190465. lajstromszámú szabadalom • Eljárás nagy reakcíóképességű urán-trioxid előállítására szilárd uranil-nitrát-hidrát termikus bontásával
1 190 465 2 A találmány tárgya eljárás nagy reakcióképességű urán-trioxid előállítására szilárd U02(N03)2 • x- H20 képletű - ahol x 2 és 6 közötti értékű szám - uranil-nitrát-hidrát termikus denitrálásával. A „nagy reakcióképességű” kifejezés azt jelenti hogy az urán-trioxid könnyen redukálódik urándioxiddá illetve az így előállított urán-dioxid könynyen alakítható urán-tetrafluoriddá hidrogénfluoriddal. Ezek a képességek az urán-trioxid nagy fajlagos felületével és nagymértékű porozitásával függnek össze. A denitrálási művelet során alakul ki a kívánt szerkezetű U03. Egyszerűen, például az U03 látszólagos sűrűségének meghatározásával állapítható meg, hogy a kívánt szerkezetű denitrált terméket állítottuk-e elő. Jól ismert az urán-trioxidnak uranil-nitrát-hexahidrátból termikus denitrálással való előállítása, mely a következő reakcióegyenlettel írható le U02(N03)2 • 6H20 - U03 + 2N02 + 02+6H20, és amely az urán-hexafluorid előállitásának fontos lépése. A kapott urán-trioxidot urán-dioxáddá redukálják, az urán-dioxidot hidrogén-fluoriddal fluorozzák, majd a kapott urán-tetrafluoridot fluorral urán-hexafluoriddá alakítják. Az is ismert azonban, hogy a szokásos termikus denitrálással, majd azt követő redukálással előállított urán-dioxid nem könnyen alakítható urán-tetrafluoriddá, mivel a hidrogén-fluorid nehezen támadja meg. A szakirodalomban számos, urán-trioxid előállítására alkalmas eljárást ismertettek már eddig. így például az „Uranium production technology” (ed. by Charles D. Harrington and Archie E. Ruchle, New-York, edition 1959) szakirodalom 181-191. oldalán számos, az uranil-nitrát-hexahidrát termikus denitrálására szolgáló eljárást ismertetnek. Egy ilyen, szakaszos típusú eljárás lényege például, hogy az uranil-nitrát-hexahidrát tömény vizes oldatát keverés közben hőkezelik. A hőkezelés első 1 1/2 órájában az égési gázok hőmérsékletét 612°C-on tartják, majd 5 órán át 510°C-on. Ezután a kapott poralakú terméket körülbelül fél órán át hűtik. Azonban a fenti eljárás szerzője maga állítja, hogy az eljárásnak számos olyan hátránya van, mely korlátozza továbbfejlesztését. Valójában a kapott por alakú termék urán-trioxid (U03) és triurán-oktoxid (U308) elegye, mely utóbbi oxid a reaktor falán keletkezik, mivel ott a hőmérséklet magasabb, mint a reaktor belsejében. Az eljárás során, ha a denitrálás hőmérséklete túlságosan magas, a fenti oxid-keverék keletkezik, ha pedig túlságosan alacsony, az oxid-elegy még uranil-nitrátot és vizet is tartalmaz. Végül, a legjobb esetet feltételezve, azaz, hogy a kapott por tisztán urán-trioxid, ezt urán-dioxiddá redukálva a kapott termék a következő lépésben, a hidrogén-fluoriddal való reagáltatás során kis reakcióképességűnek bizonyul. A szerző maga állapítja meg, hogy az urán-dioxid hidrogén-fluoriddal szemben mutatott reakcióképessége csekély, és ez az urán-trioxid alacsony fajlagos felületének és kismértékű porozitásának következménye. Vizsgálati eredmények alapján a fajlagos felület 0,73 m2/g, a látszólagos sűrűség 4 g/crn3 volt. Az urán-dioxid reakcióképességének növelésérv néhány változtatást eszközöltek a fenti eljárásban, például az uranil-nitrát-oldatba a termikus denitráiást megelőzően kénsavat adtak. Azonban a változtatások hatásossága korlátozott, a kapott urántrioxid fajlagos felülete így sem haladta meg a 2 m2/g értéket. Más ismert eljárás szerint uranil-nitrát-hexahidrát vizes oldatát vezetik poralakú urán-trioxidból készült ágyra, ahol keverés közben a denitrálás hőmérsékletét biztosítva termikusán bontják a nitrátot. Az oldatban lévő uranil-nitrát termikus bontását átfolyó típusú reaktorban hajtják végre, a reaktor alján elektromos fűtés van, az uranil-nitrátoldat a forró urán-trioxid porral, mely a reaktort teljes keresztmetszetében betölti, közvetlenül érintkezik. A denitrálandó közeg hőmérséklete 510-538 °C. A por-ágy keverésére a denitráló reaktorba vízszintes tengelyű keverő van beszerelve, a keverő T-alakú karjai az ágy állandó keverését biztosítják. A keletkező urán-trioxidot elvezetik a reaktorból, a gáz alakú terméket gyűjtik és kezelik. Fenti eljárás előnye folyamatos üzeme, hátrányai azonban hasonlóak az uranil-nitrát-hexahidrát denitrálására korábban ismertetett szakaszos eljárás hátrányaihoz. A kapott por alakú termék valójában urán-trioxid, triurán-oktoxid keverék lehet, mivel a reaktor túlmelegedett falán utóbbi oxid képződhet. Ezen kívül, ha a denitrálás hőmérsékletét nem jól szabályozzák, túl magas hőmérséklet esetén urán-oxidok keverékét, túl alacsony hőmérséklet esetén uranil-nitrátot és vizet is tartalmazó terméket állítanak elő. Végűi, ha a fenti eljárás termékét urán-dioxiddá redukálják, ez utóbbi a következő fluorozási műveletben hidrogén-fluoriddal szemben igen kis reakcióképességet mutat. Szakember számára ismert, hogy a kis reakcióképesség az urán-trioxid alacsony BET fajlagos felületével - 1 m2/g alatti érték - és kis porozitásával - 4 g/cm3 látszólagos sűrűség - függ össze. Ugyancsak ismeretes olyan eljárás, mely szerint az uranil-nitrát-hexahidrát termikus denitrálását fluidizált ágyban hajtják végre. Ilyen eljárást ismertetnek a „Thermal Denitration of Uranyl Nitrate in Fluidized Bed Reactor”, Australian Atomic Energy Commission, July 1974 (ISBN 0-642- 99645-8) szakirodalmi hdy 1-18. oldalain. Az eljárás lényege, hogy tömény uranil-nitrát-oldatot permeteznek levegő- vagy gőzárammal fluidizált urántrioxid ágyban, az ágy hőmérséklete 270 *C körüli. A termikus denitrálás révén keletkező urán-trioxid vagy a kezdetben a fluidizált ágy részeként jelenlévő urán-trioxid szemcsére rakódik, vagy különálló, új részecske formájában maga is fluidizált állapotba kerül. Azonban az így kapott urán-trioxidból redukálással előállított urán-dioxid - a korábbi eljárásokhoz hasonlóan - a fluorozási lépésben kis reakcióképességgel bír. A kis reakcióképesség a termikus denitrálással előállított urán-trioxid kis, 1 m2/g alatti értékű, BET fajlagos felületének és 4 g/cm3 látszólagos sűrűség értékkel jellemezhető kis porozitásának következménye. Ezért, az uranil-nitrát fluidizált ágyas termikus denitrálási eljárásával előállított uránium-trioxid 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
