Способ получения тетрафторида урана

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ, а именно к способу получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана. Способ заключается в том, что смешивают диоксид урана с бифторидом аммония, размещают смесь порошков в замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха, устанавливают замкнутую емкость в другую емкость с зазором, который заполняют засыпкой из углеграфитового материала в виде гранул таким образом, чтобы гранулы полностью укрывали замкнутую емкость, далее осуществляют термообработку полученной смеси на стадии образования двойной соли урана в воздушной атмосфере при температуре выше точки плавления бифторида аммония, но ниже точки его кипения и термообработку двойной соли на стадии ее разложения до тетрафторида урана при температуре выше начала окисления углеграфитового материала, но ниже температуры плавления тетрафторида урана. Изобретение обеспечивает получение кондиционного тетрафторида урана с низким содержанием кислорода, высокой насыпной плотностью и выходом более 99%, а также упрощение процесса. 9 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана.

Известен способ получения тетрафторида урана (патент GB №2222824, МПК C01G 43/06, опубл. 06.09.1989), по которому тетрафторид урана получают осаждением фтористо-водородной кислотой при 95°C из раствора урана в концентрированной соляной кислоте. Недостатком этого способа является использование избытка фтористо-водородной кислоты при 95°C, являющейся опасным и коррозионно-активным веществом.

Также известен способ (патент RU №2257351, МПК C01G 43/06, опубл. 27.02.2005), по которому осаждение тетрафторида урана проводят из хлоридного неводного раствора урана фторидом щелочного металла или бифторидом аммония. Недостатками этого способа являются использование агрессивных хлорсодержащих растворов и трибутилфосфата, а также необходимость проведения операций промывки, фильтрации и сушки тетрафторида урана и утилизации (переработки) промывных вод.

Известен «сухой» способ получения тетрафторида урана обработкой оксида урана газообразным фтористым водородом при 150-415°C (патент RU №2484020, МПК СO1G 43/06, опубл. 10.06.2013). Недостаток этого способа - использование герметичной агрегированной системы, включающей шнековые вращающиеся печи, холодильники - конденсаторы и прочее, а так же дорогостоящего, дефицитного газообразного фтористого водорода. Кроме того, тетрафторид, полученный таким способом, может содержать до 0,5% кислорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ получения тетрафторида урана (патент DE №949735, МПК C01G, опубл. 27.09.1956), по которому смесь диоксида урана и бифторида аммония нагревают до 150°. При этом вначале происходит образование двойных солей урана: пентафторураната (NH4UF5) и гексафторураната (NH4)2UF6). Полученные соли промывают дистиллированной водой и спиртом и сушат в вакууме при 110°C, а их разложение проводят в вакууме или в протоке инертного газа при 400-500°C. К недостаткам этого способа можно отнести многостадийность процесса (синтез двойной соли, промывка ее водой и спиртом, сушка и разложение соли до тетрафторида) и сложность аппаратурного оформления, поскольку этот способ предполагает использование герметичной агрегированной системы для проведения процесса разложения двойной соли в вакууме или инертной атмосфере. При этом содержание кислорода в тетрафториде, получаемом этим способом, составляет 0,5-0,6 мас. %, а его насыпная плотность не превышает 2,0 г/см3.

Задачей изобретения является упрощение процесса, снижение содержания кислорода в получаемом тетрафториде и повышение его насыпной плотности.

Техническое решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения тетрафторида урана, включающем смешивание диоксида урана с бифторидом аммония, термообработку полученной смеси на стадии образования двойной соли урана и термообработку двойной соли на стадии ее разложения до тетрафторида урана, согласно изобретению смесь порошков диоксида урана и бифторида аммония размещают в замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха, устанавливают замкнутую емкость в другую емкость с зазором, который заполняют засыпкой из углеграфитового материала в виде гранул таким образом, чтобы гранулы полностью укрывали упомянутую замкнутую емкость, а термообработку емкостей проводят в воздушной атмосфере в две стадии: на первой стадии (на стадии образования двойной соли урана) при температуре выше точки плавления бифторида аммония, но ниже точки его кипения и на второй стадии (на стадии разложения полученной соли до тетрафторида урана) при температуре выше начала окисления графита, но ниже температуры плавления тетрафторида урана.

В частных вариантах осуществления изобретения:

- В качестве первой замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха используют контейнер с крышкой.

- Толщина слоя засыпки может составлять 1,0 - 2,5 см.

