Способ получения мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония

Изобретение относится к области химической и радиохимической промышленности и может быть использовано для получения нитридного ядерного топлива (мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония). Способ получения мононитрида урана или смеси мононитридов урана и плутония в плазмохимическом реакторе включает введение в плазму азота и водорода гексафторида урана или смеси гексафторидов урана и плутония, при этом поддерживают не менее чем пятидесятикратное превышение объемного или мольного содержания азота и не менее чем пятнадцатикратное превышение объемного или мольного содержания водорода по сравнению с объемным или мольным содержанием гексафторидов в плазме. Выходящий из плазмохимического реактора газовый поток охлаждают в потоке азота и водорода или аммиака и/или теплоотводом и выделяют из него мононитриды. После выделения из газового потока мононитридов дополнительно выделяют из него фтористый водород, в газовый поток добавляют азот и водород или аммиак и возвращают его в плазмохимический реактор. Результат изобретения: упрощение процесса, повышение его производительности при снижении затрат. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области химической и радиохимической промышленности и может быть использовано для получения нитридного ядерного топлива (мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония).

Известен способ получения порошка мононитрида урана из металлического урана путем непосредственного его взаимодействия с азотом или путем предварительного гидрирования урана с последующим переводом гидрида в нитрид U₂N₃ (Емельянов В.С., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего, М., Атомиздат, 1968, С.149) [1]. Далее U₂N₃ разлагают при температуре ˜1300°С в вакууме до образования порошка мононитрида урана UN. Недостатком способа является использование в качестве исходного материала металлического урана, т.к. для его получения из других соединений требуются дополнительные операции, что усложняет процесс и делает его дорогостоящим. Исходным сырьем при производстве ядерного топлива из обогащенного урана всегда является гексафторид урана. При получении мононитрида урана из металлического урана, обогащенного по U-235, необходимо, например, предварительно перевести гексафторид урана в тетрафторид, а затем тетрафторид урана восстанавливают металлическим кальцием до металла.

Известен способ получения плотных изделий из мононитрида урана путем дуговой плавки расходуемого металлического уранового электрода в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе под давлением азота от 20 до 90 атм (там же [1], стр.150).

Недостатком способа является использование металлического урана и крупнозернистость получаемых слитков, кроме того, необходимость обеспечивать высокое давление азота в аппарате усложняет оборудование. Для улучшения свойств литого UN в металлический урановый электрод вводят добавки, например 0,5 мас.% железа или никеля.

Известен способ получения мононитрида урана путем нитрирования при температуре 1400-1850°С смеси диоксида урана и углерода (там же [1], С.149). Недостатком способа является сложность процесса и необходимость применения в качестве восстановителя углерода, т.е. введения дополнительного реагента, что приводит к наличию в нитриде остаточного углерода и кислорода и загрязнению ими конечного продукта.

Известен способ получения нитрида плутония путем дуговой плавки металлического плутония в среде азота при температуре ˜5000°С, при этом выход PuN составлял ˜90% (Плутоний. Справочник под ред. О.Вика, Т.1., М., Атомиздат, 1971, С.112). Недостатком способа является использование в качестве исходного материала металлического плутония, т.к. процесс его получения, как и процесс получения металлического урана, сложный и дорогостоящий.

Близкого аналога заявляемого способа не обнаружено.

Целью изобретения является упрощение процесса, повышение его производительности при снижении затрат.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе получения мононитрида урона и смеси мононитридов урана и плутония в плазму азота и водорода, созданную в плазмохимическом реакторе, вводят гексафторид урана (UF₆) или смесь гексафторидов урана и плутония (UF₆+P_uF₆), при этом поддерживают не менее пятидесятикратное превышение объемного или мольного содержания азота и не менее пятнадцатикратное превышение объемного или мольного содержания водорода по сравнению с объемным или мольным содержанием гексафторидов в плазме, охлаждают выходящий из плазмохимического реактора газовый поток и выделяют из него мононитриды.

Гексафторид урана или смесь гексафторидов урана и плутония вводят в плазму непосредственно или потоком газа-носителя.

Выходящий из плазмохимического реактора газовый поток охлаждают в потоке азота и водорода или аммиака и/или теплоотводом.

После выделения из газового потока мононитридов дополнительно выделяют из него фтористый водород, в газовый поток добавляют азот и водород или аммиак и возвращают его в плазмохимический реактор.

Для легирования мононитридов в плазму дополнительно вводят гексафториды или легколетучие хлориды и фториды легирующих элементов.

При введении газообразного гексафторида урана (UF₆) (возгоняется при нормальном давлении без плавления при температуре более 56°С) или смеси газообразных гексафторидов урана и плутония в плазму азота и водорода или аммиака реагенты переходят в атомарное и ионное состояния, становятся возможными реакции образования термодинамически более устойчивых мононитридов и фтористого водорода.

Поддерживание не менее пятидесятикратного превышения объемного или мольного содержания азота и не менее пятнадцатикратного превышения объемного или мольного содержания водорода по сравнению с объемным или мольным содержанием гексафторидов в плазме обеспечивает необратимость и полноту протекания процесса.

