１１３又は口は、分離槽１２０内に直接開いている。
反応槽１１０は、分離槽１２０において部分的に囲まれる。このように、反応槽１１０は、フィルター１３０のガス出口１３１よりも低い垂直寸法で、分離槽１２０内に開いている。
バーナー１１４及び反応槽１１０は、反応槽１１０の出口で、１ｍ／ｓと２ｍ／ｓとの間、有利には１．４ｍ／ｓと１．７ｍ／ｓとの間のガス速度を提供するように構成される 。
反応槽１１０の口１１３は、分離槽１２０において沈殿位置１２１を規定する。それ故に、熱的脱硝反応のあとにガス及びＵＯ３粒子が反応槽１１０から出る場合、それらは沈殿位置１２１上で口によって偏向される。沈殿位置１２１の垂直寸法は故に、図２に示されるように、反応槽１１０の口１１３の垂直寸法に相当する。
分離槽１２０における反応槽１１０のこのような部分的な囲いは、ガス及びＵＯ３粒子を沈殿位置１２１に偏向する偏向手段を形成する。
図２及び３に示されるように、分離槽１２０は円形の水平部分及び三角の垂直部分を有する。このように、分離槽１２０は一般的に、その頂点が下方に面した円錐形状を有する。分離槽１２０の側壁１２２は、垂直線に対して０°と４５°との間である角度を有する。分離槽１２０の側壁１２２は故に、垂直線に対して６０°より低い、より好ましくは４５°より低い角度を成す壁部分のみを有する。
注目すべきことは、口１１３における側壁１２２が垂直線に対して０°に近い角度を有することである。それ故に、分離槽１２０の側壁１２２上に生じ得る粒子の堆積は回避される。
分離槽１２０の下部は、図２に示されるように、ガスから分離されたあとにＵＯ３粒子を回収するための粒子出口１２３を含む。分離槽１２０の上部は、図３に示されるように、粒子から分離されたあとにガスを放出する、それぞれにフィルター１３０が備え付けられた４つのガス出口１３１を含む。ガス出口１３１はそれぞれ、ガス出口の垂直寸法を規定する。本実施形態において、ガス出口１３１は、ガス出口の垂直寸法に相当する同一のガス出口の垂直寸法を規定する。異なるガス出口の垂直寸法を有するガス出口を伴う幾つかのフィルター１３０が提供され得る場合、ガス出口の垂直寸法は勿論、最小のガス出口の垂直寸法に相当する。
ガス出口１３１の垂直寸法は、高さｈの分、反応槽１１０の口１１３の垂直寸法よりも高い。
分離槽１２０の上部にはまた、図２に示されるように、分離槽１２０の検査及び維持を可能にするマンホール１４０が提供され得る。
分離槽１２０は高さＨを有する。この分離槽１２０の高さＨは高さｈと関連して規定されるが、高さｈは、沈殿位置１２１とガス出口１３１との間の垂直寸法の違いに相当する。実際に、ｈ／Ｈと呼ばれるｈとＨの比率は、０．１と０．５との間、有利には０．２と０．３との間、好ましくは０．２３と０．２７との間である。
注目すべきは、比率ｈ／Ｈが好ましくは０．２５に設定されることであろう。
それ故に、典型的に、分離槽１２０は３ｍと８ｍとの間、有利には４．５ｍと６．５ｍとの間の最大横寸法を有し得る。こうして同様に、分離槽１２０の高さＨは、５ｍと１２ｍとの間、有利には６ｍと９ｍとの間であり得る。
フィルター１３０は、図２及び３に示されるように、焼結金属タイプのフィルターであり、図３では単一フィルター１３０が示され、３つのガス出口１３１はフィルター１３０なしで示されている。これらのフィルターにより、粒子が沈殿による分離で分離されていないガスからＵＯ３粒子の他部を分離することができる。同様に、ガスが洗浄される。
このフィルター１３０での分離の間、沈殿によってガスから分離されていないＵＯ３粒子は、フィルター１３０に積層される。それ故に、設備１において、これらのＵＯ３粒子を集めるために、連続的な詰まり解消手段（図示せず）が提供される。この収集の間、ＵＯ３粒子は重力効果下で分離槽１２０内に落下し、分離槽１２０の粒子出口１２３で回収される。
典型的に、各フィルター１３０は、０．７ｍと１．７ｍとの間、有利には１．０ｍと１．４ｍとの間の直径を有することができる。
注目すべきは、本実施形態において設備が４つのフィルター１３０を含む場合、本発明の範囲を逸脱することなく設備が異なる数のフィルターを含むことも予期できることである。それ故に、設備は代わりに、これら又はこれが適切な寸法を有する限り、２つのフィルター１３０のみ、あるいは単一のフィルター又は６つのフィルターを備え付けられ得る。勿論、本実施形態に記載のフィルター１３０の配置は、分離槽１２０の上部におけるフィルター分布が存在するフィルター数に適合する限り、完全にこれらの代替形態に適合する。
分離槽１２０で部分的に囲まれた反応槽１１０のこのような配置の代わりに、図４ａ及び４ｂは概略的に、本発明による設備１に対する反応槽１１０及び分離槽１２０の２つの他の可能な配置を示す。
