способ восстановления гексафторида урана

Классы МПК:C01G43/06 фториды 
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (RU),
ГЛОУБ НУКЛЕАР СЕРВИСИЗ ЭНД СЭПЛАЙ ГНСС, ЛИМИТЕД (US)
Приоритеты:
подача заявки:
2001-03-28
публикация патента:

Изобретение относится к способам восстановления гексафторида урана до низших фторидов и до металлического урана и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана. Результат способа: возможность получения продукта заданного состава и осуществления реакции восстановления гексафторида урана при более низкой температуре. Восстановление UF6 осуществляют предварительно атомизированным водородом в химическом реакторе в смеси с буферным газом-разбавителем в режиме непрерывного самопроизвольного горения. Атомарный водород получают при смешении в потоке молекулярного водорода с атомарным фтором. Фтор вводят через сопловой блок из камеры сгорания. В камере сгорания осуществляют непрерывное горение молекулярного водорода в избытке молекулярного фтора, поджигаемого в блоке горелок, так что избыток молекул фтора термически диссоциирует на атомы фтора. Восстановление UF6 осуществляют до металлического урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 6:1 соответственно. Восстановление UF6 осуществляют до тетрафторида урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 2:1 соответственно. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1

Формула изобретения

1. Способ восстановления гексафторида урана UF6 водородом, включающий получение безводного фтористого водорода, отличающийся тем, что восстановление UF6 осуществляют предварительно атомизированным водородом в химическом реакторе в смеси с буферным газом-разбавителем в режиме непрерывного самопроизвольного горения, при этом атомарный водород получают при смешении в потоке молекулярного водорода с атомарным фтором, вводимым через сопловой блок из камеры сгорания, в которой осуществляют непрерывное горение молекулярного водорода в избытке молекулярного фтора, поджигаемого в блоке горелок, так, что избыток молекул фтора термически диссоциирует на атомы фтора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что восстановление UF6 осуществляют до металлического урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 6: 1 соответственно.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что восстановление UF6 осуществляют до тетрафторида урана при соотношении концентраций атомарного водорода и молекул UF6 в смеси, подаваемой в реактор, 2: 1 соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической физики, конкретно к способам восстановления гексафторида урана до низших фторидов и до металлического урана, и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана, накопленного и накопляемого на производствах по обогащению урана.

Известен способ переработки обедненного гексафторида урана методом пирогидролиза, применяемый на заводе фирмы COGEMA (Франция) и на демонстрационной установке фирм Allied Signal и General Atomics (США) [US 5346684, кл. С 01 В 007/19; С 01 В 009/08, 1994 г.]. Он основан на взаимодействии газообразного обедненного UF6 и водяного пара с последующим испарением азеотропной смeси HF-2H2O в разогретом реакторе с получением газообразного HF. Промежуточный продукт - оксифторид UO2F2 подают во второй реактор, куда дополнительно вводят водяной пар и (или) азеотропную смесь, в результате чего получают U3O8 и HF. При необходимости получения UO2 во второй реактор подают также водород. Для получения безводного HF азеотропную смесь подвергают дистилляции, но часть ее возвращается на рецикл в реакторы, где она используется для реакции пирогидролиза. Недостатком метода является многоступенчатость, чрезвычайная коррозионная способность азеотропной смеси HF-2H2O (намного превышающая таковую для "сухого" HF), необходимость обезвоживания HF, высокий уровень энергозатрат.

Наиболее близким к предлагаемому является способ возбуждения реакпии восстановления гексафторида урана "введением в реакционное пространство частично расщепленного на атомы водорода". [Галкин Н.П. и др. Химия и технология фтористых соединений урана]. Однако в этом случае:

1) не раскрыт способ расщепления молекул водорода на атомы, и, как известно, молекула водорода чрезвычайно жесткая и требуются очень большие энергии для ее расщепления (диссоциации) на атомы - 104 ккал/моль;

2) хотя процесс ведут в отрыве от стенок реактора и стенки реактора остаются холодными и на них не происходит отложений продуктов реакций, тем не менее в зоне реакции температура гораздо выше 1000oС;

3) конечный продукт помимо целевого продукта содержит значительное количество нецелевых фторидов урана.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность получения продукта заданного состава и осуществления реакции восстановления гексафторида урана при более низкой температуре.

Для достижения указанного технического результата предложено в известном способе восстановления гексафторида урана с использованием атомарного водорода восстановление UF6 осуществлять предварительно атомизированным водородом в химическом реакторе в смеси с буферным газом-разбавителем в режиме непрерывного самопроизвольного горения; при этом атомарный водород получают в отдельном сопловом блоке при смешении в потоке молекулярного водорода с атомарным фтором, вводимым через сопловой блок из камеры сгорания, в которой осуществляют непрерывное горение молекулярного водорода в избытке молекулярного фтора, поджигаемого в блоке горелок, так что избыток молекул фтора термически диссоциирует на атомы фтора.

