DE3624310C2

DE3624310C2 -

Info

Publication number: DE3624310C2
Application number: DE3624310A
Authority: DE
Inventors: David Gordon Palos Heights Ill. Us Linz; Robert Kenneth Grier Jun.; Jennifer Ann Wetzel; Abdul Gaffar Dada; John Donald Wilmington N.C. Us Connolly
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1990-11-22
Also published as: GB2179031B; GB8614043D0; DE3624310A1; JPS6270229A; ES2003087A6; FR2602761B1; GB2179031A; CA1250405A; JPH0359006B2; IT1206349B; FR2602761A1; IT8621473A0; US4698214A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von Uranhexa fluorid in Uranoxid in einem gasförmigen Reaktionsmedium mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Stufen. Ein solches Verfahren läßt sich der DE-OS 22 55 813 entnehmen.

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von Uran hexafluorid zu Uranoxid in einem gasförmigen Reaktionsmedium sind außerdem in den nachfolgend aufgeführten US-Patentschriften be schrieben: 37 86 120, 37 90 493, 37 96 672, 38 14 327, 38 19 804, 39 70 581, 40 05 042, 40 31 029 und 40 90 976.

Die vorstehend aufgeführten US-Patentschriften behandeln alle das gleiche Gebiet der Technologie, der chemischen Reaktio nen und der Produktkategorien wie die vorliegende Erfindung. Darüber hinaus sind die in diesen Patentschriften beschriebe nen Bedingungen und Mittel der Uranhexafluorid-Umwandlung in ein Uranoxid, sofern geeignet und durchführbar, alle anwend bar auf den Gegenstand der Erfindung und innerhalb des Be reichs derselben.

Die Erfindung befaßt sich mit spezifischen Verbesserungen bei der Herstellung von als spaltbarem Kernbrennstoff geeignetem Uranoxid aus Uranhexafluorid mittels eines gasförmigen Reaktionsverfahrens mit einem Heizgas und Sauerstoff. Ein solches Verfahren ist im einzelnen in den obengenannten US-Patentschriften, insbesondere der US-PS 37 86 120, erläutert.

Wie aus dem Stand der Technik und der Praxis bekannt ist, sind die physikalischen Eigenschaften als auch die chemische Zusam mensetzung bzw. das Sauerstoff/Uran-Verhältnis von Uranoxid Erfordernisse, die einen Einfluß auf die Herstellung und/oder das anschließende Verhalten von spaltbarem Uranbrennstoff auf weisen. Die Bedeutung von gewissen Eigenschaften, wie das Ver hältnis der Sauerstoff/Uran-Zusammensetzung und der physikali schen Eigenschaften, wie beispielsweise der Teilchengröße, der Oberflächeneigenschaften und der Dichte von Uranoxid, das für den Betrieb als spaltbarer Brennstoff bestimmt ist, im Verhält nis zu sowohl seiner Eignung für Verfahren zur Brennstoffher stellung und des anschließenden Verhaltens als Brennstoff, sind in den US-PS 38 03 273, 39 23 933 und 39 27 154 er läutert. Beispielsweise sind u. a. die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung hinsichtlich der anschließenden Her stellungsverfahren des Brennstoffs, wie beispielsweise Bilden von gepreßten Pellets aus Uranoxid für die Verwendung als Brennstoff und hinsichtlich der endgültigen Eigenschaften der gesinterten Pellets von Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art - und eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens - zu schaffen, bei dem Uranoxid von erhöh ter Brennstoffqualität erhalten wird und das hinsichtlich der Arbeitsweise und der dazu erforderlichen Vorrichtung weniger komplex ist. Das herzustellende Uranoxid soll dabei vorteil haftere physikalische Eigenschaften, einschließlich der Größe der hergestellten Teilchen und der Steuerung der Teilchengrößen aufweisen. Ferner sollen Verfahren und Vorrichtung flexibler und für die Einstellung variierender Reaktionsbedingungen durch Manipulieren der gasförmigen Komponenten anpassungsfähiger und andererseits einer Regulierung der chemischen und physikali schen Eigenschaften des teilchenförmigen Uranoxid-Produkts daraus zugänglicher sein.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens ist Gegenstand des Anspruches 10.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich nung näher erläutert, deren einzige Figur ein Ausführungsbei spiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung bzw. der Reaktor 10 eine Hochtemperatur-Verbrennungseinheit von mehreren Gasen, einschließlich einer Gemisch-Kammer 12 und einem Ver brennungsreaktionsgefäß 14. Die Gemisch-Kammer 12 ist mit mehreren Gaszuführungsleitungen wie 16, 18 und 20 versehen, verbunden mit einer Quelle (nicht gezeigt) für jeden der gas förmigen Reaktionsteilnehmer einschließend Uranhexafluorid, Sauerstoff und Heizgas (Wasserstoff), für die Aufnahme derar tiger gasförmiger Bestandteile und für das Mischen derselben für die anschließende Einwirkung der Verbrennung. Es können Steuerventile und andere geeignete Mittel, wie beispielsweise Durchflußmesser, eingesetzt werden, wie dies zur Regulierung der Durchflußleistungen und der Mengen von jedem Gas, das in die Gemisch-Kammer 12 eingeführt wird, zweckdienlich ist.

Das Verbrennungsreaktionsgefäß 14 ist typischerweise ein läng licher, im allgemeinen zylindrisch geformter Ofen für die Durchführung von exothermen Gasreaktionen, wie sie in den obengenannten US-Patentschriften erläutert werden.

