Использование СВЧ плазменной технологии для конверсии легколетучего гексафторида урана
Гексафторид урана, необедненный по U235, представляет собой главное сырье для синтеза слабообогащенного ядерного топлива в виде диоксида урана. Переработка UF6 сопряжена со сложными проблемами, связанными главным образом с получением диоксида урана UO2, обладающим определенными физико-химическими характеристиками, с низким содержанием фтора, с утилизацией фтора, как побочного продукта, с выбором устойчивых к коррозии материалов для оборудования. Переработка гексафторида урана в диоксид урана может осуществляться несколькими методами, в том числе с помощью СВЧ плазмы.
«Сухие» методы получения диоксида урана
Суть «сухих» методов состоит в том, что гексафторид урана подвергается высокотемпературной обработке парами воды, конверсии UF6 в кислородно-водородном факеле и восстановлении продуктов конверсии. Конверсия гексафторида урана в его диоксид, осуществленная «сухими» методами, дает возможность перерабатывать большие объемы материалов при низких трудозатратах, позволяя обеспечить высокую гибкость в варьировании обогащения. На сегодняшний день именно «сухие» методы обеспечивают более 85% мирового потребления оксида урана.
«Сухой» процесс позволяет свести к минимуму радиоактивную утечку, обеспечивая практически безотходное производство, так как более 99% образующейся фтористоводородной кислоты применяются в других производствах. Непрерывность процесса и стабильность и воспроизводимость характеристик UO2 обуславливают получение диоксида урана высокой химической чистоты и хорошей спекаемости. Плотность и микроструктура спеченных в СВЧ установках таблеток управляема, топливо характеризуется высокой термической стойкостью.
Применение СВЧ плазмы обеспечивает высокую чистоту оксидов урана
Переработка гексафторида урана в оксиды урана в газопламенном процессе или при микроволновом СВЧ нагреве осуществляется в многокомпонентных гетерофазных системах при наличии гексафторида урана, пламяобразующих газов, продуктов их горения и продуктов конверсии UF6 в UO2. Водород наиболее пригоден в качестве пламяобразующего газа, а кислород или воздух – в качестве окислителя. Применение этих газов обеспечивает высокую чистоту оксидов урана, а также позволяет легко утилизировать побочные продукты переработки – фтористоводородную кислоту.
Газопламенная конверсия гексафторида урана в диоксид имеет в своей основе восстановительный пирогидролиз гексафторида.
Термодинамические расчеты позволяют сделать вывод о том, что при переработке гексафторида урана в кислородно-водородном пламени с большей вероятностью образуются оксиды урана. Механизм газопламенной конверсии гексафторида урана в оксиды может быть подобен механизму восстановительного пирогидролиза в высокотемпературном теплоносителе. В процессе образуются промежуточные соединения, такие как уранилфторид, тетрафторид урана и заокиси-окиси урана, конверсия которых в диоксид урана может проходить либо в газовой фазе, за которой следует конденсация диоксида урана, либо, в случае понижения температуры, с конденсацией промежуточных фторидов урана и следующей за ними конверсии в диоксид. Возможно применение систем микроволнового СВЧ нагрева. Конверсия в кислородно-водородном пламени может проходить по всем механизмам конверсии гексафторида урана.
Температурные режимы получения диоксида урана
В высокотемпературном ядре факела, где температура приближается к теоретической температуре суммарной реакции конверсии гексафторида урана (2100° С для кислородно-водородного и 1500° С для воздушно-водородного пламени) и превышает температуру, при которой начинается конденсация уранилфторида и тетрафторида урана (от 1000 до 1400° С), преимущественно будет проходить процесс с образованием на первой стадии газообразных тетрафторида урана и уранилфторида. Такие условия могут обеспечить высокую плотность и скорость конверсии гексафторида урана в диоксид, что обуславливается концентрацией радикалов гидроксила и атомов водорода в пламени и их высокой химической активностью.
На периферийных зонах факела, где температура ниже, наиболее вероятно образование на первой стадии процесса конденсатов тетрафторида урана и уранилфторида. Полный переход последних в диоксид урана непосредственно в факеле, при кратковременном пребывании в нем, усложняется в связи с малой скоростью гетерогенных реакций. Как следствие, продукты газопламенной конверсии гексафторида урана кроме целевого продукта – диоксида урана – будут содержать примеси тетрафторида и уранилфторида, объем которых зависит от условий осуществления газопламенного процесса. Чтобы снизить их содержание в готовом порошке оксидов урана, можно прибегнуть к повышению температуры факела и увеличению концентрации паров воды в реакционной зоне СВЧ установки микроволнового излучения.
Повышение конверсии гексафторида урана в диоксид урана в СВЧ установках
Также повысить полноту конверсии гексафторида урана в диоксид можно посредством увеличения длительности контакта фторидов урана с водяным паром и водородом относительно длительности такого контакта в факеле, при температуре, достаточной для конверсии этих продуктов в оксиды, то есть не ниже 530° С.
На кинетику восстановления и гидролиза соединений урана (уранилфторида, тетрафторида, заокиси-окиси урана и диоксида урана) оказывает влияние температура и состав газовой среды.
Зависимости суммарной скорости восстановительного пирогидролиза фторсодержащих оксидов урана от температуры и состава газовой фазы, построенные на основании экспериментальных кинетических кривых, свидетельствуют о значительном ускорении процесса с повышением температуры более 600° С. Максимальное увеличение скорости происходит при температуре 600 – 650° С. С приближением к значению в 700° С скорость процесса немного падает.
Влияние состава газовой фазы на общую скорость процессов гидролиза в СВЧ установках
Влияние состава газовой фазы на общую скорость процессов гидролиза и восстановления носит сложный характер из-за сложного состава фторсодержащих оксидов урана, компоненты которых по-разному ведут себя в процессе нагревания в атмосфере водорода и водяного пара. В системе одновременно может протекать несколько химических реакций, каждая из которых по-разному реагирует на изменения условий процесса.
При фазовом составе, типичном для продукта, который был получен в системе СВЧ нагрева в ходе конверсии, характер протекания суммарного процесса в значительной степени определяется характером взаимодействия UO2F2 с водородом и водяным паром, характеризующимся наличием максимума при концентрации паров воды в газовой фазе.
Одним из важных этапов является процесс обесфторирования получаемого продукта. Полнота конверсии гексафторида урана в широком диапазоне условий газопламенной переработки приближается к 100%. В то же время, содержание фтора в получаемых оксидах может изменяться в широких пределах. Оно зависит как от технологических факторов, которые оказывают непосредственное влияние на протекание процесса в газовом факеле, так и от условий, вызывающих протекание побочных оксидов урана с компонентами газовой фазы. Получение оксидов с содержанием фтора менее 0,1% может осуществляться только при температуре стенок аппарата и фильтров ниже 600° С. При снижении температуры системы СВЧ нагрева до уровня 80 – 100° С происходит увеличение содержания фтора до 8 – 10% вследствие фторирования оксидов урана фтористым водородом.
При температуре стенок СВЧ установки 650 – 700° С основное влияние на содержание фтора в оксидах урана оказывает количество подаваемых в горелку кислорода и водорода. Расход этих газов определяет уровень температуры в реакционной зоне и концентрацию в ней паров воды и фтористого водорода, что и оказывает влияние на скорость и полноту конверсии гексафторида в оксиды.
Наши контакты
Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании
