Уран как ядерное горючее

Отношение длины к диаметру от 1 : 1 до 1 : 3 в кристаллах.

С целью снижения содержания F в кристаллах, увеличенных с маточн. раствором, проводят их промывку.

Обычно промывку осадка ведут растворами карбоната аммония непосредственно  на фильтре. Установлено, что промывка осадка жидкостью, снижающая поверхностное  натяжение воды, способствует глубокому обезвоживанию осадка и соответственно снижению содержания в нем фтора. В частности такой жидкостью может быть метиловый спирт. Дополнительная промывка осадка метиловым спиртом преследует двойную цель. Во-первых, влажность снижается примерно до 0,2%. Соответственно содержание фтора снижается до тысячных долей процента. Термическое разложение кристаллов и восстановление продуктов прокалки до UO₂ проводят в печах кипящего слоя. В качестве псевдосжижающего газа используют смесь водяного пара с водородом. Обычно процесс ведут при 773 - 923 К. Газовую смесь подают с расходом, намного превышающим требуемый для создания псевдосжижения. Это обусловлено необходимостью быстрого смешения и недопустимостью слеживания частиц и их агломерации в застойных зонах печи. Конечная операция – стабилизация порошка UO₂, заключающаяся в обработке его воздушно-паровой смесью. Цель этой операции – перевод UO₂ в продукт с повышенным кислородным коэффициентом (до 2,06 – 2,16). Этот продукт более устойчив к окислению по сравнению со стехиометрическим UO₂. Полученный порошок UO₂пневмотранспортом подают в смеситель, в котором готовят порошок весом до 2 т. В смеситель добавляют закись-окись U, получаемую окислением на воздухе бракованных таблеток. Такие добавки позволяют с одной стороны организовать экономичную утилизацию оборотной закись-окиси, а с другой стороны, что более важно, получать таблетки с контролируемой микроструктурой и с заданной плотностью. Усредненный порошок поступает на пресс роторного типа с автоматической смазкой пресс-формы. Благодаря высокой текучести порошок легко заполняет гнезда пресса, что обеспечивает его бесперебойную работу. Спрессованные таблетки поступают непосредственно в печь спекания. Из-за отсутствия в таблетках связки отпадает необходимость в её отгонке, что существенно упрощает технологический процесс. Спекание ведут при 1973 К. Спеченные таблетки подвергаются бесцентровому шлифованию.

 

Влияние добавок оборотной  закиси-окиси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок – Влияние добавок оборотной  закиси-окиси U и плотности прессованных таблеток на плотность спеченных таблеток.

1 – без добавления закиси-окиси

2 – добавка 5%

3 – добавка 15%.

По требованию заказчика порошок  можно обрабатывать и по иной технологии с предварительным измельчением его в мельнице. При измельчении  порошка существенно меняется морфология: округленные частицы исчезают, измельченный порошок состоит из мелких агрегатированных частиц, которые представляют собой обломки первичных образований. В результате такой обработки теряется текучесть порошка. Поэтому измельченный порошок прессуют в брикеты, обладающие небольшой плотностью. Брикеты дробят м обрабатывают в грануляторах с целью получения гранул определенного размера. После добавления связки (поливиниловый спирт) гранулы прессуют в таблетки. Спрессованные таблетки после отгонки пластификатора направляются на спекание.

 

Зависимость плотности  спеченных таблеток от плотности  спрессованных таблеток при различных  способах подготовки порошка, получаемого  по АУК-процессу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – измельченный порошок  S=5,84 м²/г

2 - неизмельченный порошок S=5,17 м²/г.

 

Как видно из рисунка, измельченный порошок отличается высокой спекаемостью, причем плотность спеченных таблеток не зависит от плотности спрессованных  таблеток. Хорошей спекаемостью обладает и порошок, не подверженный измельчению, но для получения плотности спеченных таблеток в диапазоне 10,4 – 10,6 г/см³ плотность спрессованных таблеток должна быть не ниже 5,0 г/см³.