Das Rohr 22 verbindet die Gasmisch-Kammer 12 mit dem Verbren nungsreaktionsgefäß 14 und bildet eine sich von der Gasmisch- Kammer erstreckende Gasausstoßdüse 26 mit dem Rohrausgang 24, der innerhalb des Gefäßes 14 in Nachbarschaft eines Raums 30 für die Durchführung einer Verbrennungsreaktion zwischen den durch das Rohr zugeführten gasförmigen Bestandteilen liegt. Daher wirkt das Rohr 22 als Gasausstoßdüse 26, transportiert eine reaktive gasförmige Mischung aus der Gasmisch-Kammer 12 in das Verbrennungsreaktionsgefäß 14 und stößt die Gasmischung aus seinem Düsenauslaß 24 in das Reaktionsgefäß an der für die darin durchzuführende Verbrennungsreaktion vorgesehene Stelle aus.

Eine ringförmige Umfassungswandung 28 ist vorgesehen, welche zumindest den äußeren Teil des Rohrs 22, welches die Gasaus stoßdüse 26 in Nachbarschaft zu ihrem abschließenden Auslaß 24 und angrenzend an den Verbrennungsreaktionsraum 30 des Gefäßes 14 bildet, konzentrisch umgibt. Die ringförmige Umfassungswan dung 28 bildet eine Spülgasausströmkammer und ist mit einer Quelle von reduzierendem Spülgas, wie Wasserstoff oder disso ziiertem Ammoniak durch eine Einlaßöffnung darin verbunden. Die Spülgasverbindung kann mit Steuerventilen und anderen geeigneten Mitteln, wie Durchflußmessern, versehen sein, die geeignet sind, die Durchflußleitungen und Mengen an dem System zugeführten Spülgas zu regulieren. Die Wandung 28 und der da durch gebildete umschlossene Raum haben einen ringförmigen Ab fluß für deren gasförmige Inhalte, welcher den Auslaß 24 der Gasausstoßdüse 26 für die gemischten reagierenden Gase kreis förmig umgibt. Der umschlossene Raum der ringförmigen Umfas sungswandung 28 und sein Abfluß bilden eine Ummantelung von Spülheizgas, welche die gemischten gasförmigen Reaktionsbestand teile, die aus der Gasausströmöffnung 24 austreten, kreisförmig umgibt.

Diese Konstruktion und deren Effekt, umfassend die Spülwirkung der umgebenden Flamme des Heizgases auf den zentralen Strahl der gemischten Gase, dient zur Einstellung und Festlegung der Hauptflamme der gemischten Gase im geringen Abstand von dem Düsenauslaßstrahl 24. Dieser Effekt vermeidet einen Aufbau von festen Verbrennungsprodukten, nämlich von Uranoxid, auf dem oder um das Ende der Strahldüse 24 herum.

Das Verfahren umfaßt auch die An wendung eines Quenchgases, um den gebildeten Verbrennungsdampf rasch abzukühlen und die aus der Flammenreaktion hervorgehen den, sich verfestigenden Uranoxidprodukt-Teilchen abzukühlen und dadurch das Teilchenwachstum des Reaktionsproduktes zu steuern.

Das Quenchgas kann an einer oder an mehreren Stellen angewandt werden. Beispielsweise kann ein ringförmiger Verteiler 32, der eine die Außenseite der ringförmigen Wandung 28 kreisförmig um gebende ringförmige Umfassungswandung aufweist und durch das Rohr 34 mit einer Quelle von Quenchgas verbunden ist, verwen det werden. Dieser Verteiler umgibt die äußere Peripherie der gasförmigen Flammenreaktion, einschließlich der diese kreis förmig umgebenden Spülgasummantelung, mit einem Vorhang des Quenchgases.

Wahlweise oder in Kombination mit den obigen kreisförmig umge benden Quencheinrichtungen kann eine Vielzahl von Gasabführ einheiten 40 um die Peripherie des Verbrennungsreaktionsgefäßes 14 herum im allgemeinen benachbart zu oder stromabwärts von dem angegebenen Raum 30 der Verbrennungsreaktion angeordnet sein. Gasabführeinheiten 40 können von einer Quenchgasquelle (nicht gezeigt), wie Sauerstoff, Stickstoff (oder Luft) oder ein Inertgas, durch das Zuführungsrohr 36 und die Verteiler spinne 38, wie gezeigt, beliefert werden. Diese Verbindungen zu den Einheiten 40 und/oder dem rohrförmigen Verteiler 32 können mit Steuerventilen und anderen geeigneten Vorrichtun gen, wie Durchflußmessern, versehen sein, die geeignet sind, die Durchflußleistungen und die Mengen des der Reaktion zuge führten Quenchgases zu regulieren.

Gemäß dieser Erfindung werden mehrere Einzelgase, oder Kombi nationen von Gasen, einschließlich die Grundreaktionsteilneh mer, wie Uranhexafluorid, des Heizgases, wie Wasserstoff und Sauerstoff, der Mischkammer zugeführt. Die Gase werden darin im wesentlichen gleichmäßig zur Einspeisung durch die Strahl düse in das Reaktionsgefäß für ihre Hochtemperatur-Wechselwir kung gemischt.

Das Uranhexafluorid kann in die Mischkammer als solches, oder kombiniert mit einem Trägergas, wie Sauerstoff, Luft und/oder ein Inertgas, einschließend Stickstoff, Argon etc., einge führt werden. Sauerstoff kann allein oder mit einem Inertgas, wie Stickstoff (Luft) etc., zugeführt werden und ein Inertgas, wie Stickstoff etc., kann mit dem Heizgas kombiniert oder es kann allein zugeführt werden. Wasserstoff umfaßt das bevorzug te Heizgas und Spülgas, das in Form von dissoziiertem oder ge cracktem Ammoniak (2NH₃ → 3H₂ + N₂) zugeführt werden kann. An dere Heizgase schließen Erdgas, Methan, Butan, