Способ получения оксида урана

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к металлургии урана и производству соединений урана, и может быть использовано в химической и ядерной технологиях. Металлический уран нагревают в реакционной емкости в среде кислородсодержащего агента внешним источником тепла до температуры 500-900°С. Затем внешний источник отключают и осуществляют выдержку до прекращения процесса. В качестве реакционной емкости используют емкость, образующую замкнутое пространство с внутренним объемом, составляющим 2-4 объема загруженного металлического урана, и имеющую отверстия, суммарная площадь которых составляет от 5 до 25% от площади поверхности реакционной емкости. Технический результат: способ позволяет существенно снизить энергоемкость процесса получения оксида урана и повысить его производительность. 1 табл.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к металлургии урана и производству соединений урана, и может быть использовано в химической и ядерной технологиях.

Известен способ получения оксида урана, заключающийся в нагреве металлического урана (порошка или компактной заготовки) на воздухе до 700° С (см. В.Б. Шевченко, Б.Н. Судариков, Технология урана. Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники. Москва, 1961, с.28).

Недостатками этого способа получения оксида урана являются низкая эффективность процесса и высокая энергоемкость.

Известен способ получения оксида урана, заключающийся в нагреве металлического урана в реакционной емкости внешним источником тепла до температуры 500-900° С в кислородосодержащей среде с последующей выдержкой при указанной температуре до прекращения процесса образования оксида урана (см. Я.М. Стерлин, Металлургия урана. Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники. Москва, 1962, с.64-69).

Недостатками известного способа получения оксида урана являются значительные энергозатраты на поддержание заданного температурного режима процесса, а также невысокая производительность способа.

Эти недостатки связаны с тем, что в течение всего процесса получения оксида урана необходимо осуществлять нагрев реакционной емкости внешним источником нагрева, что приводит к значительным энергозатратам, а невысокая производительность способа связаны с образованием плотной оксидной пленки на поверхности металлического урана, создающей диффузионный барьер между металлической поверхностью и кислородосодержащей средой, замедляющей процесс окисления.

Перед авторами стояла задача снижения энергоемкости и повышения производительности способа получения оксида урана.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения оксида урана, включающем нагрев металлического урана в реакционной емкости в среде кислородсодержащего агента внешним источником тепла до температуры 500-900° С и последующую выдержку до прекращения процесса, согласно изобретению в качестве реакционной емкости используют емкость с внутренним объемом, составляющим 2-4 объема загруженного металлического урана, имеющую отверстия, суммарная площадь которых составляет от 5 до 25% от площади поверхности реакционной емкости, а после нагрева до температуры 500-900° С внешний источник тепла исключают.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем.

В предложенном способе получения оксида урана окисление металлического урана реализуется в условиях, обеспечивающих саморазогрев и тепловой баланс процесса.

Реакция взаимодействия урана с кислородом является экзотермической. Теплота образования U₃O₈, измеренная непосредственно калориметрическим методом по реакции

U₃+O₈→U₃O₈,

равна 260 Ккал/г· атом урана.

Для создания условий протекания процесса окисления металлического урана в режиме саморазогрева без дополнительного нагрева внешним источником тепла необходимо обеспечить сохранение теплового баланса процесса.

Экспериментально было установлено, что условия сохранения теплового баланса в зоне реакции обеспечиваются следующими техническими приемами:

- предварительным нагревом металлического урана в реакционной емкости в среде кислородсодержащего агента;

- поступлением в реакционную зону (емкость) кислородсодержащего агента в определенном количестве;

- использованием реакционной емкости с определенными геометрическими характеристиками;

- исключением внешнего источника тепла после достижения температуры 500-900° С.

Совокупность этих признаков позволяет решить задачу снижения энергоемкости и повышения производительности способа получения оксида урана.

Снижение энергоемкости предложенного способа связана с тем, что устраняется необходимость осуществления процесса в условиях постоянного нагрева реакционной емкости внешним источником тепла, а повышение производительности обусловлена увеличением скорости окисления металлического урана, поскольку процесс окисления в предложенном способе протекает в режиме горения.

Предложенный способ получения оксида урана иллюстрируется следующим примером.

Пример:

Металлический уран массой 1 кг в виде цилиндрического слитка или кусков произвольной формы загружали в реакционную емкость из нержавеющей стали, выполненную в виде прямоугольного контейнера с крышкой и отверстиями для доступа кислородосодержащего агента.

Размеры реакционной емкости изменялись таким образом, что соотношение его внутреннего объема и объема загружаемого урана составляло от 2 до 4, а площадь отверстий составляла от 5 до 25% от общей площади поверхности реакционной емкости.

Реакционную емкость с металлическим ураном помещали в муфельную печь и нагревали до 500-900° С в атмосфере кислородсодержащего агента (воздух, кислород).

После достижения заданной температуры 500-900° С внешний источник нагрева (муфельная печь) отключали и далее процесс окисления металлического урана протекал в режиме горения.

В таблице приведены примеры осуществления предложенного способа получения оксида урана на граничные и промежуточные значения его параметров, а также на параметры, выходящие за заявленные пределы в сопоставлении с известным способом.

Как следует из приведенных в таблице данных, предложенный способ получения оксида урана (примеры 1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом (примеры 6 и 7) снижение энергоемкости и повышение его производительности. Осуществление способа за заявленными пределами параметров (примеры 4 и 5) не позволяет решить поставленную задачу и достичь положительного эффекта.

Способ получения оксида урана, заключающийся в нагреве металлического урана в реакционной емкости в среде кислородсодержащего агента внешним источником тепла до температуры 500-900°С и последующей выдержке до прекращения процесса, отличающийся тем, что в качестве реакционной емкости используют емкость, образующую замкнутое пространство с внутренним объемом, составляющим 2-4 объема загруженного металлического урана и имеющую отверстия, суммарная площадь которых составляет от 5 до 25% от площади поверхности реакционной емкости, а после нагрева до температуры 500-900°С внешний источник исключают.