図４ａに示された第一代替形態による設備１は、反応槽１１０が分離槽１２０ではなくガス出口１３１よりも低いままである垂直寸法を有する分離槽１２０内の反応槽１１０の口１１３で囲まれている点で、図２に示された設備とは異なる。
本発明の第一代替形態によると、分離槽１２０はその上部の一部を有し、それは反応槽１１０の口１１３を収容し、フィルター１３０を収容する上部の残りと比較して低くなっている。このように分離槽１２０の上部の一部を低くすることにより、ガス及び粒子を沈殿位置１２１に偏向する偏向手段が形成される。
実際に、この第一代替形態において、このようにガス出口１３１と比較して低くすることによって、反応槽１１０の口１１３の配置、故に分離槽１２０における沈殿位置１２１の配置も可能になっている。
第二代替形態による設備１は、図４ｂに示される。このような設備１は、反応槽１１０が実質的にガス出口１３１と同一の垂直寸法で分離槽１２０内に開いている点、及びガス出口１３１の分離槽１２０内の反応槽１１０から口１１３を分離する偏向壁１２４が提供されている点で、図３に示される設備１とは異なる。偏向壁１２４の下端は沈殿位置１２１を規定し、反応槽１１０の口１１３の出口においてガス及び粒子が沈殿位置１２１に向かって偏向されることを可能にする。
それ故に、本発明のこの第二代替形態によると、偏向壁１２４は沈殿位置１２１にガス及び粒子を偏向する偏向手段を形成する。
本発明による設備１は、ＵＯ３粒子を得るために化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物を熱的脱硝する方法を行うように実施され得る。
このような方法は、
‐バーナー１１４を用いて反応槽１１０において硝酸ウラニルを熱的脱硝するステップであって、反応槽１１０は前記バーナー１１４の出口に配置され、それによってガスとの混合物でＵＯ３粒子が得られる、ステップと、
‐その内部に反応槽１１０が直接開いている沈殿槽１２０において作られたガスからこれらのＵＯ３粒子を分離するステップと、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するろ過ステップであって、前記ステップは３５０℃以上の温度で行われる、ステップと、
‐ＵＯ３粒子を回収するステップと、
を含む。
‐バーナー１１４を用いて反応槽１１０において硝酸ウラニルを熱的脱硝するステップであって、反応槽１１０は前記バーナー１１４の出口に配置され、それによってガスとの混合物でＵＯ３粒子が得られる、ステップと、
‐その内部に反応槽１１０が直接開いている沈殿槽１２０において作られたガスからこれらのＵＯ３粒子を分離するステップと、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するろ過ステップであって、前記ステップは３５０℃以上の温度で行われる、ステップと、
‐ＵＯ３粒子を回収するステップと、
を含む。
ＵＯ３粒子を分離するステップは、以下のサブステップ：
‐熱処理ステップからの粒子及びガスを、ろ過ステップの間使用されるフィルター１３０よりも低い垂直寸法を有する沈殿位置１２１に偏向するステップと、
‐沈殿槽１２０で集められたＵＯ３粒子の一部を沈殿させるステップと、
を含む。
‐熱処理ステップからの粒子及びガスを、ろ過ステップの間使用されるフィルター１３０よりも低い垂直寸法を有する沈殿位置１２１に偏向するステップと、
‐沈殿槽１２０で集められたＵＯ３粒子の一部を沈殿させるステップと、
を含む。
三酸化ウランＵＯ３粒子の２つの合成は、硝酸ウラニル六水和物ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏを熱的脱硝することで行われた。
Ｓ１と示される第一の合成は、特許文献２及び図１に示された教示に従って、比較設備で行われた。
Ｓ２と示される第二の合成は、本発明並びに図２及び３に従って、設備で行われた。
バーナー４及び１１４、並びに反応槽１及び１１０のそれぞれの上部又は熱的脱硝反応及びＵＯ３粒子の形成が生じる反応ゾーンは同一であることに留意されたい。
バーナー４又は１１４によって反応槽１又は１１０に反応ガス及び硝酸ウラニル六水和物を導入する操作条件もまた、合成Ｓ１及びＳ２の両方において同一である：
‐パイプ７及び導管１１７におけるＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏの導入流量：７０ｋｇ／ｈ、
‐パイプ６及び供給１１６における天然ガスの導入流量：５ｋｇ／ｈ、及び
‐パイプ５及び供給１１５における空気の導入流量：１５０ｋｇ／ｈ。
‐パイプ７及び導管１１７におけるＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏの導入流量：７０ｋｇ／ｈ、
‐パイプ６及び供給１１６における天然ガスの導入流量：５ｋｇ／ｈ、及び
‐パイプ５及び供給１１５における空気の導入流量：１５０ｋｇ／ｈ。
バーナー４、１１４は、図１から３に示されていないスパークプラグを発生させることによって過充電された空気中での天然ガス燃焼を確実にする。燃焼は完全にバーナー４、１１４で行われ、注入された硝酸ウラニル六水和物は炎と全く接触しない。
約１４００℃の温度の燃焼から生じたガスは、バーナー４、１１４で加速されて、反応槽１、１１０の円錐部の上部、又は高温燃焼ガスと微細液滴でスプレーされた硝酸ウラニル六水和物のとの接触が生じる反応ゾーンで、約３００ｍ／ｓの速度に到達する。
第一合成Ｓ１の終わりに得られたＵＯ３粒子は、一方では導管１０で、他方では導管１３で集められた。
第二合成Ｓ２の終わりに得られたＵＯ３粒子は、沈殿槽１２０の単一の出口１２３で集められた。
これらの異なるＵＯ３粒子は、一方ではそれらのＢＥＴ比表面積並びにそれらの水分重量パーセント、他方では硝酸イオンＮＯ３ −を規定するために分析された。
第一合成Ｓ１の範囲内で、同一の分析が、（１０＋１３とされる）導管１０及び１３で集められたＵＯ３粒子によって形成された混合物で実施された。
幾つかのテストで得られた比表面積並びに水分及びＮＯ３ −の重量パーセントの値の間隔が、以下の表１に報告される。この表１では、ＵＯ３粒子の収集率もまた示される。
本発明による設備において熱的脱硝方法を実施することで得られたＵＯ３粒子（合成Ｓ２）は故に、導管１０及び１３で集められたＵＯ３粒子の混合物よりも高いＢＥＴ比表面積を有する。
さらに、第二合成Ｓ２で得られたＵＯ３粒子は、非常に低い水分及び硝酸イオンの汚染率を有し、それぞれ０．４ｗｔ％及び０．７ｗｔ％よりも低い。このようなパーセンテージはさらに、それらの後続のＵＯ２、それに次ぐＵＦ４への変換のためのＵＯ３粒子の反応性を促進する。
さらに注目すべきは、第一合成Ｓ１の間に実施された先行技術の設備は３００ｋｇ／ｈの空気流量を保証する補足的な冷却装置を用いて導管１１を通って循環する気流を冷却する必要があることである。洗浄されたガスは次に、４８５ｋｇ／ｈの吸入流量を保証するファンを用いてバッグフィルター１２の出口で吸い込まれており、それ故に、合成Ｓ２の構成よりも大きい装置の部品サイズの使用及び高いエネルギー消費が必要となる。
第二合成Ｓ２の間に実施される本発明による設備では、洗浄されたガスは、１８５ｋｇ／ｈの吸入流量を保証するファンを用いてフィルター１３０の出口で吸い込まれるが、それは以前のものよりも低く、補足の冷却装置も存在しない。
１ 設備
１１０ 反応槽
１１３ 口
１１４ バーナー
１１５ 空気供給
１１６ 燃料ガス供給
１１７ 導管
１２０ 分離槽
１２１ 沈殿位置
１２２ 側壁
１２３ 粒子出口
１２４ 偏向壁
１３０ フィルター
１３１ ガス出口
１４０ マンホール
１１０ 反応槽
１１３ 口
１１４ バーナー
１１５ 空気供給
１１６ 燃料ガス供給
１１７ 導管
１２０ 分離槽
１２１ 沈殿位置
１２２ 側壁
１２３ 粒子出口
１２４ 偏向壁
１３０ フィルター
１３１ ガス出口
１４０ マンホール
Claims (16)
- 化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物を三酸化ウランＵＯ３に熱的脱硝するための設備（１）であって、
‐バーナー（１１４）と、
‐前記バーナー（１１４）の出口に配置されて硝酸ウラニル水和物の注入口を含む反応槽（１１０）であって、前記反応槽（１１０）及び前記バーナーは硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行って粒子の形状を有する三酸化ウランＵＯ３を形成するように構成される、反応槽（１１０）と、
‐前記反応槽で行われた熱的脱硝からのガスからＵＯ３粒子の一部を分離するように適合された分離槽（１２０）と、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するように構成された少なくとも１つのフィルター（１３０）と、
を含み、
前記分離槽（１２０）はその内部に前記反応槽（１１０）が直接開いている沈殿槽であり、
前記フィルター（１３０）は３５０℃以上の温度で分離を行うことができる、
ことを特徴とする、設備（１）。 - 前記分離槽（１２０）は前記フィルター（１３０）の方に少なくとも１つのガス出口（１３１）を含み、
