Приготовление порошка

Пример технологической схемы производства топливных таблеток

В качестве примера рассмотрим в общих чертах технологическую схему, использовавшуюся на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск, Казахстан). Исходным сырьём является гексафторид урана UF₆, с обогащением по 235-ому изотопу 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 3,3; 3,6 или 4,4 %. Технология состоит из двух основных стадий – приготовления порошка диоксида урана и изготовления топливных таблеток. Рассмотрим основные технологические операции.

Операция 1 – испарение и гидролиз гексафторида урана. Гексафторид урана поступает в стальных баллонах, которые для испарения помещаются в специальные печи с нагревателями индукционного типа. Из-за плохой теплопроводности UF₆ испарение идёт только у стенок ёмкости с UF₆. Испарение проводят в три стадии:

1 – до выделения 10% UF₆ (греют верхнюю часть баллона);

2 – собственно испарение;

3 – выжиг остатков (температуру при этом поднимают до 150 ^оС).

Поскольку газообразный гексафторид урана относительно плохо поглощается водой для гидролиза используют водный раствор нитрата алюминия. При этом протекают следующие реакции:

UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF + Q

UO₂F₂ + Al(NO₃)₃ → UO₂(NO₃)₂ +AlF₂NO₃

4 HF + 2 Al(NO₃)₃ → 2 AlF₂NO₃ + 4 HNO₃

Суммарная реакция описывается уравнением:

UF₆ + 3 Al(NO₃)₃ + 2 H₂O → UO₂(NO₃)₂ + 3 AlF₂NO₃ + 4 HNO₃ + Q

Реакция гидролиза протекает с выделением тепла. В результате образуется нитрат уранила UO₂(NO₃)₂, хорошо экстрагируемый ТБФ, и азотная кислота, обеспечивающая создание необходимых условий для проведения экстракции. Избыточный нитрат алюминия выступает в качестве высаливающего агента при экстракции.

Операция 2 – экстракция и реэкстракция. Экстракцию проводят главным образом для отделения урана от фторидов. В качестве экстрагента используют 25-30%-ный раствор трибутилфосфата в углеводородах. Операция выполняется в смесителях-отстойниках ящичного типа. При этом протекают реакции:

UO₂(NO₃)₂ +2 ТБФ ↔ UO₂(NO₃)₂·2ТБФ

HNO₃ + (1÷2) ТБФ ↔ HNO₃·(1÷2)ТБФ

Реэсктракция проводится водой и на завершающих ступенях растворами ацетата аммония и уксусной кислотой:

H₂O

UO₂(NO₃)₂·2ТБФ ↔ UO₂(NO₃)₂ +2 ТБФ

HNO₃·(1÷2)ТБФ ↔ HNO₃ + (1÷2) ТБФ

UO₂(NO₃)₂·2ТБФ + 2 CH₃COONH₄ ↔ UO₂(CH₃COO)₂ +2 NH₄NO₃ +2 ТБФ

UO₂(NO₃)₂·2ТБФ + 2 CH₃COOH ↔ UO₂(CH₃COO)₂ +2 HNO₃ +2 ТБФ

Экстрагент затем направляется на отмывку раствором соды для удаления продуктов гидролиза ТБФ (моно- и дибутилфосфатов) и дополнительной отмывки от урана:

(С₄H₉)H₂PO₄ + Na₂CO₃ → Na₂(C₄H₉)PO₄ + H₂O + CO₂

2 (С₄H₉)₂HPO₄ + Na₂CO₃ → 2 Na(C₄H₉)₂PO₄ + H₂O + CO₂

UO₂(NO₃)₂·2ТБФ + 3 Na₂CO₃ → Na₄[UO₂(CO₃)₃] + 2 NaNO₃ + 2 ТБФ

Операция 3 – осаждение полиурана аммония. Уран из раствора после реэкстракции осаждается 25%-ным раствором аммиака. Условия подбирают таким образом, что осадок в основном состоит из тетраураната аммония:

4 UO₂(NO₃)₂ + 10 NH₄OH ↔ (NH₄)₂U₄O₁₃ + 8 NH₄NO₃ + 5 H₂O

Операция 4 – сушка и термическое разложение ураната аммония, обесфторивание и восстановление. При разложении вначале образуется триоксид урана:

(NH₄)₂U₄O₁₃ → 4 UO₃ + 2 NH₃ + H₂O

С повышением температуры происходит образование закиси-окиси урана:

9 (NH₄)₂U₄O₁₃ → 12 U₃O₈ + 10 NH₃ + 21 H₂O+ 4 N₂

Реакция с парами воды способствует удалению остатков фтора:

UO₂F₂ + H₂O_(пар) → UO₃ + HF_(г)

Восстановление оксидов урана до UO₂ проводят в атмосфере водорода:

UO₃ + H₂ → UO₂ + H₂O_(пар)

U₃O₈ + 2 H₂ → 3 UO₂ + 2 H₂O_(пар)

После получения порошка диоксида урана он направляется на затаривание и комплектацию партий.

Дата добавления: 2014-01-07