.RU

Восстановление гексафторида урана до тетрафторида урана метанолом в плазменных потоках


Восстановление гексафторида урана до тетрафторида урана метанолом в плазменных потоках


Мазин Е.В., Мазин В.И.

ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск

E-mail: mazinev@mail.ru


Начатые в 60-70-х годах прошлого века на Сибирском химическом комбинате исследования по использованию возможностей низкотемпературной плазмы в ядерном топливном цикле завершились реализацией ряда пилотных и опытно-промышленных плазменных установок получения урановых и уран-плутониевых оксидных топливных композиций [1, 2]. В дальнейшем работы в этой области были расширены на получение большой номенклатуры оксидных материалов различного функционального назначения [3].

В большой степени успешному освоению плазменных технологий способствовало создание в процессе исследований оригинальных и высоконадежных в эксплуатации плазменно-технологических аппаратов, в том числе генераторов плазмы  ВЧИ-плазмотронов [4], плазмохимических реакторов и пр., а также высокоэффективных малогабаритных сепараторов твердой фазы  высокотемпературных фильтров.

Однако наиболее впечатляющие результаты здесь просматриваются в распространении плазменных технологий на переработку гексафторида урана [2], как низкообогащенного, так и отвального, поскольку принцип действия и оборудование созданных установок может быть положен в основу создания демонстрационных и опытно-промышленных модулей:

- для восстановления гексафторида низкообогащенного урана в диоксид урана для ТВС ЛВР;

- для перевода гексафторида урана отвалов обогащения в порошок UF4;

- для переработки отвалов обогащения UF6 в микросферические порошки диоксида урана с целью изготовления виброуплотненного смешанного топлива для ЛВР и БР;

- для получения порошков диоксида урана из низкообогащенного или обедненного UF6, содержащего равномерно распределенный нейтронный поглотитель, и др.

В настоящем сообщении рассмотрена технология плазменно-метанольного восстановления отвального UF6 до UF4 и безводного фтористого, которая, по нашему мнению, может служить альтернативой реализуемому пламенно-водородному восстановлению ОГФУ [5].

В основе этой технологии лежит способ [6], основанный на восстановлении UF6 парами метанола при высоких температурах, осуществляемый в объеме плазменно-технологического аппарата. Здесь термин «плазменно-метанольное» восстановление использован нами, чтобы обозначить отличие от известного способа плазменно-водородного восстановления отвального UF6 через UF4 до металлического урана, предложенного в РНЦ КИ [2].

Восстановление UF6 парами метанола в потоке химически активного или нейтрального плазменного теплоносителя может быть осуществлено по брутто-реакциям:


UF6(газ) + 1/2CH3OH(жидк.) + 0,6(NO)(газ) + (0,5…1)(NO)(плазма) 

 UF4(тв.) + 2HF(газ) + 1/2COх(газ) + N2(газ) (Травн. = 1400…1500 К); (1)


UF6(газ) + 1/2CH3OH(жидк.) + 0,6N2(газ) + (0,5…1)N2(плазма) 

 UF4(тв.) + 2HF(газ) + 1/2CO(газ) + N2(газ) (Травн. = 1400…1500 К) (2)

или

UF6(газ) + 1/3[CH3OH + H2O](жидк.) + 0,6N2(газ) + N2(плазма) 

 UF4(тв.) + 2HF(газ) + 1/2COх(газ) + N2(газ) (Травн. = 1400…1500 К). (3)


В скобках приведены расчетные значения равновесных температур реакций
(1)-(3), реализуемые при фактическом энергосодержании воздушного и азотного плазменных теплоносителей на выходе из ВЧИ-плазмотрона. Видно, что во всех случаях равновесные температуры плазменных процессов превышают температуру плавления UF4 (1309 K). Порошок тетрафторида урана по существующей промышленной технологии кальций-термического восстановления может быть переведен в слитки металлического урана и использован для долговременного хранения, будущего изготовления МОХ-топлива, получения специальных сплавов и т.п. Образующие при этом шлаки из дифторида кальция (CaF2) могут служить стабильным источником получения дефицитного фтора, поскольку не меняют существующую промышленную технологию его приготовления.

Образующийся в ходе реакций (1)-(3) безводный фтористый водород легко выделяется из газового потока и без дополнительного передела может быть направлен на получение элементного фтора.