 

Газовые методы получения  порошков UO₂ керамического сорта

К газовым или «сухим» методам  конверсии UF₆ обычно относят технологические процессы, включающие обработку UF₆ в газовой фазе газообразными реагентами с образованием твердых промежуточных урансодержащих продуктов, конвертируемых далее в UO₂. Еще на заре становления ядерной энергетики газовые методы конверсии UF₆ в UO₂ керамического сорта привлекали своей кажущейся простотой и очевидным преимуществом по сравнению с водными методами. Но эта простота оказалась обманчивой. Хотя многолетние усилия ряда фирм США («Вестингауз электрик корпорейшн», «Дженерал электрик корпорейшн») и Англии «Бритши нуклеар фьюэлз» привели к созданию и освоению промышленных установок, объем продукции получаемой во всем мире газовыми методами не превышает 20%.

 

Анализ физико-химических процессов, протекающих при газовой  конверсии UF₆

В газовых методах гидролиз UF₆ проводят при повышенных температурах 473 – 973 К. Поэтому правильнее этот процесс назвать пирогидролизом.

Цепочка превращений 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизм обесфторирования можно  разбить на 4 фазы:

1. диффузия ионов фтора в кристаллической решетке на поверхность поры за счет градиента концентраций, существующего по сечению частицы;
2. реагирование ионов фтора на поверхности поры частицы с молекулой воды или водорода (в отсутствии водяного пара) с образованием фтористого водорода;
3. транспорт молекулы HF по поре к внешней поверхности частицы;
4. диффузия HF через окружающую частицу газа в общий объем газовой фазы.

Конверсия UF₆ в UO₂ в кипящем слое (DCFB-процесс) (Direct Conversion Fluid Bed)

 

Метод разработан фирмой «Вестингауз электрик корпорейшн»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – линия разгрузки порошка; 2 – газоотводная трубка; 3 – циклон; 4 – линия подачи азота; 5 –  встроенные фильтры; 6 – линия  подачи псевдосжижающего газа; 7 – линия подачи перегретого  азота и холодного воздуха;  8 – транспортная линия; 9 – система газоочистки.

 

Первый реактор кипящего слоя, в  котором осуществляют первую стадию процесса – взаимодействие UF₆ с водяным паром, состоит из двух частей: нижней реакционной камеры круглого сечения d 250 мм и верхней камеры большего диаметра. Верхняя часть реактора теплоизолирована, нижняя обогревается. В нижней камере реактора имеется перфорированная газораспределительная плита, под которую подводится газ, служащий для псевдосжижения. В качестве псевдосжижающего газа служит перегретый пар или его смесь с Н₂ или N₂. В реакционную зону подведена трубка для подачи UF₆ в виде газа. Разгрузка твердых частиц осуществляется по линии 1 с помощью автоматического затвора клапанного типа, регулируемого по перепаду давления в слое и настроенного на подержание постоянной массы слоя  в реакторе.

   Накопление мелких фракций  в слое предотвращается удалением  её по газоотводной трубке 2 с  циклоном 3 и патрубок 4 для подачи  азота в верхнюю зону реактора. Реакторы второй, третий и четвертый  имеют аналогичную конструкцию и размеры за исключением того, что в них отсутствует трубка подачи UF₆, а газоотводная трубка с циклоном заменена системой встроенных фильтров. Установка работает следующим образом: перед запуском в первом реакторе создают слой твердых частиц из смеси уранилфторида и закиси-окиси урана (95% UO₂F₂+5%U₃O₈). Такая смесь имитирует твердый продукт. Слой разогревают до 803 – 848 К. Одновременной по линии 6 начинают подачу псевдосжижающего газа (азот + перегретый пар или водород). Оптимальная t     823 К. После выхода на заданный температурный режим включают подачу UF₆. Расход его составляет 45 кг/час. Твердый продукт непрерывно разгружается из нижней части реактора по разгрузочной трубе, расположенной непосредственно над газораспределительной плитой. Масса слоя поддерживается постоянной, близкой к 100 кг. Отходящие газы проходят по газоотводной линии, частично очищаются от крупных фракций  в циклоне и направляются в транспортную линию 8, где служат в качестве транспортирующей среды для выгружаемых из первого реактора частиц порошка, представляющего собой в основном уранилфторид. Во второй реактор поступает практически чистый уранилфторид. В качестве псевдосжижающей среды во втором реакторе (903 К) используется смесь перегретого пара с водородом. В реакторе происходит восстановление уранилфторида и закиси-окиси U до UO₂. Отходящие газы из второго реактора фильтруются на фильтрах и поступают в систему газоулавливания 9. Третий реактор работает аналогично.