Sposób naweglania metalicznego uranu do jednoweglika uranu Przedmiotem wynalazku jest sposób naweglania metalicznego uranu do jednoweglika uranu wolnego od domieszek wyzszych weglików takich jak U2 C3 i UC2.Znany z niemieckiego opisu patentowego nr 1208297 sposób wytwarzania jednoweglika uranu z metalicz¬ nego uranu polega na poddaniu reakcji dokladnie rozdrobnionego uranu ogrzanego do temperatury 700—900° z gazowymi weglowodorami np. metanem w atmosferze gazu obojetnego. Inny znany sposób wytwarzania jedno¬ weglika uranu wedlug niemieckiego opisu patentowego nr 1219005 polega na dzialaniu wodorem na wyzsze wegliki uranu.Zaden ze znanych sposobów nie zabezpiecza odpowiedniej czystosci wytworzonego produktu, zwlaszcza takiej, która jest wymagana przez przemysl nuklearny. Zanieczyszczony weglik uranu nie nadaje sie do zastoso¬ wania jako paliwo w reaktorach pracujacych w wysokiej temperaturze.Wynalazek ma na celu usuniecie niedogodnosci znanych procesów i wskazanie nowego sposobu wytwarza¬ nia weglika uranu, który dawalby produkt o odpowiedniej czystosci.Sposób wedlug wynalazku polega na poddaniu reakcji uranu metalicznego z mieszanina gazowa metanu i wodoru (CH4 + H2) w odpowiedniej temperaturze. Mieszanina gazowa metanu z wodorem poddawana reakcji z uranem powoduje wytworzenie weglika uranu, a nie powoduje wytworzenia wyzszych weglików w tej tempera¬ turze.Stwierdzono, ze niezbedna do przeprowadzenia reakcji naweglania uranu mieszanina gazowa metanu i wo¬ doru moze byc wytworzona przez bezposrednie zmieszanie gazów, badz tez wytworzona in situ z wykorzysta¬ niem reakcji redukcji wegla wodorem, lub wyzszych weglików uranu wodorem. Przypuszczano, ze stezenie mieszaniny wodoru i metanu odpowiadajace stanowi równowagi reakcji wodoru z wyzszymi weglikami uranu w odpowiedniej temperaturze bedzie takie, iz mieszanina ta bedzie reagowala z metalicznym uranem z wytwo¬ rzeniem jednoweglika uranu, przy czym wyzsze wegliki uranu nie beda sie tworzyc. Przypuszczenie to potwier¬ dzono doswiadczalnie. Stwierdzono, ze metaliczny uran mozna przeprowadzic w jednoweglik uranu poddajac go dzialaniu mieszaniny gazowej (CH2 + H2) w ukladzie zamknietym, przy czym mieszanine te wytwarza sie dzialajac wodorem na wyzsze wegliki uranu i kierujac wytworzona mieszanine gazowa do naweglania.2 80885 Reakcja wodoru z wyzszymi weglikami uranu przebiega wedlug schematu: UC2+2H2) # CH4+UC. Ilosc powstajacego w reakcji metanu wzrasta, az do momentu ustalenia sie stanu równowagi reakcji wlasciwego dla temperatury prowadzenia procesu.Odpowiadajace stanowi równowagi stezenie metanu w mieszaninie gazowej jest wyzsze, niz wynika z równowagi reakcji U+CH4 **UC+2H2 i dlatego reakcja naweglania przebiega w kierunku wytwarzania wegli¬ ka uranu, a równoczesnie stezenie metanu w reagujacej mieszaninie gazowej jest zbyt male, aby reakcja nawegla¬ nia przebiegala w kierunku tworzenia wyzszych weglików uranu. Jako surowiec umozliwiajacy wytworzenie metanu in situ mozna stosowac nie tylko wegliki uranu, lecz równiez inne zródla wegla jak np. wegiel w postaci koksu. W przypadku stosowania jako surowca do wytworzenia metanu weglików uranu U3C3 i UC3 proces ulega szczególnemu uproszczeniu, poniewaz temperatura naweglania metalicznego uranu i odwegiania UCa jest taka sama, a wegliki uranu U2C3 i UC2 mozna wytworzyc przez