Выбор в качестве восстановителя UF6 метанола продиктован тем, что метанол является одним из основных многотоннажных продуктов современной химической технологии. На 2004 г. мировое производство составляло примерно 40 млн. тонн. В России метанол производится на девяти предприятиях с объемом около 3 млн. тонн.

Дальнейший анализ плазменно-метанольного восстановления UF6 проведен для реакции (3), как наиболее безопасной в практической реализации, поскольку предполагает использование водного раствора метанола.

Были изучены фазовые равновесия в системе UF6CH3OH(H2O)N2. Некоторые результаты расчетов по [7] приведены на диаграммах рисунка 1, из которых следует, что уран до температуры 1530 K существует в форме конденсированного UF4, выше которой переходит в газовую фазу UF4 с примесью 0,6 % мас. UF5. Таким образом, восстановление UF6 по реакции (3) оптимально с практической точки зрения, поскольку не предполагает перевод UF4 в газовую фазу.

Изучение кинетики протекания плазменного восстановления гексафторида урана до тетрафторида метанолом проводили на программе «Факир», в основу которой положен экстремальный принцип максимальной скорости порождения энтропии, который в сочетании с положениями неравновесной термодинамики позволяет количественно определить путь протекания химического процесса и изменение концентраций реагентов в произвольных газофазных системах. Названный подход описывает систему макроскопически как взаимосвязанное целое в противовес традиционному микроскопическому описанию частных взаимодействий.




Рисунок 1  Зависимость равновесного состава реагирующей системы

UF6 + 1/3(CH3OH + H2O) + 0,6N2 + N2(плазма) от температуры


Из результатов расчета, представленного на рисунке 2, видно, что время установления квазиравновесного состояния в системе UF6 + 1/3(CH3OH + H2O) + 0,6N2 + N2(плазма) в интервале температур 1400…1500 K составляет величину порядка 10-5 секунды и определяется скоростью восстановления UF5 до UF4.





1  HF; 2  N2; 3  UF4(газ); 4  CH3OH; 5  UF5(газ); 6  CO2; 7  UF6(газ); 8  UOF2(газ); 9  H2F2


Рисунок 2  Динамика изменения объемных долей химических компонентов в реагирующей системе UF6 + 1/3(CH3OH + H2O) + 0,6N2 + N2(плазма) во времени


Структурная схема установки плазменно-метанольного восстановления UF6 представлена на рисунке 3. На рисунке 4 приведена схема смешения реагентов в объеме плазмохимического реактора. В поток азотной плазмы гексафторид урана вводится в виде цилиндрической струи. Водный раствор метанола распыляется азотом через пневматические форсунки. Разделение зоны генерации тепловой энергии и зоны восстановления UF6 делает процесс более управляемым и легко протекающим.





1  ВЧИ-плазмотрон; 2  азотная установка мембранного разделения воздуха;

3  автоклав с баллоном UF6; 4  емкость с водным раствором метанола;

5  плазмохимический реактор; 6  сепаратор фаз; 7  сборник микросферического порошка UF4; 8  холодильник-конденсатор; 9  сборник товарного безводного HF;

10  блок сорбционной газоочистки; 11  газовый выхлоп


Рисунок 3  Структурная схема плазменной установки для восстановления ГФУ водным раствором метанола




1 – ВЧИ-плазмотрон; 2 – поток плазменного теплоносителя; 3 – штуцер подачи UF6;

4 – газовая струя UF6; 5 – распылитель жидкости; 6 – струя диспергированной жидкости;

7 – зона восстановления UF6; 8 – пароводяная завеса


Рисунок 4  Схема ввода реагентов в объем плазмохимического реактора

Рассчитаны технологические параметры автоклава и трассы подачи UF6, диаметры расходных шайб, диаметры выходных отверстий и оптимальный угол наклона жиклеров для ввода UF6, а также параметры форсунок для распыления раствора метанола в объем плазмохимического реактора при реализации демонстрационного и опытно-промышленного модулей.

Из результатов расчета материального баланса следует, что плазменные установки с потребляемой от сети мощностью 90…240 кВт обеспечат переработку 1000…3000 тUF6/год при расходе метанола 40…100 т/год с получением 1100…2800 тUF6/год и 140…350 т/год фтороводорода.

Установлено, что время испарения капель метанола в зоне реакции при температуре 1400…1500 K соизмеримо со скоростью газофазных реакций восстановления UF6:


исп. = к2 / Kисп. = 3,9·10-5 с, (4)


где к  средний диаметр капель жидкости в факеле распыла форсунки, м2; Kисп.  константа скорости испарения капель метанола в смеси азота и UF6, м2/с.


