Способ переработки гексафторида урана

 

Использование: получение оксидов урана и соединений фтора. Сущность способа: гексафторид урана подают в реактор для взаимодействия с плазмой водяного пара. Водяной пар берут в избытке, не превышающем 6% по отношению к стехиометрии. Обработку плазмой осуществляют за зоной разряда при энергозатратах не менее 0,5 кВт-ч/кг гексафторида урана. Время обработки не менее 4,1·10^-3с. Ректификацией выделяют безводный фторид водорода и азеотроп: фторид водорода - вода. Этот азеотроп используют для создания 5 % избытка водяного пара. Гексафторид урана подают в теплоноситель для его разогрева до высоких температур при разности давлений водяного пара и гексафторида урана более 2 кПа. Затем смесь компремируют до давления водяного пара и подвергают пирогидролизу. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способам переработки гексафторида урана с получением оксидов урана и может быть использовано в технологиях конверсии гексафторида урана.

Известен способ переработки гексафторида урана с получением диоксида урана [1] Способ включает: а) взаимодействие паров UF₆ с водяным паром при температуре 200^oC700^oC с образованием UO₂F₂ и оксидов с отношением: O:U= 2,7^oC3; б) растворение UO₂F₂ и оксидов в воде или растворе азотной кислоты; в) взаимодействие полученного раствора с аммиаком до получения диураната аммония; г) фильтрацию диураната аммония; д) высушивание и прокаливание диураната аммония с образованием при восстановлении диоксида урана. Процесс многостадиен, требует затрат большого количества реактивов, энергоемок.

Наиболее близким способом переработки гексафторида урана в оксиды является способ, описанный в работе [2] Способ заключается в проведении пирогидролиза (гидролиза при температурах 600^oC700^oC) UF₆ в условиях кипящего слоя. Для этого пары UF₆ при высокой температуре смешивают с водяным паром и водородом при соотношении реагентов UF₆ H₂O H₂ 1 (2^oC12): (5^oC20). Промежуточными продуктами являются UF₄, U₃O₈ и UO₂F₂. В условиях "кипящего слоя" при взаимодействии с водяным паром и водородом происходит их быстрое превращение в двуокись урана по суммарному уравнению: UF₆+2Н₂0+H₂=UO₂+6НF.

Процесс реализуется двухступенчато: для первой стадии реакции достаточна температура 600^oC650^oC, для второй 700^oC750^oC. Процесс реализуется соответственно в камере гидролиза и в камере обесфторивания. Кроме того, способ малопроизводителен оптимальная производительность 300^oC400 г/ч.

Отличие настоящего способа состоит в том, что процесс пирогидролиза осуществляется путем взаимодействия паров гексафторида урана с плазмой водяного пара. Для этого водяной пар в плазмотроне превращают в кислородно-водородную плазму с начальной температурой 2500^oC5000 К и перемешивают гексафторид урана с этой плазмой в плазмохимическом реакторе. Брутто-реакция взаимодействия описывается уравнением: (UF₆)_газ+3(H₂O)_газ= 1/3(U₃O₈)_тв+6(HF)_газ+1/3(O₂)_газ .

Для стабилизации выхода фторида водорода водяной пар подают с пятипроцентным избытком по отношению к стехиометрически необходимому. Чтобы предотвратить взаимодействие фторида водорода с оксидами урана на выходе из реактора, где производят разделение твердой и газовой фаз, поддерживают температуру не ниже 850^oС. Выходящую из реактора газовую фазу, содержащую 92^oC95% фторида водорода, направляют на выделение фторида водорода ректификационным способом. Безводный фторид водорода используют для подпитки фторных электролизеров сублимационного производства или для других целей.

Оставшийся после ректификационного выделения безводного фторида водорода азеотроп HF-H₂O, содержащий 1^oC3% фтора от общего количества, направляют в голову процесса и смешивают в плазмохимическом реакторе с кислородно-водородной плазмой. Возврат водяного пара в виде азеотропа в плазмохимический реактор создает в зоне реакции 5%-ный избыток его, необходимый для стабилизации выхода фторида водорода и снижения содержания фтора в полученных оксидах урана.

Гексафторид урана подают в теплоноситель при давлении на 2 кПа ниже давления водяного пара, после чего смесь компремируют до давления водяного пара, а затем подвергают пирогидролизу в плазме водяного пара.

При смешении происходит процесс передачи тепловой энергии от теплоносителя к гексафториду урана, при этом температура теплоносителя падает, а гексафторида возрастает. Нагрев гексафторида сопровождается его термической диссоциацией на низшие фториды и фтор с увеличением объема смеси. Химическая реакция, вызывающая изменение объема, интенсифицирует процесс смешения. Снижение давления гексафторида снижает температуру начала термической диссоциации, следовательно, интенсифисирует как переход тепловой энергии от теплоносителя к гексафториду, так и процесс смешения на уровне глобул. Последующая компрессия смеси вызывает частичную рекомбинацию продуктов диссоциации, что сопровождается уменьшением объема и выделением тепла. Таким образом, процесс рекомбинации способствует перераспределению энергии на молекулярном уровне. Компрессия смеси до давления, равного давлению водяного пара, исключает влияние процессов рекомбинации на последующий гидролиз смеси.

Основные отличия настоящего способа от существующего способа прототипа: 1. Перерабатываемое сырье гексафторид урана конвертируют химически активной плазмой водяного пара при его избытке, не превышающем 5% от стехиометрического соотношения. Время конверсии не менее 4,1·10^-3 с в зависимости от соотношения т полноты смешения реагентов, температуры плазмы водяного пара.

2. В зоне разделения газовой и твердой фаз, образовавшихся в результате плазмохимической реакции, поддерживают температуру не ниже 850^oC для того, чтобы предотвратить рекомбинацию фтора и урана.

3. Газовую фазу, состоящую из фторида водорода с примесью (до 5%) водяного пара, подвергают ректификационной разгонке, при которой выделяют безводный фторид водорода и азеотроп.

4. Благодаря применению сочетания вышеперечисленных операций обеспечивается решение технической проблемы выделения безводного фторида водорода из "отвального" гексафторида урана и перевода урана из летучего фторида в нелетучие оксиды.

Пример 1. На опытной установке, имеющей плазмохимический реактор, систему испарения и дозирования гексафторида урана, нагрева его путем смешения с теплоносителем, систему дозирования водяного пара, систему конденсации фторида водорода, систему вакуумирования и высокочастотный генератор ЛГД-32 для питания плазмотрона, осуществляют переработку гексафторида урана в оксиды урана и фторид водорода.

Через высокочастотный плазмотрон пропускают водяной пар с расходом не более 5% по отношению к стехиометрическому количеству подвергаемого гидролизу гексафторида урана, подаваемым в нижнюю часть реактора за зоной разряда. В момент смешения гексафторида урана с высокотемпературным теплоносителем разность давлений водяного пара и гексафторида урана 2,2 кПа. Затем смесь компремируют до давления водяного пара и подвергают пирогидролизу в плазме водяного пара. Энергозатраты на процесс составляют не менее 0,5 кВт-ч/кг гексафторида урана. Время обработки 4,2·10^-3 с. Температуру наружной поверхности слоя оксидов урана поддерживают на уровне 600^oC650^oC. Температура внутренней поверхности слоя оксидов урана, осевших на стенки реактора, выше температуры стенок и составляет 850^oC900^oC. Газовый поток после отделения в реакторе от основной массы оксидов фильтруют через металлокерамические никелевые фильтры, работающие при температуре 200^oC250^oC. Пары фторида водорода из газового потока конденсируют в системе конденсации, состоящей из конденсатора и емкости для сбора конденсата. Температуру конденсации поддерживают равной 4^oC6^oC регулированием подачи хладагента. Полученные оксиды содержат 0,2% фтора, по составу близки к закиси-окиси урана. В емкости дня сбора конденсата собирают плавиковую кислоту с содержанием 98^oC99 маc. фторида водорода. После переработки 30^oC35 кг гексафторида урана полученную плавиковую кислоту на ректификационной колонне разделяют на безводный фторид водорода (99,9% HF) и азеотроп с содержанием 38^oC40% HF. Из 10 кг плавиковой кислоты, полученной при взаимодействии гексафторида урана с кислородноводородной плазмой, после ректификации получают около 9,6 кг безводного фторида водорода и 0,4 кг азеотропа, который испаряют и подают в высокочастотный плазмотрон.

Пример 2. На опытной установке по примеру 1 осуществляют процесс переработки гексафторида урана в оксиды урана. Энергозатраты на процесс составляют 0,3 кВт-ч/кг гексафторида урана. При прочих равных с примером 1 условиях содержания фтора в полученном оксиде возрастает до 1,5 мас.

Пример 3. Способ опробован на опытно-промышленной плазменной установке с плазмотроном ЭДП-109 в производственных условиях. В качестве компрессора используют газовый эжектор, где эжектируемым газом является азотная плазма. Гексафторид урана является эжектируемым газом, его температура на входе составляет 343^oC400 К и расход 5^oC10 г/с. Смесь гексафторида урана с теплоносителем азотом поступает в реакционную камеру, где реагирует с плазмой водяного пара, с его избытком по отношению к стехиометрическому количеству обрабатываемого гексафторида урана 5 маc. Удельные энергозатраты составляют 0,6 кВт-ч/кг гексафторида урана. Время обработки 5·10^-3 с. Давление в реакционной камере составляет 70 кПа. Полученные в этом режиме оксиды урана содержат, в среднем, 0,2% фтора. Без изменения тепловых и расходовых параметров процесса путем варьирования длиной эжектора изменяется разность давления водяного пара в реакционной камере и гексафторида на входе в эжектор от нуля до 10 кПа, после чего смесь компремируют до давления водяного пара. При этом содержание фтора и уранилфторида в получаемых оксидах урана изменяется как, показано в таблице.

Из таблицы следует, что влияние разности давлений на содержание фтора в оксидах начинает проявляться при значениях 2 кПа и более.

Настоящий способ позволяет получить безводный фторид водорода. Содержание фтора в оксиде урана не превышает 0,2% Литература 1. Европатент N 322.481, кл. С 01 G 43/026, от 05.07.1989.

2. Галкин И.А. Верятин У.Д. Яхонин И.Ф. и др. Исследование процесса превращения гексафторида урана в двуокись. Атомная энергия, 1982, т. 52, вып. 1, с. 36-39.

Формула изобретения

1. Способ переработки гексафторида урана, включающий его взаимодействие с парами воды при высокой температуре и последующее разделение твердой и газовой фаз, отличающийся тем, что взаимодействие гексафторида урана с парами воды осуществляют в плазме водяного пара за зоной разряда, водяной пар берут в избытке, не превышающем 5% по отношению к стехиометрическому количеству, удельные энергозатраты составляют не менее 0,5 кВт·ч/кг гексафторида урана при времени обработки не менее 4,1·10 ^-3 с и после разделения фаз газовую фазу конденсируют и ректификацией выделяют безводный фторид водорода и азеотроп фторид водорода вода, при этом для создания 5% избытка водяного пара используют азеотроп фторид водорода вода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разность давлений водяного пара и гексафторида урана до смешения превышает 2 кПа, после чего смесь компремируют до давления водяного пара.

РИСУНКИ

Рисунок 1