poddanie reakcji uranu z weglem lub metanem. Przy zastosowaniu jako surowca do wytwarzania metanu wyzszych weglików uranu wytwarza sie znanym sposobem U2C3 i UC2, po czym przeprowadza sie druga operacje sposobem wedlug wynalazku, w której z tych weglików za pomoca wodoru wydziela sie metan. Mieszanine metanu z wodorem, wytworzona na drodze redukcji poddaje sie nastepnie reakcji, z metalicznym uranem przeprowadzajac uran metaliczny w jednoweglik uranu. W przypad¬ ku wytwarzania metanu z wodoru i wegla temperatura rekacji wytwarzania metanu jest wyzsza ód temperatury naweglania w odróznieniu od pierwszego sposobu, w którym zarówno reakcje wytwarzania metanu jak i nawegla¬ nia prowadzi sie w tej samej temperaturze. Stezenia CH4 i (PcHP4pfl ) w równowadze z weglem zalezy od temperatury. W zwiazku z tym w strefie reaktora zawierajacej wegiel mozna ustalic temperature, W której otrzy¬ muje sie odpowiednia mieszanine H2+CH4. Oczywiscie potrzebna ilosc UC2 lub UC3 jest skorelowana z iloscia uranu, który przeprowadza sie w weglik. Podane wyzsze wegliki (nosniki wegla) po przeprowadzeniu procesu naweglania uranu do UC, zawraca sie do procesu przez ponowne naweglenie do wyzszych weglików za pomoca CH4. Proces prowadzi sie w ukladzie zamknietym. Metan mozna wprowadzic do procesu w postaci metanu z butli, metanu wytworzonego in situ przez reakcje wodoru z weglem, lub metanu wytworzonego in situ ze zwiazków wydzielajacych wegiel.Wytwarzanie metanu in situ przez reakcje wodoru z wyzszymi weglikami uranu ma te zalete, ze otrzymany metan wykazuje doskonala czystosc. Ze wzgledu na wspomniana zalete sposobu wytwarzania metanu in situ badano starannie równowage reakcji UC2+2H2 ?* UC+CH4 w zaleznosci od temperatury. Wyniki oznaczen przedstawiono wykresem na fig. 3 wyrazajac stezenie mieszaniny gazowej w stanie równowagi stosunkiem cisnien czastkowych CHP + 4H jako funkcje temperatury. Dla wygody stezenie to wyrazono w procentach.W temperaturze 800° pCHP *H * 0,035. Wartosc ta obniza sie regularnie i prostoliniowo ze wzrostem temperatury osiagajac wartosc 0,01 w temperaturze 1000°.We wszystkich punktach lezacych ponizej prostej okreslajacej stezenie mieszaniny gazowej odpowiadajacej stanowi równowagi omawianej reakcji istnieje uklad gazowy odweglajacy wdanej temperaturze wyzsze wegliki uranu do jednoweglika uranu, czyli reakcja przebiega w kierunku na prawo. We wszystkich punktach lezacych powyzej tej prostej istnieje uklad gazowy naweglajacy UC do wyzszych weglików, czyli reakcja przebiega w kierunku na lewo.Zasadnicze zalety sposobu wedlug wynalazku polegaja na znacznym uproszczeniu aparatury i redukcji do minimum operacji recznych. Zaleta ta jest bardzo wazna w przypadku przerobu produktów radioaktywnych lub szkodliwych z innych przyczyn, pochodzacych z przemyslu nuklearnego. Prowadzac proces sposobem wedlug wynalazku stosuje sie w zamknietym obiegu niewielkie ilosci gazu w zwiazku z tym redukuje sie do miniumum zanieczyszczenie wprowadzane z gazem (tlen, azot, woda itp), dzieki czemu otrzymuje sie znacznie czystszy weglik uranu, niz którakolwiek ze znanych metod. Ponadto kontrola skladu stechiometrycznego wytwarzanego weglika jest prosta i latwa, wykonuje sie ja jedynie za pomoca regulowania temperatury naweglania i skladu gazu naweglajacego.Proces przeksztalcania uranu w UC mozna