JPH0359006B2

JPH0359006B2 -

Info

Publication number: JPH0359006B2
Application number: JP61187019A
Authority: JP
Inventors: Goodon Rinzu Debitsudo; Kenesu Guraiaa Junia Robaato; An Uetsuzeru Jenifuaa; Gafuaa Dada Abudaru; Donarudo Konorii Jon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1986-08-11
Publication date: 1991-09-09
Also published as: GB2179031B; DE3624310A1; CA1250405A; US4698214A; IT1206349B; GB2179031A; FR2602761B1; IT8621473A0; FR2602761A1; JPS6270229A; ES2003087A6; DE3624310C2; GB8614043D0

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、燃料ガスおよび酸素から成る気体反
応媒質中において高温下で六フツ化ウランを粒子
状の酸化ウランに転換するための化学的プロセス
に関するものである。更に詳しく言えば本発明
は、六フツ化ウランから酸化ウランへの気相転換
により、原子炉用の核分裂性核燃料に加工するの
に適した生成物を得る技術に関する。

本発明は、六フツ化ウランをウラン酸化物に気
相転換するための従来の方法および装置に対する
改良から成つている。

気体反応媒質中における六フツ化ウランから二
酸化ウランへの転換を実施するために使用される
従来の方法および装置は、本願の場合と同じ譲受
人に付与された下記の米国特許の明細書中に記載
されかつ図示されている。それらの米国特許と
は、1974年１月15日付けの第3786120号、1974年
３月12日付けの第3796672号、1974年２月５日付
けの第3790493号、1974年６月４日付けの第
3814327号、1974年６月25日付けの第3819804号、
1976年７月20日付けの第3970581号、1977年１月
25日付けの第4005042号、1977年６月21日付けの
第4031029号、および1978年５月23日付けの第
4090976号である。

上記の米国特許はいずれも本発明の場合と同じ
技術分野、同じ化学反応および同種の生成物に関
するものであつて、それらはいずれも本発明の場
合と同じ譲受人に譲渡され、またそれらの開示内
容は引用によつて本明細書中に併合されるもので
ある。更にまた、六フツ化ウランからウラン酸化
物への転換に関連してこれらの特許明細書中に記
載されかつ図示された条件および手段は、適正か
つ実行可能な状況下である限り、いずれも本発明
の範囲内において使用することができる。

発明の背景本発明は、核分裂性核燃料の製造用として適し
た酸化ウランを六フツ化ウランから生成させるた
めに役立つような、燃料ガスおよび酸素を用いた
気相反応法に対する特定の改良に関するものであ
る。かかる方法は特許文献中において一般に火炎
転換法または燃焼転換法と呼ばれているもので、
前述の米国特許とりわけ第3786120号の明細書中
にかなり詳しく説明されている。

関連業界において公知の通り、核分裂性ウラン
燃料の製造および（または）運転時の性能に影響
を与える条件としては、酸化ウランの物理的性質
および化学組成（すなわち酸素／ウラン比）があ
る。核燃料用途に供される酸化ウランのある種の
特性すなわち酸素／ウラン組成比や（粒度、表面
特性および密度のごとき）物理的性質が、燃料製
造プロセスに対する適性および運転時における燃
料としての性能に関していかなる意義を有するか
については、米国特許第3803273、3923933および
3927154号の明細書中に若干の説明が見られる。
たとえば、燃料として使用すべき酸化ウランペレ
ツトの圧縮成形のごとき燃料製造作業や焼結ペレ
ツトの最終特性に関しては、とりわけ粒度および
粒度分布が重要である。

発明の概要本発明は、前述の米国特許明細書中に記載され
た火炎転換または燃焼転換技術による六フツ化ウ
ランから酸化ウランへの気相転換に改良をもたら
すような方法および装置から成つている。本発明
に従えば、本質的に気体状態における化学反応を
高温下で実施しながら、反応容器内に数種の反応
性気体成分を供給すると共にそれらを調節するた
めの特定の手段が提供される。

発明の目的本発明の主たる目的は、六フツ化ウランから酸
化ウランを生成する気相転換反応用の改良された
方法および装置を提供することにある。

また、六フツ化ウランを高品質の燃料用酸化ウ
ランに転換するために役立つと共に、操作や設備
があまり複雑でないような方法および装置を提供
することも本発明の目的の１つである。