Для управления размером частиц раствор метанола может содержать, например, аммиачно-карбонатный раствор урана. В принципе возможна утилизация растворов плавиковой кислоты.

Другим вариантом рассмотренного подхода может стать получение порошков диоксида урана, который образуется при восстановлении UF6 за счет увеличении доли воды в растворе. При введении в водный раствор метанола солей металлов (Gd, Eu, Er) или борной кислоты, являющихся нейтронными поглотителями, на выходе из плазменного реактора будет образовываться квазигомогенная смесь или твердый раствор оксидов урана и нейтронного поглотителя UO2–Me2O3:


UF6(газ) + 2[H2O + 1/2CH3OH + соль Ме](жидк.) + (1…4)N2(плазма) 

 (UO2–Me2O3)(тв.) + 6HF(газ) + 1/2CO2(газ) + N2(газ).


Достоинства рассмотренной технологии: имеется проверенное и освоенное оборудование; опыт эксплуатации; имеется многотоннажное производство метанола, и не требуется его высокая чистота; меньше проблем с выделением безводного фтороводорода.


Список литературы


1 Конференция «Будущее плутония» // Атомная техника за рубежом, 1998. – № 3. – С. 26-29.

2 Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. – М.: ФИЗМАТЛИЗ, 2003. – 760 с.

3 Кондаков В.М. и др. Состояние работ по получению и применению ультра- (нано-) дисперсных порошков оксидов металлов на СХК / Е.Н. Малый, В.А. Матюха, Н.В. Дедов, А.А. Деменко, А.И. Соловьев, С.Г. Сулима, Э.М. Кутявин, А.С. Козырев, В.И. Шамин, Ю.Н. Сенников, О.И. Составкин, И.С. Степанов. – Материалы 6-й научно-технической конференции СХК (в 3-х частях). Часть 1. – Северск, 2000. – С. 114-117.

4 Пат. № 2233563 РФ. Высокочастотный индукционный плазмотрон. Мазин В.И. Приор. от 25.12.2001. Опубл. 27.07.2003. Бюл. № 21.

5 Калмаков Д.Ю. и др. Концепция и практика безопасного обращения с обедненным гексафторидом урана в России / В.В. Шаталов, М.А. Абоимов. – Доклад для Всемирной ядерной ассоциации. Рабочая группа «Ответственное обращение с ураном». – Майами, Флорида, США. 7 апреля 2008 года.

6 Положительное решение по заявке на пат. № 2002101196 РФ. Способ восстановления гексафторида урана. Мазин В.И. Приор. от 09.01.2002. Опубл. 27.07.2003. Бюл. № 21.

7 Синерев Г.Б. и др. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. – М.: Наука, 1982. – 263 с.