Охлаждение выходящего из плазмохимического реактора газового потока в потоке азота и водорода или аммиака и/или теплоотводом позволяет сконденсировать, провести кристаллизацию и перевести полученные в процессе реакции мононитриды в твердое состояние и выделить их из потока газа.

После выделения из газового потока мононитридов дополнительно выделяют из него фтористый водород вымораживанием (конденсацией) и сорбцией на фториде натрия, затем в газовый поток добавляют азот и водород или аммиак и возвращают его в плазмохимический реактор. Такая организация циркуляции потока газов позволяет сократить их расход и уменьшить выброс радиоактивных аэрозолей.

Для легирования мононитридов в плазму дополнительно вводят гексафториды или легколетучие хлориды и фториды легирующих элементов.

Новыми существенными признаками заявляемого способа по сравнению с прототипом являются:

- получение мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония из их гексафторидов с образованием соответственно нитридов и фтористого водорода и условия проведения процесса;

- организация циркуляции потока газов для сокращения их расхода и уменьшения выброса радиоактивных аэрозолей;

- охлаждение плазмы разбавлением потоком циркулирующего газа.

В технической патентной литературе некоторые из перечисленных признаков встречаются, но для других целей и не в таком сочетании. Так, в способе получения нитрида титана в СВЧ-плазме азота и водорода из газообразного тетрахлорида титана используются газообразные реагенты (Бутаенко Л.Т., Кузьмин Л.Г., Полак Л.С. Химия высоких энергий. М., «Химия», 1988, с.329). В качестве исходного материала использован газообразный тетрахлорид титана, в нормальных условиях являющийся жидкостью с температурой кипения 136°С, однако для получения нитрида урана нельзя применить тетрахлорид урана, т.к. в нормальных условиях он является твердым веществом (t_пл=590°C и t_кип=790°С). Для получения в плазме мононитрида плутония или смеси нитридов урана и плутония нельзя использовать трихлорид плутония, имеющий t_пл=760°C.

Новые существенные признаки заявляемого изобретения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, а совокупность признаков обеспечивает новые свойства Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

В плазму смеси водорода с азотом или аммиака, образуемую в плазмохимическом реакторе, преимущественно с СВЧ-плазмотроном, или с дуговым плазмотроном, вводили непосредственно или с потоком газа-носителя (азота) гексафторид урана или смесь гексафторидов урана и плутония в мольном (М) или объемном (в единицах объемов газов (V) соотношении 1 М (V) UF₆:50 М (V) N₂:15 М (V) H₂. Выходящий из плазмотрона газовый поток с мелкодисперсными нитридами резко охлаждают (закаливают) до температуры ниже 500°С разбавлением в потоке азота и водорода или аммиака и/или теплоотводом. Выделяют из потока газов мононитриды известным способом, например отфильтровывают. Далее из потока газов конденсацией при температуре минус 70°С и сорбцией на фториде натрия при температуре 120°С выделяют фтористый водород, в поток добавляют азот, водород или аммиак взамен израсходованных на образование нитридов и фтористого водорода и газодувкой (компрессором) возвращают газовый поток в плазмохимический реактор и на охлаждение плазмы, а лишний объем газовой смеси сбрасывают через аэрозольный фильтр.

При необходимости легирования получаемого мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония, а также получения их смеси с «инертными» нитридами к гексафториду урана или его смеси с гексафторидом плутония добавляют гексафториды молибдена, вольфрама или легколетучие хлориды или фториды титана, циркония, кремния и др. Аналогично могут быть получены из гексафторидов элементов (вольфрама, молибдена) и их смесей мононитриды соответствующих элементов или их смеси.

Таким образом, заявляемый способ позволяет упростить процесс и снизить затраты на получение мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония.

1. Способ получения мононитрида урана или смеси мононитридов урана и плутония в плазмохимическом реакторе, характеризующийся тем, что в плазму азота и водорода вводят гексафторид урана или смесь гексафторидов урана и плутония, при этом поддерживают не менее чем пятидесятикратное превышение объемного или мольного содержания азота и не менее чем пятнадцатикратное превышение объемного или мольного содержания водорода по сравнению с объемным или мольным содержанием гексафторидов в плазме, охлаждают выходящий из плазмохимического реактора газовый поток и выделяют из него мононитриды.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что гексафторид урана или смесь гексафторидов урана и плутония вводят в плазму непосредственно или потоком газа-носителя.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что выходящий из плазмохимического реактора газовый поток охлаждают в потоке азота и водорода или аммиака и/или теплоотводом.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что выходящий из плазмохимического реактора газовый поток охлаждают резко до температуры ниже 500°С.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что после выделения из газового потока мононитридов дополнительно выделяют из него фтористый водород, в газовый поток добавляют азот и водород или аммиак и возвращают его в плазмохимический реактор.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для легирования мононитридов в плазму дополнительно вводят гексафториды или легколетучие хлориды и фториды легирующих элементов.