更にまた、気体媒質中において六フツ化ウラン
を転換することにより、粒度や粒度分布をはじめ
とする一層有利な物理的性質を持つた酸化ウラン
生成物を得るための改良された方法および装置を
提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、気相反応によつて六フツ化ウランを
酸化ウランに転換するのに際し、気体成分の操作
により反応条件を制御して変化させることが一層
容易であり、従つて粒子状の酸化ウラン生成物の
化学的および物理的性質を調節することが一層容
易であるような方法および装置を提供することも
本発明の目的の１つである。

更にまた、六フツ化ウランを燃料ガスおよび酸
素と高温下で反応させるのに際し、より高い温度
を発生させることによつてより迅速に完全な酸化
物相が得られ、かつ反応炎の調節および位置決定
によつて性能の向上が得られるような装置および
それの運転方法を提供することも本発明の目的の
１つである。

発明の詳細な説明本発明の方法は図面中に示された装置を用いて
実施するのが最良であるから、以下の説明は図面
を参照しながら行うことにする。更にまた、方法
および装置の両面を有する本発明は、前述の関連
する米国特許の開示内容によつて確立されている
ようなこの化学的プロセスに関する現行の技術を
背景として理解されるべきものである。すなわち
本発明は、以下に明示されるような本発明の着想
に基づく相違点を別にすれば、前述の先行特許の
全ての開示内容を受け継いでいるのである。

本発明の特徴の１つは、基本反応成分を構成す
る数種のガスすなわち六フツ化ウラン、燃料ガス
および酸素を予め混合することにある。もう１つ
の特徴は、燃焼反応域内への送入時において反応
成分を構成するガスの混合物を取囲むような燃料
ガスの環状包囲層を供給することにある。本発明
の好適な実施の態様に基づくもう１つの特徴は、
燃焼反応容器内の反応域の周囲に位置する１つ以
上の適当な部位において急冷ガスを導入すること
にある。本発明の基盤を成す前述の先行特許の内
容に対するこれらの相違点は、添付の図面を参照
しながら以下の詳細な説明を読むことによつて一
層明確に理解されよう。

図面を参照しながら説明すれば、本発明の反応
装置１０はガス混合室１２および燃焼反応容器１
４を含む高温複合ガス燃焼装置から成つている。
混合室１２には複数のガス供給管（たとえば１
６，１８および２０）が設けられていて、それら
は六フツ化ウラン、酸素および燃料ガス（水素）
を含む気体反応成分の供給源（図示せず）にそれ
ぞれ連結されている。このような構成に基づき、
上記の気体反応成分は混合室１２内に導入され、
そして後続の燃焼反応に供するために混合され
る。必要に応じ、混合室１２に供給される各ガス
の流量や総量を調整するために役立つような制御
弁およびその他適宜の手段（たとえば流量計）を
使用することができる。

燃焼反応容器１４は、前述の米国特許明細書中
に図示されているような、発熱性の気相反応を封
じ込めるためのほぼ円筒形の細長い炉から成るの
が通例である。

ガス混合室１２と燃焼反応容器１４とは導管２
２によつて連結されているが、この導管はガス噴
射ノズル２６を構成している。混合室１２から伸
びる導管２２の出口２４は、それによつて送入さ
れる混合ガス成分間の燃焼反応を行わせるための
反応域３０に隣接しながら燃焼反応容器１４の内
部に位置している。その結果、ガス噴射ノズルと
して機能する導管２２は混合室１２から燃焼反応
容器１４に向けて反応性混合ガスを移送し、そし
て燃焼反応が起こるように設計された反応容器内
の位置において混合ガスを出口２４から放出する
ことになる。

また、ガス噴射ノズル２６の出口２４および燃
焼反応容器１４の反応域３０に隣接しながら、ガ
ス噴射ノズル２６を構成する導管２２の少なくと
も外部を同心円状に取囲む環状包囲壁２８が設け
られている。かかる環状包囲壁２８はパージガス
排出手段を構成するものであつて、それの入口は
水素または解離アンモニアのごとき還元性パージ
ガスの供給源に連結されている。パージガス用連
結管路中には、反応系に供給されるパージガスの
流量や総量を調整するために役立つ制御弁および
その他適宜の手段（たとえば流量計）を設けるこ
とができる。環状包囲壁２８およびそれによつて
生み出された包囲空間は、反応性混合ガス用噴射
ノズル２６の出口２４を取巻くパージガス用の環
状排出孔を有している。その結果、環状包囲壁２
８による包囲空間およびそれの排出孔の作用によ
り、ガス噴射ノズル２６の出口２４から放出され
た反応性混合ガス成分を取囲むパージガス（燃料
ガス）の包囲層が形成されることになる。

