U3O8氢还原制备UO2技术研究.docx

? ? U3O8氢还原制备UO2技术研究 ? ? 刘 璞,邹琛华,许云生,张 静 (中核四○四有限公司,甘肃 兰州732850) 目前,国外从事铀生产的企业主要采用前端纯化 “湿法”工艺和后端纯化 “干法”工艺两种,前端纯化 “湿法”工艺,可适用不同来源的物料,对杂质的种类、含量没有特殊的要求,即对物料的适应性强而被各大铀纯化转化厂广泛采用。根据铀纯化、铀氧化物制备工艺的不同,前端纯化 “湿法”工艺又可分为TDN(UNH脱销)法,ADU(重铀酸铵)法,AUC(三碳酸铀酰胺)法三种。 我国铀纯化转化技术体系和生产系统始建于20世纪50年代后期,是在借鉴国外铀生产的基础上,通过自力更生创建和发展起来的。目前我国的铀纯化转化生产采用AUC法,在实现铀纯化的同时,制备出高活性的UO2。 而后端纯化 “干法”工艺技术 (又称 “氟化物挥发法”),是20世纪50～60年代美国有关研究人员针对UF4原料中某些杂质元素含量偏高的实际情况,将精馏纯化技术引入到以火焰炉氟化反应器为主体的UF6生产系统中,通过对火焰炉氟化反应器生产出来的UF6进行精馏纯化处理,以制备高品质UF6产品而开发出来的一种铀纯化转化工艺流程。其工艺过程主要包括U3O8还原、UO2氢氟化、UF4氟化、UF6精馏纯化、UF6产品包装等。具有流程短、含铀废液产生量极少等优点,但适应性较差,难以满足碱金属、碱土金属等杂质元素含量较高的铀化学浓缩物转化生产的要求。 我国铀资源的利用情况和国际铀业巨头企业的发展历史情况表明,国家核电事业的大发展必须充分利用国内国外两种铀资源。因此,今后我国铀纯化转化工艺技术方案的选择和确定,应具有较强的适应性,能满足不同来源、杂质含量各异的铀化学浓缩物转化加工的要求。基于上述原因,为提高今后铀纯化转化厂运行的经济性,从源头上减少铀纯化转化生产过程中放射性废物、有毒有害废物的产生量,应采取TDN工艺及后端纯化相结合的方式,即在选择 “湿法”纯化工艺对杂质含量较高的U3O8进行纯化处理的基础上,通过UNH脱销还原、UO2氢氟化、UF4氟化以制备UF6。为提高铀纯化转化运行的经济性,针对碱金属、碱土金属等杂质元素含量较低、能满足后续转化要求的部分U3O8,通过还原、氢氟化、氟化、UF6精馏纯化以制备合格的UF6产品。目前,我国已储备了一定数量的来自国外的U3O8,经取样分析表明,50%以上的U3O8具有较高的化学纯度且有较大的裕度。对于这部分具有较高化学纯度的U3O8,当U3O8颗粒特性能满足各阶段专用反应器的使用要求时,如能实现U3O8还原为UO2,然后再经过氢氟化、氟化制备 UF6(U3O8→UO2→UF4→UF6),可极大简化铀转化工艺过程,从源头上尽可能减少含铀废液,降低铀转化生产成本,以促进我国铀纯化转化产业的跨越式发展,使我国的铀纯化转化技术达到国际先进水平。 1 试验原理 1.1 U3 O8氢还原活性考核试验 H2还原U3O8生成UO2的反应方程式如下式所示[1]: 1.2 U3 O8流化质量试验 当气体自下而上通过床层时,在气体的作用下,固体颗粒处于流动状态。当将床层控制在所需的操作状态下,床层应处于良好的流化状态,整个床层的所有固体颗粒都处在悬浮状态,也就是说,每个颗粒都浸泡在流化气体中。在气固化学反应中,由于有充分的气固接触条件,就加快了反应中的传质作用,因而能加快反应速度,提高生产强度和产品质量[2]。 2 试验方法及工艺流程 2.1 U3 O8氢还原活性考核试验 以U3O8为原料,H2为还原剂,在搅拌床中进行还原反应。具体方法为:准备工作就绪后,打开出口法兰,加入原料U3O8(颜色为黑色或褐色,重量约1 000 g左右)。对试验系统抽空检漏,合格后,打开出口阀门,通入N2,调节流量,开始升温。升温10 min后预热器达到工作温度,自动停止加热,保持恒温;15 min后炉体温度达到一定温度,进行手动搅拌;1 h后炉体温度达到设定值,自动停止加热,保持恒温,停止N2通入,调节H2流量为,保持此流量反应1 h后停止通入H2,改通N2,系统开始降温。待炉体温度下降至一定值时,停止通N2和搅拌,保持系统微正压,自然降温。炉体降至室温后,打开出口法兰,取样分析。然后把还原料UO2加入到一个托盘中,放入卧式反应器进行反应,AHF(无水HF)过量,保持系统微正压,自然降温。炉体降至室温后,打开出口法兰,取样分析。试验系统图1所示。 图1 U3 O8氢还原活性考核试验流程示意图Fig.1 The flow diagram of U3 O 8 hydrogen reduction activity tests 2.2 U3 O8流化质量试验 U3O8流化质量试验系统见图2,在小型柱型透明玻璃流化床中,直观考察U3O8的流化状态,并根据床体入口压