Способ восстановления гексафторида урана до металлического урана осуществляют при соотношении атомарного водорода и гексафторида урана в смеси, подаваемой в химический реактор, 6:1, а до тетрафторида урана - при соотношении 2:1.

В предлагаемом способе показано, что использование атомарного водорода, полученного в реакции молекулярного водорода с атомарным фтором, который первоначально получают в отдельном блоке при горении Н2 в избытке F2, позволяет снизить температуру в зоне реакции восстановления гексафторида урана атомами водорода.

Предлагаемый способ дает возможность получать продукт заданного состава (либо тетрафторид урана, либо металлический уран) высокой чистоты, регулируя количество подаваемого атомарного водорода и температуру в зоне реакции.

Температуру в зоне реакции поддерживают на заданном уровне введением определенного количества буферного газа-разбавителя.

На чертеже, поясняющем существо изобретения, представлена блок-схема химического реактора, реализующая предложенный способ.

Химический реактор состоит из блока горелок 1 для подачи водорода и фтора (с избытком фтора), камеры сгорания водорода во фторе 2, сопловых блоков 3, в которых продукт этого сгорания - термически диссоциированный на атомы фтор - смешивают с молекулярным водородом (и инертным газом, обеспечивающим заданные температуру и величину потока) для получения атомарного водорода.

Особенность данной системы состоит в том, что энергию для последовательного восстановления фторидов урана черпают из экзотермических химических реакций. В блок горелок 1 подают смесь слабосвязанных молекул фтора с молекулами водорода при избытке фтора и поджигают на входе в камеру сгорания 2; реакция Н2+F2способ восстановления гексафторида урана, патент № 22045292HF сильно экзотермична, и выделяющегося тепла достаточно для диссоциации остальных (избыточных) молекул фтора (энергия связи ~ 37 ккал/моль), и в этом случае брутто-реакция имеет вид: H2+nF2способ восстановления гексафторида урана, патент № 22045292HF+2(n-1)F, где n - избыток количества фтора по сравнению с количеством водорода. Оптимальным для такого процесса является n=4.

Каждые 2(п-1) атомов фтора смешивают в реакторе 4 с 2(п-1) молекулами водорода: 2(n-1)F+2(n-1)H2способ восстановления гексафторида урана, патент № 22045292(n-1)HF+2(n-1)Н, при этом образуются 2(n-1) атомов водорода.

После соплового блока содержащий атомы Н газ смешивают с UF6 и буферным газом-разбавителем, и в реакторной зоне 4 происходит восстановление UF6 путем последовательного отщепления от него атомов фтора атомами водорода.

В принципе возможна организация процесса, когда "обдирка" идет до металлического урана: 2(n-1)Н+(n-1)/3UF6способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529(n-1)/3U+2(n-l)HF. Из этого выражения следует, что для получения одного моля U в оптимальном случае (n=4) требуется 4 моля F2 и 7 молей Н2, при этом образуется 14 молей HF.

При получении тетрафторида урана процесс в реакторе описывается выражением:

2(n-1)H+(n-1)UF6способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529(n-1)UF4+2(n-l)HF. В этом случае для получения одного моля UF4 при n=4 необходимы 1,33 моля F2 и 2,33 моля Н2, при этом образуется 4,67 моля HF.

Продукты реакции через сопло торможения 5 попадают в камеру разделения, очистки и утилизации продуктов 6.

Преимущества способа восстановления UF6 атомарным водородом заключаются в следующем.

Если целевым продуктом является тетрафторид урана, то обе реакции последовательной обдирки UF6 до UF4:

UF6способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529UF5+HF+289 кДж/моль и UF5способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529UF4+HF+144 кДж/моль сильно экзотермичны и достаточно быстры при температурах в несколько сотен oС. Поэтому для организации стационарного горения не требуется никакой внешней энергии, и оно устойчиво и при достаточно низких температурах. В то же время реакции:

UF4способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529UF3+HF - 57 кДж/моль;

UF3способ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529UF2+HF - 38 кДж/моль;

UF2+Hспособ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529UF+HF + 2 кДж/моль;

UF+Hспособ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529U+HF - 96 кДж/моль;

являющиеся следующими стадиями обдирки, существенно более медленны, так что в условиях поддержания температуры смеси на уровне нескольких сотен oС, что для реактора большой протяженности может быть достигнуто лишь использованием буферного газа-разбавителя, при стабильном горении должна реализоваться высокая селективность восстановления UF6 до UF4.

Сложнее реализовать режим восстановления UF6 до металлического урана, поскольку приведенные выше газовые реакции обдирки UF4 до U являются эндотермическими. Однако здесь следует иметь в виду, что в отличие от восстановления молекулярным водородом брутто-процесс восстановления UF6 до металлического урана:

UF6(газ)+6Нспособ восстановления гексафторида урана, патент № 2204529U(тв)+6HF+211 кДж/моль,

является, тем не менее, экзотермическим (дополнительная энергия выделяется при конденсации урана). Поэтому в условиях квазиадиабатического высокотемпературного горения с участием сажеподобных твердых продуктов, содержащих низшие фториды и U, можно добиться полного восстановления.