このような構成およびそれの効果、すなわち中
心の混合ガス噴流を取囲むパージガス（燃料ガ
ス）の火炎がもたらすパージ作用により、混合ガ
スに由来する主反応炎はガス噴射ノズル２６の出
口２４から僅かな距離だけ離隔した位置に固定さ
れる。このような効果は、ガス噴射ノズル２６の
末端またはその周囲に対する固体燃焼生成物（す
なわち酸化ウラン）の付着を排除するために役立
つのである。

本発明のもう１つの特徴は、生成された燃焼蒸
気を急速に冷却するための急冷ガスが供給される
ことにある。かかる急冷ガスは、火炎反応から生
じた酸化ウラン生成物の粒子を凝固させ、それに
よつて反応生成物粒子の成長を抑制するために役
立つ。

かかる急冷ガスは、１つ以上の部位において供
給することができる。たとえば、環状包囲壁２８
の外側に取囲みかつ導管３４を介して急冷ガス供
給源に連結された環状包囲壁から成る環状ガス分
配器３２を使用することにより、（パージガスの
包囲層を含めた）気相火炎反応の外周を急冷ガス
のカーテンで包囲することができる。

上記の環状ガス分配器に代えて、あるいはそれ
に加えて、燃焼反応容器１４を取巻く複数のガス
排出孔４０を所定の燃焼反応域３０にほぼ隣接し
た位置またはそれの下流側の位置に設けることも
できる。かかるガス排出孔４０には、図示のごと
き導管３６および分配マニホルド３８を介して、
酸素、窒素（または空気）あるいは不活性ガスの
ごとき急冷ガスを供給源（図示せず）から供給す
ればよい。排出孔４０および（または）環状分配
器３２への供給管路中には、反応系に注入される
急冷ガスの流量や総量を調整するために役立つ制
御弁およびその他適宜の手段（たとえば流量計）
を設けることができる。

本発明に従えば、基本反応成分である六フツ化
ウラン、燃料ガス（たとえば水素）および酸素を
含む個々のガスまたはそれらの混合物が混合室に
供給される。そこにおいて、それらのガスは実質
的に均質に混合され、それから高温下で反応させ
るために扮射ノズルを通して燃焼反応容器内に供
給される。

六フツ化ウランは、単独で混合室に供給するこ
ともできるし、あるいは酸素、空気および（また
は）不活性ガス（たとえば窒素、アルゴンなど）
のごときキヤリヤーガスと混合して供給すること
もできる。酸素もまた、単独で供給したり、ある
いは窒素（空気）などのごとき不活性ガスと共に
供給したりすることができる。更にまた、燃料ガ
スに窒素などのごとき不活性ガスを混合すること
もできるし、あるいはそれを単独で供給すること
もできる。燃料ガスおよびパージガスとして好適
なガスは水素であつて、それは解離アンモニアま
たは分解アンモニア（2NH₃→3H₂＋N₂）として
供給することもできる。その他の燃料ガスとして
は、天然ガス、メタン、ブタン、プロパンなどが
挙げられる。急冷ガスとしては、酸素を単独で使
用するか、あるいは窒素（空気）などのごとき不
活性ガスと混合して使用することが好ましい。

六フツ化ウランから酸化ウランへの転換のため
に混合室１２に供給されて混合される反応成分
（すなわち六フツ化ウラン、酸素および水素）の
比率は、六フツ化ウランに対して少なくとも化学
量論的な量の酸素および水素（燃料ガス）が利用
できるようにすべきである。なお、酸素供給源か
らは化学量論的な量の少なくとも100％から約150
％までに相当する量の酸素が反応系に供給される
ことが好ましい。更にまた、反応系中に存在する
実質的に全ての六フツ化ウランおよび水素を二酸
化ウランおよびフツ化水素に転換する反応、すな
わち化学反応式 UF₆＋3H₂＋O₂→UO₂＋6HF で表わされる反応にとつて十分な量の燃料ガスを
使用することが好ましい。