- Термообработку емкостей на стадии разложения двойной соли урана до тетрафторида урана проводят при температуре 650-750°C.

- На первой и второй стадиях термообработки осуществляют выдержку в течение 1-2 часов и 1,0-1,5 часов соответственно.

- Бифторид аммония берут в количестве 1,0-1,2 от веса диоксида урана.

- Используют гранулы углеграфитового материала размером 0,6-2,5 мм.

- Используют углеграфитовый материал с открытой пористостью более 20%.

- В качестве углеграфитового материала используют синтетический графит или кокс.

Смесь порошков диоксида урана и бифторида аммония размещают в замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха, устанавливают в другую емкость с зазором, который заполняют засыпкой из углеграфитового материала в виде гранул таким образом, чтобы гранулы полностью укрывали первую емкость.

В замкнутой емкости со смесью диоксида урана и бифторида аммония, погруженном в засыпку в виде гранул из углеграфитового материала, благодаря продуктам реакции синтеза оксида углерода и разложения бифторида аммония защитная атмосфера образующихся газов (NH3, CO) препятствует прямому воздействию воздушной среды на реакционную смесь и тетрафторид урана. Это способствует существенному снижению кислорода в получаемом продукте с 0,5 (как в прототипе) до 0,04%.

Окислению тетрафторида урана препятствует оксид углерода, образующийся при окислении засыпки из углеграфитового материала в соответствии с протекающими реакциями:

При прокалке емкости со смесью диоксида урана с бифторидом аммония за счет создания замкнутого объема с ограниченным доступом воздуха (в частном варианте осуществления это может быть контейнер с крышкой) создается ограниченный доступ воздуха (кислорода) к гранулам углеграфитового материала. Поэтому в условиях дефицита кислорода протекает преимущественно реакция (2) с образованием оксида углерода, являющегося основным компонентом защитной атмосферы при температуре выше 400-500°C (начало окисления углеграфитового материала). При этом окисление гранул из углеграфитового материала происходит за счет воздуха, находящегося в порах гранул и самой засыпке.

Термообработку емкостей проводят в воздушной атмосфере в две стадии: на первой (на стадии образования двойной соли урана) при температуре выше точки плавления бифторида аммония, но ниже точки его кипения и на второй (на стадии разложения двойной соли урана до тетрафторида урана) при температуре выше начала окисления графита, но ниже температуры плавления тетрафторида урана.

На первой стадии внутри замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха протекает реакция образования двойной соли урана

Нижняя граница температурного диапазона термообработки на первой стадии обусловлена тем, что при температуре выше точки плавления бифторида аммония (~126°C) порошок диоксида урана смачивается жидким (расплавленным) бифторидом аммония, обеспечивая необходимый массобмен между реагентами. С другой стороны, при температуре выше точки кипения бифторида аммония (238°C) происходит процесс интенсивного испарения бифторида аммония и удаления его из зоны реакции, вследствие чего образование двойной соли происходит не полностью.

На второй стадии процесс разложения двойной соли урана до тетрафторида урана проходит по реакции

,

и происходит образование защитной атмосферы вследствие окисления гранул углеграфитового материала в виде оксида углерода по реакции (2).

Выбор температурного диапазона термообработки на второй стадии обусловлен, с одной стороны, тем, что при температуре выше начала окисления углеграфитового материала (~400-500°C) начинается реакция разложения двойной соли до тетрафторида урана и образование защитной атмосферы, а с другой стороны, при температуре выше температуры плавления тетрафторида урана (~1000°C) происходит его оплавление и спекание.

Температурный диапазон термообработки на второй стадии 650-750°C является оптимальным с точки зрения скорости протекания реакции (5) и получения тетрафторида урана с высокой насыпной плотностью (более 2,0 г/см3).

Экспериментально установлено, что при 650°C оптимальная толщина засыпки составляет порядка 1,0 см, а при увеличении температуры до 750°C - 2,5 см.

Кроме того, выдержка в течение 1-2 часов на первой стадии термообработки и в течение 1,0-1,5 часов на второй стадии термообработки обеспечивает соответственно полноту прохождения реакций образования двойной соли и разложения двойной соли до тетрафторида урана.

Бифторид аммония берут с «запасом», т.е. с учетом его расхода на образование двойной соли и испарения в процессе образования двойной соли, что может составлять 1,0 -1,2 от веса диоксида урана.

