JPH0635330B2 - 六フツ化ウランを二酸化ウランに変換する方法 - Google Patents

六フツ化ウランを二酸化ウランに変換する方法

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JPH0635330B2 JP59206098A JP20609884A JPH0635330B2 JP H0635330 B2 JPH0635330 B2 JP H0635330B2 JP 59206098 A JP59206098 A JP 59206098A JP 20609884 A JP20609884 A JP 20609884A JP H0635330 B2 JPH0635330 B2 JP H0635330B2
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【発明の詳細な説明】 (産業分野) 本発明は原子炉燃料製造に適した高活性、低下含量でか
つ流動性のよい UO2 粉末を六フツ化ウランの変換によ
り乾式にて製造する方法に関する。
(従来技術とその欠点) 六フツ化ウランを原子炉燃料用二酸化ウラン粉末に変換
する方法には従来から湿式法と乾式法がある。湿式法は
工程数が多く複雑でかつ廃液発生量が多いなどの欠点を
有する。一方、乾式法は一般的に製品二酸化ウラン粉末
の活性度が低く、かつ製品中の残留F量が多いなどの欠
点があるが、工程が単純で廃液発生量が少ないなどの利
点を有するので、上記欠点を克服しつつ近年多く採用さ
れる傾向にある。
上記乾式法にはロータリーキルンによる方法、流動層反
応装置による方法、火炎燃焼反応装置による方法などが
あるが、流動層反応装置による方法が流動性のきわめて
良好な製品二酸化ウランを生成するため、他の方法に比
べて、後続工程での粉末のハンドリングが容易であると
いう大きな利点をもつている。しかしながら、流動層反
応装置による場合、他の方法に比べて製品二酸化ウラン
の活性度が小さくなり、また残留F量の低減化への負担
が大きいという欠点があつた。
従来の乾式法、特に流動層反応装置による方法はそのほ
とんどが次の2次反応によるものである。
UF6+2H2O→UO22+4HF (1) UO22+H2 →UO2+2HF (2) この方法では(2)のステツプで次の反応式により逆反応
によりUF4を生成し易い。
UO2+4HF=UF4+2H2O (3) UF4は比較的低融点(約1000℃)で焼結し易い物質で
あり、(2)のステツプの操作温度範囲で焼結を開始し、
製品二酸化ウラン粉末中の残留F量を低減するために重
要な脱F反応を阻害する。このため、従来は(2)のステ
ツプで水蒸気を過剰に加えて(3)の逆反応を起こりにく
くする等の工夫が必要であつた。その結果、操作が繁雑
になると共に過剰に加えられた水蒸気が廃液量を増やす
という問題を引き起こしていた。
また、(1)のステツプで水蒸気に水素ガスを混合して行
なう方法(特公昭55−51855号公報)があるが、
その場合、次の反応式でUF4が生成し、上述の理由で
好ましくない。
UF6+H2→UF4+2HF (4) さらに、流動層反応装置による他の例(特開昭52−1
6496号公報)として次のステツプによる方法があ
る。
この方法では(6)のステツプで730〜780℃という
高温操作となるため、(7)で生成する製品二酸化ウラン
粉末は活性度が低くなりかつ焼結性が低下するので原子
炉燃料製造用には適さない。
また、HFガスを含む腐食性ガス雰囲気では材料腐食
の観点から、従来の金属材料では700℃近辺が実用性
の限度とされており、これを超える操作温度では材料腐
食、製品中不純物の増大などの点で実用的には大きな問
題を呈する。
流動層反応装置を用いる場合の他の欠点は、UF6から
UO22を生成させる流動層の操作安定性に関するもの
である。すなわち、同流動層はUO22粒子が層を形成
するが、そこに吹込まれるUF6は流動化ガスとして流
動層底部から導入される水蒸気と反応してUO22を生
成し、すでに存在するUO22粒子の表面に沈着する。
その結果、多くのUO22は粒成長を起こす。これに対
して、一部のUO22粒子は粒子同志の衝突などにより
摩損し微粉化する。流動層の平均粒子径はこれらのバラ
ンスで決まるが、従来の流動層反応装置では粒成長の傾
向が強く、安定な流動層操作を維持するためには、新た
な微粒子を流動層中に供給するなどの工夫を必要とし
た。その結果、装置システムが複雑になり、操作も繁雑
化するという欠点があつた。
(発明の目的) 以上のような背景のもとで、本発明者らは流動層反応装
置によれば、流動性の良い粉体が得られるという点に着
目すると共に脱F反応を阻害するUF4を生成させるこ
となく、また二酸化ウラン粉末の活性度を低下させるこ
となく、さらに装置材料の問題を回避するため、高温で
の処理を必要としない、流動層反応装置による六フツ化
ウランを原子炉燃料用に適する二酸化ウラン粉末に変換