vodorod-hydrogenium-n-1-stranica-15.html
vodorod-hydrogenium-n-1-stranica-21.html
vodorod-hydrogenium-n-1-stranica-26.html
vodorodnie-soedineniya-azota-kurs-lekcij-po-discipline-neorganicheskaya-himiya-dlya-studentov-inzhenerno-tehnologicheskogo.html
vodorosli-dlya-teplovoza-gudok-besedoval-aleksandr-davidyanc-08072008-117-str-6.html
vodosnabzhenie-doklad-o-dostignutih-znacheniyah-pokazatelej-dlya-ocenki-effektivnosti-deyatelnosti-organov-mestnogo.html
  • writing.largereferat.info/astronomi-drevnih-vekov.html
  • esse.largereferat.info/rabochaya-programma-uchebnoj-disciplini-modulya-matematika-stranica-2.html
  • studies.largereferat.info/analiz-obespechivayushih-podsistem-sistemi-upravleniya.html
  • spur.largereferat.info/krizis-odnogo-goda-psihicheskoe-razvitie-ot-odnogo-goda-do-treh-let.html
  • essay.largereferat.info/erkn-ojmalar-ielern-tzlmne-engzu-memlekettk-krsetletn-izmet-standarti-zhalpi-erezheler-erkn-ojmalar-ielern-tzlmne-engzu.html
  • testyi.largereferat.info/55-truboprovodi-i-armatura-obshie-pravila-vzrivobezopasnosti-dlya-vzrivopozharoopasnih-himicheskih-neftehimicheskih.html
  • portfolio.largereferat.info/po-kursu-grazhdanskoe-pravo-obshaya-chast.html
  • letter.largereferat.info/monitoring-smi-za-period-oktyabr-2009g-stranica-9.html
  • tetrad.largereferat.info/vi-zashita-intellektualnoj-sobstvennosti.html
  • tetrad.largereferat.info/universiada-2013-v-kazani-prohodyat-testovie-sorevnovaniya-vserossijskogo-i-mezhdunarodnogo-urovnej.html
  • holiday.largereferat.info/neindoevropejskie-yaziki-chast-5.html
  • tasks.largereferat.info/1810-segodnya-v-arhangelskom-gosudarstvennom-tehnicheskom-universitete-proshla-akciya-pozvoni-mame.html
  • paragraf.largereferat.info/zadanie-2-blok-leto-2012.html
  • knowledge.largereferat.info/na-harakteristiki-plasticheskoj-deformacii.html
  • abstract.largereferat.info/1988-oktyabr-okonchanie-33-mashinopisnie-kopii-bez-vihodnih-dannih.html
  • institut.largereferat.info/tu-zhospari-tu-zhospari.html
  • shpora.largereferat.info/zakon-hanti-mansijskogo-avtonomnogo-okruga.html
  • bukva.largereferat.info/metodicheskoe-posobie-obobshenie-opita-raboti-na-pravah-rukopisi-soderzhanie-stranica-5.html
  • shkola.largereferat.info/razmishleniya-nad-prichinami-revolyucii-v-rossii-chast-2.html
  • notebook.largereferat.info/kadrovij-sostav-informacionnij-byulleten-po-itogam-raboti-respublikanskih-uchrezhdenij-kulturi-iskusstva.html
  • literatura.largereferat.info/shofild-b-sh81-arkticheskie-konvoi-severnie-morskie-srazheniya-vo-vtoroj-mirovoj-vojne-per-s-angl-l-a-igorevskogo-stranica-16.html
  • notebook.largereferat.info/imushestvoto-na-samokoveca-ostava-okonchatelno-za-drzhavata-tema-stroitelstvo-stroitelen-kontrol.html
  • studies.largereferat.info/chast-torfa-ispolzuetsya-v-kachestve-topliva-a-takzhe-v-selskom-hozyajstve.html
  • textbook.largereferat.info/i-analiz-sostoyaniya-socialno-pedagogicheskoj-sistemi-i-socialnij-zakaz-stranica-7.html
  • credit.largereferat.info/polnomochiya-rukovoditelya-i-ego-zamestitelej-v-federalnom-mediko-biologicheskom-agentstve.html
  • kolledzh.largereferat.info/42-primer-formi-patrioticheskogo-vospitaniya-detej-uchebno-metodicheskoe-posobie-dlya-socialnih-pedagogov-balashov.html
  • uchebnik.largereferat.info/uchebno-metodicheskij-kompleks-disciplini-psihologiya-razvitiya.html
  • notebook.largereferat.info/istoriya-socialnoj-pomoshi-v-rossii-chast-6.html
  • tasks.largereferat.info/-razrabotka-sistemi-sotrudnichestva-s-kollektivami-shkol-belgorodskogo-regiona-rabotayushih-na-kraevedcheskoj-osnove.html
  • desk.largereferat.info/polozhenie-o-zakupkah-tovarov-rabot-uslug-dlya-nuzhd-polesskogo-gosudarstvennogo-rajonnogo-dorozhnogo-predpriyatiya-rajavtodor.html
  • books.largereferat.info/chast-ee-ya-trachu-na-dorogu-ili-chto-to-neobhodimoe-pokupayu-dlya-sebya-a-druguyu-chast-trachu-na-zapiski-kotorie-podayu-v-hramah-kamenki-ili-penzi.html
  • klass.largereferat.info/a-zh-temerbaeva-inzhenerlk-sizbani-moduldk-tehnologiya-arili-oitu.html
  • znaniya.largereferat.info/razrabotchiki-programmi-povisheniya-kvalifikacii-karpachev-v-e-docent-k-t-n-direktor-nii-giprokom-tkachuk-e-o-s-n-s-k-t-n-docent-kafedri-pedagogika-visshej-shkoli-yurgtu-npi.html
  • control.largereferat.info/ekspluataciya-po-sistemi-obrabotki-so-opisanie-i-instrukciya-po-ekspluatacii-g-obninsk.html
  • textbook.largereferat.info/gou-vpo-sgga-kafedra-inostrannih-yazikov-utverzhdayu-prorektor-po-uchebnoj-rabote.html
  • © LargeReferat.info
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.