О возможностях метода можно судить по следующим примерам.

Пример 1. Восстановление UF6 до UF4.

В блок горелок 1 подают потоки молекул водорода - [Н2]=0,1 моль/с (0,2 г/с) и молекул фтора - [F2]=0,4 моль/с (15,2 г/с). При сгорании водорода в избытке фтора (температура 500-600oС) в камере 2 образуются фтористый водород - [HF]=0,2 моль/с (4 г/с) и атомарный фтор [F]=0,6 моль/с (11,4 г/с). Атомарный фтор, полученный в камере 2, поступает (вместе с HF) в сопловые блоки 3, где его смешивают с подаваемым в эти блоки молекулярным водородом - [Н2] = 0,6 моль/с (1,2 г/с). В результате реакции молекулярного водорода с атомарным фтором на входе в реактор 4 образуется атомарный водород - [Н]=0,6 моль/с (0,6 г/с) и фтористый водород - [HF]=0,6 моль/с (12 г/с) дополнительно к HF, поступающему из камеры 2. В реактор 4 подают гексафторид урана - [UF6] =0,3 моль/с (105,6 г/с) и буферный газ-разбавитель аргон. Атомарный водород восстанавливает гексафторид урана до тетрафторида урана - [UF4]=0,3 моль/с (94,2 г/с) с получением фтористого водорода - [HF]=0,6 моль/с (12 г/с), к которому добавляется фтористый водород, получаемый в камере 2 и на входе в реактор 4; температура в реакторе 4 не превышает 1000oC).

Таким образом, при восстановлении гексафторида урана до тетрафторида урана с производительностью [UF6]=105,6 г/с расходуется [F2]=15,2 г/с и [Н2]= 1,4 г/с; при этом образуется [UF4]=94,2 г/с и безводный фтористый водород [HF]=28 г/с. Выход UF4 относительно всех фторидов урана - 98%.

Пример 2. Восстановление UF6 до металлического урана.

Пример 2 в точности повторяет Пример 1 вплоть до подачи гексафторида урана в реактор 4.

В блок горелок 1 подают потоки молекул водорода - [Н2]=0,1 моль/с (0,2 г/с) и молекул фтора - [F2]=0,4 моль/с (15,2 г/с). При сгорании водорода в избытке фтора (температура 500-600oC) в камере 2 образуются фтористый водород - [HF]=0,2 моль/с (4 г/с) и атомарный фтор [F]=0,6 моль/с (11,4 г/с). Атомарный фтор, полученный в камере 2, поступает (вместе с HF) в сопловые блоки 3, где его смешивают с подаваемым в эти блоки молекулярньм водородом - [H2] = 0,6 моль/с (1,2 г/с). В результате реакции молекулярного водорода с атомарным фтором на входе в реактор 4 образуется атомарный водород - [Н]=0,6 моль/с (0,6 г/с) и фтористый водород - [HF]=0,6 моль/с (12 г/с) дополнительно к HF, поступающему из камеры 2. В реактор 4 подают гексафторид урана - [UF6] = 0,1 моль/с (35,2 г/с) и буферный газ-разбавитель аргон. Атомарный водород восстанавливает гексафторид урана до металлического урана - [U(m)]= 0,1 моль/с (31,4 г/с) с получением фтористого водорода - [HF]=0,6 моль/с (12 г/с), к которому добавляется фтористый водород, получаемый в камере 2 и на входе в реактор 4; температура в реакторе 4 около 1000oC).

Таким образом, при восстановлении гексафторида урана до металлического урана с производительностью [UF6]=35,2 г/с расходуется [F2]=15,2 г/с и [Н2]= 1,4 г/с; при этом образуется [U(m)]=31,4 г/с и безводный фтористый водород [HF]=28 г/с. Выход (m) относительно всех фторидов урана - 99%.

Источники информации

1. Патент США 5346684, кл. С 01 В 007/19; С 01 В 009/08, 1994 г.

2. Галкин Н.П. и др. Химия и технология фтористых соединений урана[

Класс C01G43/06 фториды 

способ переработки гексафторида урана -  патент 2489357 (10.08.2013)
способ получения тетрафторида урана -  патент 2484020 (10.06.2013)
способ очистки гексафторида урана от фторидов рутения -  патент 2479490 (20.04.2013)
способ получения разбавителя для переработки оружейного высокообогащенного урана в низкообогащенный уран -  патент 2479489 (20.04.2013)
способ очистки гексафторида урана -  патент 2472710 (20.01.2013)
аппарат для гидролиза гексафторида урана -  патент 2465208 (27.10.2012)
способ получения тетрафторида урана -  патент 2456243 (20.07.2012)
способ получения гексафторида урана и реактор для осуществления способа -  патент 2456242 (20.07.2012)
способ конверсии отвального гексафторида урана в металлический уран -  патент 2444475 (10.03.2012)
способ извлечения урана из сорбента фторида натрия -  патент 2422366 (27.06.2011)
Наверх