Пример осуществления способа

В соответствии с заявляемым способом порошок диоксида урана смешивали с порошком бифторида аммония в количестве 1,0-1,2 от веса диоксида урана и помещали в никелевый контейнер с закрытой крышкой. Этот контейнер размещали в другом контейнере из жаропрочной стали с зазором 1,0-2,5 см, который заполняли гранулами углеграфитового материала до верхнего уровня таким образом, чтобы он полностью закрывал крышку первого контейнера. Толщина слоя засыпки на крышке первого контейнера составляла 1,0-2,5 см. Систему емкостей с углеграфитовой засыпкой нагревали в воздушной атмосфере вначале до температуры 200-235°C, а затем нагревали до 650-750°C. В качестве углеграфитового материала в опытах №1,2,3 использовали гранулы графита ГМЗ с открытой пористостью 25%, а в опыте №4 - гранулы нефтяного кокса с открытой пористостью 35%.

Выдержку при температуре 200-235°C проводили в течение 1-2 ч до образования двойной соли фторида урана ((NH4)2UF6) по реакции (4):

При достижении температуры 650-750°С проводили выдержку в течение 1,0-1,5 ч до разложения двойной соли до тетрафторида урана. Масса ингредиентов и режимы термообработки первой - низкотемпературной (200-235°C) и второй - высокотемпературной (650-750°C) стадий приведены в таблице 1.

Контроль качества получаемого тертафторида урана проводили с помощью рентгенофазового и химического анализов, результаты которых приведены в таблице 2.

Из данных таблиц 1 и 2 и результатов химического и рентгенофазового анализов UF4 видно, что в опытах №1, 2, 3, 4 был получен UF4 хорошего качества с содержанием кислорода всего 0,04-0,049%.

Таким образом, предложенный способ позволяет сократить стадийность и продолжительность процесса, при этом получать кондиционный тетрафторид урана с насыпной плотностью 2,37-2,62 г/см3 и выходом более 99% по сравнению с другими, известными сухими методами. Кроме того, значительно упрощается аппаратурное оформление процесса получения тетрафторида урана.

Предложенный способ позволяет организовать процесс получения UF4 в стандартных прокалочных муфелях, в контейнерах, изготовленных из никеля или сплавов на его основе (монель, инконель) без применения инертных газов, вакуумирования и использования герметичной агрегированной системы.

1. Способ получения тетрафторида урана, включающий смешивание диоксида урана с бифторидом аммония, термообработку полученной смеси на стадии образования двойной соли урана и термообработку двойной соли на стадии ее разложения до тетрафторида урана, отличающийся тем, что смесь порошков диоксида урана и бифторида аммония размещают в замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха, устанавливают замкнутую емкость в другую емкость с зазором, который заполняют засыпкой из углеграфитового материала в виде гранул таким образом, чтобы гранулы полностью укрывали упомянутую замкнутую емкость, а термообработку емкостей проводят в воздушной атмосфере на стадии образования двойной соли урана при температуре выше точки плавления бифторида аммония, но ниже точки его кипения и на стадии разложения двойной соли урана до тетрафторида урана при температуре выше начала окисления углеграфитового материала, но ниже температуры плавления тетрафторида урана.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха используют контейнер с крышкой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина засыпки из углеграфитового материала составляет 1,0-2,5 см.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку емкостей на стадии разложения двойной соли урана до тетрафторида урана проводят при температуре 650-750°C.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии образования двойной соли урана проводят выдержку в течение 1-2 часов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии разложения двойной соли урана до тетрафторида урана проводят выдержку в течение 1,0-1,5 часов.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бифторид аммония берут в количестве 1,0-1,2 от веса диоксида урана.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют гранулы углеграфитового материала размером 0,6-2,5 мм.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют углеграфитовый материал с открытой пористостью более 20%.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеграфитового материала используют синтетический графит или кокс.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам очистки загрязненного вредными изотопами сырья для использования его в дальнейшем для получении восстановленного урана для ядерного топлива.

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана.

Изобретение относится к области разработки технологии конверсии обедненного гексафторида урана с получением тетрафторида урана и, далее, металлического урана для военных целей или оксидов урана для длительного хранения или использования в быстрых реакторах, а также безводного HF.

Изобретение относится к переработке гексафторида урана (ГФУ) и может быть использовано для извлечения гексафторида урана из баллонов различной вместимости. Способ испарения гексафторида урана из баллона, включающий нагрев баллона двухсекционным индуктором, подачу азота в баллон в импульсном режиме.

Изобретение относится к ядерной технике и химической промышленности и может быть использовано для очистки и восстановления металлических поверхностей установок, предназначенных для разделения изотопов урана.