かかる発熱性気相反応のための反応温度は、燃
料ガスとして水素を使用した場合、少なくとも
1600〓から2400〓までの範囲内にあればよい。と
は言え、反応温度を約1700〜約2100〓の概略範囲
内に維持することが好ましい。

気相燃焼反応によつて生成したばかりの酸化ウ
ラン生成物粒子は熱くてまだ多少の凝着性を有す
るから、それらが衝突して合体することにより、
かかる粒子のランダムな成長が起こる。このよう
な粒子の成長を停止させるため、約1500〓より低
い温度への急冷が行われる。急冷の程度および反
応域に対するそれの位置を適宜に選定することに
より、成長の停止の結果として得られる粒子の粒
度およびそれの分布範囲や分布度を調節すること
ができる。

本発明を好適な実施の態様に従つて実施する際
には、前述の米国特許明細書中に記載された従来
の手順に対して下記のような変更を加えればよ
い。キヤリヤーガスとしての空気または窒素とそ
れぞれに混合された気体反応成分（すなわち、六
フツ化ウラン、酸素および水素）が連続的かつ個
別的に混合室１２に供給され、そこにおいて実質
的に均質に混合される。混合室からは気体反応成
分とキヤリヤーガスとの混合物が噴射ノズル２６
を通して燃焼反応容器内に連続的に供給され、そ
して高温下で反応（つまり燃焼）が行われる。

噴射ノズルから放出される気体反応成分を予め
混合すれば、発熱性燃焼反応の火炎反応域はより
狭い範囲内に閉込められ、従つてより高濃度かつ
より高温の転換反応が達成される。転換濃度およ
び転換温度が高くなるほど、ウランの完全な酸化
物相が得られる速度は早くなる。それ故、反応成
分の混合物を使用すれば、拡散した成分やゆつく
りと反応する成分を含む管理不能で不均一な噴霧
状の拡大した気体雰囲気中に反応成分がキヤリヤ
ーガスや生成した反応生成物と共に停滞すること
は防止されるものである。

気体反応成分の混合物を噴流として燃焼反応容
器内に供給すると同時に、混合ガスの噴流を取巻
くパージガスの包囲層が供給される。かかる包囲
層は発熱反応を行う混合ガスを取囲み、それによ
つて火炎反応域の閉込めおよび熱の集中を助ける
のである。

更にまた、閉込められた中心の混合ガスおよび
それを包囲するパージガスの流路がほぼ平行であ
ることにより、混合ガスに由来する主反応炎はノ
ズルの物理的末端から僅かな距離だけ離隔した位
置に固定される。このように、ノズルの出口と主
反応炎との間に空隙が介在する結果、生成した蒸
気および凝固した反応生成物がノズル構造上に付
着蓄積することは防止される。

本発明方法の好適な実施の態様に従えば、適当
な部位において空気のごとき急冷ガスを高温の発
熱反応媒質に注入して生成物粒子の合体成長を抑
制することにより、所定または所望の粒度および
粒度分布を持つた生成物を得ることができる。

粒子の成長を最少限に抑制するために役立つ実
施の一態様は、混合ガスの噴流が噴射ノズルから
出て燃焼反応域に入つて発熱性の燃焼反応を開始
する時点において、パージガスで包囲された混合
ガスの噴流を取巻くように急冷ガスを供給すると
いうものである。このようにして即座の急冷作用
が及ぼされた場合には、生成物の合体成長は最少
限に抑制され、従つて生成物粒子の均質性および
粒度の制御が達成されるのである。