する方法を提供すべく検討した結果、UF6からUO2
2を生成させる流動層においてUO22粒子径の成長を
抑え、流動層操作の安定性が容易に得られる方法を見出
し、本発明に到達した。
(発明の構成) すなわち、本発明によれば、流動層反応装置を用いて六
フツ化ウランを二酸化ウランに変換する方法において、 (a) 130〜250℃の温度に維持した第1反応塔に
UF6ガスと水蒸気とを吹込みUO22とする第1ステ
ツプ、 (b) 500〜700℃の温度に維持した第2反応塔で
第1ステツプからのUO22を水蒸気によりUO2およ
び/またはU38とする第2ステップ、及び (c) 500〜600℃の温度に維持した第3反応塔で
第2ステツプからのUO3および/またはU38を水素
ガス及び水蒸気によりUO2とする第3ステップ、 の組合せによりなる六フツ化ウランを二酸化ウランに変
換する方法、が得られる。
なお(a)のステツプは流動層反応装置以外の造粒機能を
有する反応装置でも可能である。
本発明方法において、六フツ化ウランを二酸化ウラン粉
末に変換するステツプは次の通りである。
第1ステップ 第2ステップ または 第3ステップ または 脱F反応を阻害するUF4を生成させないためには、六
フツ化ウランと水素ガスとの共存、二酸化ウランとフツ
化水素ガスとの共存を避けることが有効であり、そのた
めには上記(8),(9a)(9b)のステツプでは水素ガスを用
いずれに反応ガスとしては水蒸気のみとする。製品二酸
化ウラン粉末の活性度を高めるためには各ステツプの操
作温度を低めに抑えることが必要である。すなわち、第
1ステツプでは130〜250℃、特に130〜200
℃の範囲、第2ステツプでは500〜700℃、特にU
3の生成する500〜600℃の範囲((9b)の反
応)、第3ステツプでは500〜600℃、特に=(5
00〜550℃の範囲がそれぞれ好ましい操作温度であ
る。
また、第2ステツプの操作温度500〜700℃は装置
材料腐食軽減の点からも極めて重要なことである。
実際の操作では第2ステツプで未反応分として残留する
UO22が微量であるが、第3ステツプに到るので第3
ステツプで水蒸気および水素ガスにより処理をして脱F
を促進させる。この場合、残留しているUO22が微量
であるめに反応(2)によるHFガス量が微量であり、反
応(3)によるUF4の生成は起こらず、脱F反応が阻害さ
れることはない。
第1ステツプの流動層においてUO22の粒子径を好適
な大きさにコントロールするには、UF6の噴霧ノズル
を二流体ノズルとし、中央部からUF6ガス、周辺部か
ら水蒸気を噴霧させる方法が有効である。これはノズル
出口近傍でUF6ガスと水蒸気が反応してその後の造粒
の核となるUO22の微粒子を生成し、流動層を形成す
るUO22の平均粒子径を下げる役目を果たすためであ
る。
次に、本発明を実施例によつて具体的に説明するが、以
下の実施例が本発明の範囲を限定するものではない。
実施例 添付図面に示す流動層反応装置は本実施例において使用
される装置である。
六フツ化ウランは気化器1で気化され、第1流動層反応
装置2内の二流体ノズル(図示せず)により水蒸気と共
に装置2内に導入される。同時に反応ガスおよび流動化
ガスとしての水蒸気が導管5より装置2の底部に導入さ
れる。二流体ノズル中央部から噴霧されたUF6の一部
は、導管10を経て二流体ノズルの周辺部から噴霧され
る水蒸気と直ちに反応してUO22の微粒子を形成し、
一部はすでに流動層を形成しているUO22粒子の表面
で水蒸気と反応してUO22となつて該粒子表面に沈着
し、粒子が成長する。また、これらのUO22の一部は
粒子同志の衝突等により摩損し、微粒子化する。UO2
2粒径はこれらの過程によりコントロールされ、流動
層を形成する。第1流動層反応装置2の操作温度は13
0〜250℃、好ましくは150〜200℃の範囲であ
る。
生成したUO22粒子は流動層の上部からオーバーフロ
ーによつて装置外に排出され、第2流動層反応装置3に
送られ、導管6より装置底部に導入される反応ガス兼流
動化ガスとしての、水蒸気と反応して、UO3もしくは
35が生成する。この操作温度は500〜700℃と
するが、特にUO3の生成する500〜600℃の範囲
が好ましい。なお、操作温度600℃前後ではUO3
36の両者が生成する。
このUO3もしくはU33(残留UO22を微量含む)
は第3流動層反応装置4に送られ、導管7より装置底部
に導入される反応ガス兼流動化ガスとしての水蒸気及び
水素化ガスの混合ガスと反応してUO2を生成し、製品
二酸化ウラン粉末として容器8に受容される。この操作
温度は500〜600℃、特に500〜550℃の範囲
が好ましい。9は排ガス処理である。
本実施例で使用した流動層反応装置の反応部の径は3塔
とも8.3cmであり、操作条件は以下の通りであつた。