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана.

Изобретение относится к неорганической химии урана, в частности к технологии получения тетрафторида урана. Способ получения тетрафторида урана заключается в осаждении его из растворов, содержащих хлоридно-фторидный комплекс U+4, фтористоводородной кислотой, при температуре процесса 70-80°C, при этом используют фтористоводородную кислоту, содержащую четырехвалентный уран в количестве, не превышающем его растворимость.

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к способу получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза и к установке для его осуществления.
Изобретение относится к области экологии и направлено на предупреждение возможности загрязнения окружающей среды и отравления населения радиоактивными веществами.

Изобретение может быть использовано при получении чистых солей и окислов из гексафторида урана (ГФУ). Аппарат для гидролиза гексафторида урана содержит корпус, в верхней части которого установлены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора.

Изобретение относится к способам переработки гексафторида урана гидрометаллургическим методом с получением диоксидифторида урана и оксидов урана и может быть использовано в атомной промышленности для конверсии обогащенного или обедненного (отвального) гексафторида. Способ включает гидролиз гексафторида урана, при этом гексафторид урана предварительно охлаждают до температуры ≤-40°C, а в воду добавляют фторид аммония и лед, количество которого выбирают из условия компенсации тепловыделения при гидролизе гексафторида урана, при этом гексафторид урана постепенно загружают в полученную смесь, а его количество выбирают обратно пропорционально росту температуры раствора продуктов, далее осуществляют обработку продуктов гидролиза аммиачной водой, фильтрацию и термообработку осадка. Изобретение позволяет с высокой эффективностью и производительностью перерабатывать значительное количество гексафторида урана. При этом способ не требует сложной агрегированной системы аппаратов и может быть применен для переработки как высокообогащенного, так и обедненного (отвального) по изотопу U235 гексафторида урана, в том числе после длительного периода его хранения. 6 з.п. ф-лы, 4 пр.

Изобретение относится к производствам атомной промышленности, в частности к процессу выделения гексафторида урана из газов после фторирования урансодержащих соединений на сублиматных заводах. Способ получения гексафторида урана включает охлаждение полых металлических цилиндров, путем подачи хладагента внутрь цилиндров, при накоплении гексафторида урана на внешней поверхности цилиндров, при этом одну часть цилиндров охлаждают до 11 мин, накапливая слой гексафторида урана на внешней поверхности цилиндров толщиной до 1-2 мм, а другую часть цилиндров охлаждают в течение 28-40 мин, накапливая слой гексафторида урана на внешней поверхности цилиндров толщиной до 5 мм, и последующее нагревание цилиндров в течение 1,25-2 мин с тепловым сбросом десублимата с внешней поверхности цилиндров при подаче теплоносителя внутрь цилиндров. Изобретение обеспечивает получение конгломератных частиц десублимата различного размера крупных и мелких фракций, повышение плотности продукта и увеличение степени заполнения транспортных емкостей. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 пр.
Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологии производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов. Способ разделения изотопов урана включает контактирование гексафторида урана и фторида натрия до получения фтороураната натрия или фтороуранатов натрия с последующим термическим разложением солей при давлении не выше величины равновесного давления паров гексафторида урана над соответствующими солями или их смесями при температуре разложения. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости и упрощение аппаратурного парка для осуществления способа, увеличение коэффициента разделения изотопов урана и увеличение производительности процесса. 7 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии неорганических веществ, а именно к способу получения тетрафторида урана сухим методом в производстве гексафторида урана или металлического урана. Способ заключается в том, что смешивают диоксид урана с бифторидом аммония, размещают смесь порошков в замкнутой емкости с ограниченным доступом воздуха, устанавливают замкнутую емкость в другую емкость с зазором, который заполняют засыпкой из углеграфитового материала в виде гранул таким образом, чтобы гранулы полностью укрывали замкнутую емкость, далее осуществляют термообработку полученной смеси на стадии образования двойной соли урана в воздушной атмосфере при температуре выше точки плавления бифторида аммония, но ниже точки его кипения и термообработку двойной соли на стадии ее разложения до тетрафторида урана при температуре выше начала окисления углеграфитового материала, но ниже температуры плавления тетрафторида урана. Изобретение обеспечивает получение кондиционного тетрафторида урана с низким содержанием кислорода, высокой насыпной плотностью и выходом более 99, а также упрощение процесса. 9 з.п. ф-лы, 2 табл.

Наверх