Использование микроволновой плазменной технологии для конверсии легколетучего гексафторида урана

Гексафторид урана, необедненный по U235, представляет собой основное сырье для синтеза слабообогащенного ядерного топлива в виде диоксида урана. Переработка UF6 связана с множеством проблемам, связанными главным образом с получением диоксида урана UO2, обладающим необходимыми 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 быть выполнена несколькими методами, в том числе с помощью СВЧ плазмы электромагнитного поля.

«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 преимущество переработки больших объемов материалов при низких трудозатратах, позволяя обеспечить высокую гибкость в процессе обогащения. На сегодняшний день именно «сухие» методы обеспечивают более 85% мирового потребления оксида урана.

«Сухой» процесс позволяет минимизировать радиоактивную утечку, обеспечивая практически безотходное промышленное производство, так как более 99% образующейся фтористоводородной кислоты применяются в других производствах. Непрерывность технологического процесса и стабильность и воспроизводимость характеристик UO2 обуславливают получение диоксида урана высокой химической чистоты и хорошей спекаемости. Плотность и микроструктура полученных в СВЧ установках таблеток управляема, топливо характеризуется высокой термической стойкостью.

Применение микроволновой 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 технологических системах при наличии гексафторида урана, пламяобразующих газов, продуктов их горения и продуктов конверсии UF6 в UO2. При этом водород наиболее пригоден в качестве пламяобразующего газа, а кислород или воздух – в качестве окислителя. Применение этих газов обеспечивает достаточно 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.

Проведенные 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 напоминает механизм восстановительного пирогидролиза в высокотемпературном теплоносителе. В процессе технологической переработки 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. Также 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 процесса 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 реакции могут обеспечить высокую плотность и скорость конверсии гексафторида урана в диоксид, что зависит от концентрации радикалов гидроксила и атомов водорода в пламени и их высокой химической активностью.

На периферийных зонах факела, где температура горения 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. С целью снижения их содержания в готовом порошке оксидов урана, можно прибегнуть к повышению температуры факела и увеличению концентрации паров воды в реакционной зоне рабочей СВЧ установки микроволнового излучения.

Повышение конверсии гексафторида урана в диоксид урана в СВЧ установках

Также повысить полноту конверсии гексафторида урана в диоксид можно путем 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.

Зависимость общей скорости восстановительного пирогидролиза фторсодержащих оксидов урана от температуры и состава газовой фазы, построенные на основании экспериментальных кинетических кривых, свидетельствуют о заметном ускорении процесса с повышением температуры более 600° С. Максимальный рост скорости происходит при температуре 600 – 650° С. С приближением к значению в 700° С скорость технологического процесса немного падает.

Влияние состава газовой фазы на общую скорость процессов гидролиза в микроволновых СВЧ установках

Влияние состава газовой фазы на общую скорость процессов гидролиза и восстановления носит неоднозначный характер из-за сложного состава фторсодержащих оксидов урана, компоненты которых по-разному ведут себя в процессе нагревания в атмосфере водорода и водяного пара. В рабочей системе одновременно может протекать несколько химических реакций, каждая из которых по-разному реагирует на изменения условий технологического 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.

Важнейшим технологическим этапом 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. Значение 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. Снижение температуры системы СВЧ нагрева до уровня 80 – 100° С сопровождается увеличением содержания фтора до 8 – 10% вследствие фторирования оксидов урана фтористым водородом.

При температуре стенок микроволновой СВЧ установки 650 – 700° С основное влияние на содержание фтора в оксидах урана оказывает количество подаваемых в горелку газов, 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.

Использование микроволновой плазменной технологии для конверсии легколетучего гексафторида урана