前記設備（１）はさらに、前記ガス出口（１３１）よりも低い垂直寸法を有する前記分離槽（１２０）の沈殿位置（１２１）において、前記反応槽（１１０）の口（１１３）に存在するガス及びＵＯ３粒子を前記分離槽（１２０）に偏向するための少なくとも１つのガス偏向手段を含む、請求項１に記載の設備（１）。 - 前記沈殿位置（１２１）の垂直寸法は、高さｈの分、前記ガス出口（１３１）の垂直寸法よりも低く、前記分離槽（１２０）は高さＨを有し、
ｈとＨの比率は０．１と０．５との間、有利には０．２と０．３との間、好ましくは０．２３と０．２７との間である、請求項２に記載の設備（１）。 - 前記ガス偏向手段は、前記分離槽（１２０）において前記反応槽（１１０）の部分的な囲いによって提供され、前記分離槽（１２０）における前記反応槽（１１０）の口（１１３）は前記沈殿位置（１２１）を規定する、請求項２又は３に記載の設備（１）。
- 前記ガス偏向手段は、前記ガス出口（１３１）の前記反応槽（１１０）から前記口（１１３）を分離する偏向壁（１２４）を含み、前記偏向壁（１２４）の下端は前記沈殿位置（１２１）を規定する、請求項２又は３に記載の設備（１）。
- 前記分離槽（１２０）の側壁（１２２）は、垂直線に対して６０°より低い、好ましくは４５°より低い角度を成す壁部分のみを有する、請求項１から５の何れかに記載の設備（１）。
- 前記フィルター（１３０）は焼結金属タイプのフィルターである、請求項１から６の何れかに記載の設備（１）。
- 焼結金属タイプの少なくとも２つの平行フィルター（１３０）を含み、好ましくは焼結金属タイプの４つの平行フィルター（１３０）を含む、請求項７に記載の設備（１）。
- 前記バーナー（１１４）及び前記反応槽（１１０）は、前記反応槽（１１０）の出口において、１ｍ／ｓと２ｍ／ｓとの間、有利には１．４ｍ／ｓと１．７ｍ／ｓとの間のガス速度を提供するように構成される、請求項１から８の何れかに記載の設備（１）。
- 化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物の熱的脱硝を行うための、請求項１から９の何れかに記載の設備（１）の使用。
- 前記硝酸ウラニル水和物は化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，６Ｈ２Ｏの硝酸ウラニル六水和物である、請求項１０に記載の使用。
- 化学式：ＵＯ２（ＮＯ３）２，ｘＨ２Ｏ（２≦ｘ≦６）を有する硝酸ウラニル水和物を熱的脱硝するための方法であって、
‐バーナー（１１４）を用いて反応槽（１１０）において硝酸ウラニルを熱的脱硝するステップであって、前記反応槽（１１０）は前記バーナー（１１４）の出口に配置され、それによってガスとの混合物でＵＯ３粒子が得られる、ステップと、
‐その内部に前記反応槽（１１０）が直接開いている沈殿槽（１２０）において作られたガスからこれらのＵＯ３粒子の一部を分離するステップと、
‐前記ガスからＵＯ３粒子の他部を分離し、こうして前記ガスを洗浄するろ過ステップであって、前記ステップは３５０℃以上の温度で行われる、ステップと、
‐ＵＯ３粒子を回収するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。 - 前記ガスからＵＯ３粒子の一部を分離するステップは、以下のサブステップ：
‐熱処理ステップからの粒子及びガスを、ろ過ステップの間に使用されるフィルター（１３０）のガス出口（１３１）よりも低い垂直寸法を有する沈殿位置（１２１）に偏向するステップと、
‐前記沈殿槽（１２０）で集められたＵＯ３粒子の一部を沈殿させるステップと、
を含む、請求項１２に記載の方法。 - 前記分離するステップの間、熱的脱硝からのガスが１ｍ／ｓと２ｍ／ｓとの間、有利には１．４ｍ／ｓと１．７ｍ／ｓとの間のガス速度で分離槽に導入される、請求項１２又は１３に記載の方法。
- 請求項１２から１４の何れかに記載の方法によって直接得られるＵＯ３粒子であって、以下の特徴：
‐１７ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ比表面積、
‐０．４ｗｔ％以下の水分重量パーセント、及び
‐０．８ｗｔ％以下の硝酸イオンＮＯ３ −の重量パーセント
を有する、ＵＯ３粒子。 - 前記ＢＥＴ比表面積は、１７ｍ２／ｇと２１．５ｍ２／ｇとの間、有利には１７．５ｍ２／ｇと２１ｍ２／ｇとの間、好ましくは１８ｍ２／ｇと２０ｍ２／ｇとの間である、請求項１５に記載のＵＯ３粒子。
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