第1流動層反応装置 反応温度 180℃ UF6供給速度 85g/分 二流体ノズル水蒸気供給速度 17g/分 流動化ガス(水蒸気)速度 25cm2/秒 生成UO22 74g/分 第2流動層反応装置 反応温度 550℃ UF6供給速度 74g/分 流動化ガス速度 20cm/秒 生成UO/UO22 62/7g/分 第3流動層反応装置 反応温度 550℃ UO3/UO22供給速度 62/7g/分 流動化ガス速度 20cm/秒 水素/水蒸気供給比(モル比) 1/1 生成UO2 64g/分 この様にして得られたUO2粉末の物性は一例として次
の通りである。
カサ密度 2.6g/cm3 比表面積 2.2m2/g 平均粒子径 85μm U(%) 87.9% 残留F量(ppm) 70ppm 比較例1 本発明と比較のため、従来法による場合の生成二酸化ウ
ラン粉末の物性例を示す。上記実施例で使用した流動層
反応装置を用いるが、その反応部径はいずれも8.3cm
であつた。
操作条件: 第1流動層反応装置 反応温度 550℃ UF6供給速度 85g/分 流動化ガス速度 40cm/秒 供給反応ガス:水蒸気および水素 H2O/H2比(モル比) 3 生成物 74g/分 第2流動層反応装置 反応温度 630℃ 反応物供給速度 74g/分 流動化ガス速度 50cm/秒 供給反応ガス:水蒸気および水素 H2O/H2比(モル比) 2 生成物 67g/分 第3流動層反応装置 反応温度 650℃ 反応物供給速度 67g/分 流動化ガス速度 25cm/秒 供給反応ガス:水蒸気および水素 H2O/H2比(モル比) 4 生成UO2 64g/分 生成UO2粉末の物性は一例として次の通りである。
カサ密度 3.1g/cm3 比表面積 1.1m2/g 平均粒子径 192μm U(%) 87.8% 残留F量(ppm) 340ppm 比較例2 本比較例で使用した流動層反応装置は実施例のそれと同
一であり、その反応部径はいずれも8.3であつた。
操作条件: 第1流動層反応装置 反応温度 700℃ UF6供給速度 85g/分 流動化ガス速度(水蒸気) 40cm/秒 生成物 74g/分 第2流動層反応装置 反応温度 750℃ 反応物供給速度 74g/分 流動化ガス速度(水蒸気) 30cm/秒 生成物 68g/分 第3流動層反応装置 反応温度 550℃ 反応物供給速度 68g/分 流動化ガス速度 30cm/秒 供給反応ガス:水蒸気および水素 H2/H2Oモル比 1/1 生成UO2 64g/分 生成UO2粉末の物性は一例として次の通りである。
カサ密度 3.8g/cm3 比表面積 0.6m2/g 平均粒子径 230μm U(%) 87.9% 残留F量(ppm) 65ppm 比較例1は反応過程で六フツ化ウランと水素ガス、二酸
化ウランとフツ化水素の共存するケースであり、その結
果脱Fが迅速でなく、かつ製品二酸化ウラン粉末中の残
留F量は340ppm であり、本発明の70ppmに比べて5倍
という大きな値となる。また、粒径が大きく比表面積が
やや小さくなり、粉末の活性度が低下する。
比較例2は操作温度が700〜750℃と高い例で、残
留F量は小さいものの製品二酸化ウラン粉末のカサ密
度、粒子径が大きくなり、比表面積が著しく小さくなつ
て粉末の活性度の大巾な低下が見られる。その二酸化ウ
ラン粉末は原子炉燃料用二酸化ウランペレツトの製造に
は適しない。
(発明の効果) 本発明によつて製造した二酸化ウラン粉末は従来の流動
層法によるものに比べて活性度が高く、残留F量が小さ
いというすぐれた特性を有し、原子炉燃料用二酸化ウラ
ンペレツトの製造に適している。
【図面の簡単な説明】
図面は六フツ化ウランを二酸化ウランに変換する場合に
使用される流動層反応装置の一例のフローシートであ
る。 図において 1……気化器 2,3,4……流動層反応装置 5,6,10……水蒸気導管 7……水蒸気及び水素ガス導管 8……UO2受器 9……排ガス処理

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流動層反応装置を用いて六フツ化ウランを
    二酸化ウランに変換する方法において、 (a) 130〜250℃の温度に維持した第1反応塔にU
    ガスと水蒸気とを吹込んでUOとする第1ス
    テップ、 (b) 500〜700℃の温度に維持した第2反応塔で第
    1ステップからのUOを水蒸気によりUOおよ
    び/またはUとする第2ステップ、及び (c) 500〜600℃の温度に維持した第3反応塔で第
    2ステップからのUOおよび/またはUを水素
    ガス及び水蒸気によりUOとする第3ステップ、 の組合せによりなる六フツ化ウランを二酸化ウランに変
    換する方法。
  2. 【請求項2】前記第2ステップの反応温度が500〜6
    00℃の範囲である特許請求の範囲第(1)に記載の方
    法。
  3. 【請求項3】前記第1ステップのUFと水蒸気の吹込
    みを二流体ノズルを用いて行う特許請求の範囲第(1)に
    記載の方法。
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