別の実施の態様に従えば、主たる転換反応域の
ほぼ中間部または下流側において急冷ガスを供給
することもできる。このような場合には、初期の
生成物を生み出す反応域よりも下流側において急
冷作用が及ぼされるため、生成物粒子は急冷ガス
の供給位置に応じた程度の合体成長を示すことに
なる。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の方法を実施するための装置を
示す略図である。図中、１０は燃焼反応装置、１２はガス混合
室、１４は燃焼反応容器、１６，１８および２０
はガス供給管、２２は導管、２４はそれの出口、
２６はガス噴射ノズル、２８は環状包囲壁、３０
は燃焼反応域、３２は環状ガス分配器、３４およ
び３６は導管、３８は分配マニホルド、そして４
０は急冷ガスの排出孔を表わす。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a)六フツ化ウランガス、酸素ガスおよび水素
ガスを供給して混合し、(b)六フツ化ウランガス、
酸素ガスおよび水素ガスから成る混合ガスを、六
フツ化ウランが酸化ウランに転換される反応域内
に噴流として送入し、(c)前記混合ガスの噴流を包
囲しかつそれにほぼ平行する環状の流れを成すよ
うにして水素ガスを前記反応域内に別個に供給
し、そして(d)前記混合ガスの六フツ化ウランが酸
化ウランに転換される前記反応域の中途において
急冷ガスを別個に供給する諸工程を含むことを特
徴とする、気体反応媒質中において六フツ化ウラ
ンを酸化ウランに転換する方法。２前記気相転換反応が約1600〜約2400〓の概略
範囲内の温度下で実施される特許請求の範囲第１
項記載の方法。３前記水素ガスが解離アンモニアから成る特許
請求の範囲第１項記載の方法。４前記六フツ化ウランガスがキヤリヤーガスと
混合された状態で供給される特許請求の範囲第１
項記載の方法。５前記酸素ガスが不活性キヤリヤーガスと混合
された状態で供給される特許請求の範囲第１項記
載の方法。６ (a)六フツ化ウランガス、酸素ガスおよび水素
ガスを供給して混合し、(b)六フツ化ウランガス、
酸素ガスおよび水素ガスから成る混合ガスを、六
フツ化ウランが酸化ウランに転換される反応域内
に噴流として送入し、(c)前記反応域内に流入する
前記混合ガスの噴流を包囲しかつそれにほぼ平行
する環状の流れを成すようにして水素ガスを別個
に供給し、そして(d)前記混合ガスの六フツ化ウラ
ンが酸化ウランに転換される前記反応域よりも下
流側において急冷ガスを別個に供給する諸工程を
含むことを特徴とする、気体反応媒質中において
六フツ化ウランを酸化ウランに転換する方法。７前記水素ガスが解離アンモニアから成る特許
請求の範囲第６項記載の方法。８前記六フツ化ウランガスがキヤリヤーガスと
混合された状態で供給される特許請求の範囲第６
項記載の方法。９前記酸素ガスが不活性キヤリヤーガスと混合
された状態で供給される特許請求の範囲第６項記
載の方法。１０前記反応域における六フツ化ウランの酸化
ウランへの前記気相転換反応が約1700〜約2100〓
の概略範囲内の温度下で実施される特許請求の範
囲第６項記載の方法。１１前記気相転換反応が約1700〜約2400〓の概
略範囲内の温度下で実施される特許請求の範囲第
６項記載の方法。１２前記急冷ガスが空気から成る特許請求の範
囲第６項記載の方法。１３前記急冷ガスが不活性ガスから成る特許請
求の範囲第６項記載の方法。１４ (a)六フツ化ウランガス、酸素ガスおよび水
素ガスを供給して混合し、(b)こうして得られた六
フツ化ウラン、酸素および水素からなる混合ガス
を、六フツ化ウランが酸化ウランに転換される反
応域内に噴流として送入し、(c)前記反応域内に送
入される六フツ化ウラン、酸素および水素からな
る前記混合ガスの噴流を包囲しかつそれにほぼ平
行する環状の流れを成すようにして水素ガスを別
個に前記反応域内に供給し、そして(d)前記混合ガ
スの六フツ化ウランが酸化ウランに転換される前
記反応域の中途において不活性急冷ガスを別個に
供給する諸工程を含むことを特徴とする、気体反
応媒質中において六フツ化ウランを酸化ウランに
転換する方法。１５前記転換反応が約1600〜約2400〓の概略範
囲内の温度下で実施される特許請求の範囲第１４
項記載の方法。１６前記急冷ガスが空気から成る特許請求の範
囲第１４項記載の方法。１７前記水素ガスが解離アンモニアから成る特
許請求の範囲第１４項記載の方法。１８前記六フツ化ウランガスがキヤリヤーガス
と混合された状態で供給される特許請求の範囲第
１４項記載の方法。