korzystnie wlaczyc do cyklu innych operacji technologicznych, r^). otrzymywanie UC mozna polaczyc z cyklem otrzymywania uranu w postaci metalicznej lub jego niskotopli- wych stopów, na przyklad z procesem otrzymywania uranu przez elektrolize stopionego haloidku z ciekla ka¬ toda, lub podobnym.Sposób wedlug wynalazku przeprowadza sie w urzadzeniu przedstawionym na fig. 1, w którym liczba 18 oznacza urzadzenie nagrzewcze, 19 pojemnik UC2 20 pojemnik uranu, 24 szczelne zamkniecie reaktora, 2580885 3 oporowy przewód grzejny, 26 oslone aluminiowa chroniaca reaktor przed parami metalu, 27 strefe kondensacji par metalu, 28 material izolacyjny, 21 pojemnik wodoru, 22 gazomierz, 23 termoelement do kontroli tempera¬ tury.Urzadzenie do wykonywania sposobu wedlug wynalazku przedstawia fig. 2. Reaktor 5 stanowi rura metalo¬ wa zamknieta w jednym koncu, w drugim zas zakonczona komora kondensacyjna 13, przy czym ten koniec rury zaopatrzony jest w hermetyczny uklad do uszczelniania gazu 4, a calosc jest umieszczona w obudowie 15, w ten sposób, ze otwieranie reaktora i wprowadzanie i odprowadzanie materialusmozna przeprowadzic w odpowiedniej atmosferze np. suchego wodoru. Mozna równiez wytworzyc próznie w reaktorze, jak tez wypelnic go gazem z pojemnika wodoru 12. Ponad obudowa 9 wokól rury stanowiacej reaktor umieszczone sa dwa oporowe urza¬ dzenia nagrzewcze 16, 17. Dwa termoelementy 3, 4 kontroluja niezaleznie od siebie temperature w dwóch strefach reaktora (strefa zawierajaca uran i strefa zawierajaca wegiel). Oslona aluminiowa 6 chroni scianki reak¬ tora przed dzialaniem par metalu, które moga zawierac Zn, Mg, Cd itp. w przypadku naweglania stopów uranu/ które winny kondensowac w komorze 13. Liczba 10 oznacza uklad zamykajacy w podwójnych drzwiach (wlaz zwany przez fachowców „SAS"), przez który mozna wprowadzic i odprowadzic material.Sposobem wedlug wynalazku naweglanie uranu prowadzi sie w urzadzeniu przedstawionym na fig. 2.W tym celu po przemyciu reaktora i obudowy wodorem wprowadza sie recznie pojemnik 7 zawierajacy mialko rozdrobniony czysty wegiel (na przyklad wegiel otrzymany przy krakingu metanu), po czym zamyka sie uklad uszczelniajacy 14 i wytwarza w reaktorze 5 p/óznie za pomoca pompy prózniowej 11, po czym ogrzewa sie. strefe reaktora zawierajaca wegiel za pomoca spirali 16 (1,2 oznacza izolacje urzadzenia nagrzewczego). Operacje te — wytwarzanie prózni i ogrzewanie prowadzi sie do calkowitego odgazowania wegla. Nastepnie reaktor chlo¬ dzi sie i wprowadza wodór w celu umozliwienia otwarcia ukladu uszczelniajacego 14 i wprowadza recznie pojem¬ nik 8 zawierajacy metaliczny uran lub jego stop. Po zamknieciu uszczelnienia 14 reaktor ogrzewa sie. Tempera¬ ture w strefie reaktora 7 kontrolowana za pomoca termoelementu 3 podnosi sie do okolo 1200°C. Stezenie równowagi CH4/CH4 + H2 przy tej temperaturze wynosi okolo 3,5%. Temperature procesu w strefie zawierajacej wegiel ustala sie tak, aby otrzymac stezenie CH4 nie wyzsze od stezenia odpowiadajacego równowadze UC—UC2—CH4 w temperaturze 820°C ustalonej dla reakcji naweglania. Przebieg procesu ustalono doswiadczal¬ nie w zaleznosci od wybranej temperatury. Przereagowany do weglika uran odprowadza sie przez podwójne drzwi.Nizej podano przyklady wykonywania sposobu wedlug wynalazku, które nie ograniaczaja zakresu wyna¬ lazku.Przyklad I. 30 g mialko rozdrobnionego wegla (wegiel z krakingu) wprowadzono do pojemnika 7. Po przemyciu i odgazowaniu w temperaturze 1000°C pod zmniejszonym cisnieniem wprowadzono pojemnik 8 za¬ wierajacy 1,95 g uranu metalicznego (wlewek). Temperature podniesiono powoli do okolo 200°C i wprowa¬ dzono wodór. Po uwodornieniu uranu temperature podniesiono do 500°C w celu odwodornienia uranu, po czym strefe naweglania reaktora ogrzano do +820 ± 5°C, a strefe do metanowania do 1200° ± 5°C. Próbe wyjeto po. uplywie 26 godzin. Analiza za pomoca promieni X dala nastepujace wyniki: UC 98%, UC2 2%. Analiza na wegiel calkowity dala wynik C calkowity - 4,63%.Przyklad II. Reakcje naweglania uranu metalicznego do jednoweglika uranu za pomoca metanu otrzy¬ manego przez redukcje wyzszego weglika uranu (C = 4,8% wagowych) przeprowadzono w urzadzeniu przedsta¬ wionym na fig. 1 zawierajacym oporowe urzadzenie grzejne 25 i rure aluminiowa 26. Metaliczny uran i miesza¬ nine weglików uranu (o srednim wzorze UC^ aq) wprowadzono w pojemnikach aluminiowych 19, 20 do alumi¬ niowej rury 26. Waga weglików o srednim skladzie UC1 5^ = 42,95 g, waga uranu metalicznego 1,1 g. Uklad przemyto wodorem w celu wyparcia powietrza, nastepnie uran metaliczny uwodorniono (w temperaturze 220 ) i odwodorniono v\ftej samej temperaturze w celu otrzymania uranu w postaci drobnoziarnistego mialkiego prosz¬ ku. Gazomierz 22 podlaczony do ukladu wypelniono 2250 cm3 wodoru i przeprowadzono naweglanie w tem¬ peraturze 840CC w ciagu 18 godzin. Uran wprowadzony w postaci metalu przereagowal w tym czasie praktycznie calkowicie do UC zawierajacego slady tlenku uranu. Analiza wykonana promieniami X otrzymanego produktu wykazala zawartosc C calkowitego = 4,75% wagowych.Przykladlll. Reakcja metalicznego uranu z metanem otrzymanym przez redukcje wyzszych weglików uranu: C calkowity = 4,8%, przeprowadzona w zamknietym ukladzie przy stosowaniu oporowego urzadzenia grzejnego i rury aluminiowej. Metaliczny uran (2,52 g) i weglik uranu o wzorze UC^g wprowadzono w 2 róznych pojemnikach aluminiowych.. Uklad przemyto wodorem do wyparcia powietrza. Nastepnie metaliczny uran uwodorniono (240°) i odwodorniono w tej samej temperaturze w celu otrzymania uranu w postaci drobno¬ ziarnistego proszku. Gazomierz (pojemnik gazu) podlaczony do ukladu wypelniono 2800 cm3 wodoru i prze¬ prowadzono reakcje naweglania w temperaturze 1000°C wciagu 6 godzin. Uran wprowadzony w postaci meta-4 80 885 licznej przereagowal praktycznie calkowicie do UC ze sladami tlenku uranu. Analiza wykonana promieniami na wegiel calkowity dala wynik C calkowity = 4,82% wagowych.Sposób wedlug wynalazku moze byc realizowany przy uzyciu urzadzenia przedstawionego na rysunku.Mozna go równiez przeprowadzac w innych urzadzeniach, które moga wykonac fachowcy. W objetym zastrzeze¬ niami zakresie wynalazku mozliwych jest szereg wariantów, które musza sie jednak miescic w podanej koncepcji ogólnej.UC2+2H2. 4. Sposób wedlug zastrz. 1—3, znamienny tym, ze reguluje sie sklad gazu naweglajacego w ten sposób, ze zmienia sie temperature w strefie uwodorniania weglików uranu lub wegla.Fig. 1KL 12i, 31/30 80 885 MKP C01b 31/30 fh tKL. 12i,31/30 80885 MKP C01b 31/30 PCH4+PHI ' 10 _i__ I I 800 850 300 350 1000'C Fig.3 Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120+18 Cena 10zl PL PL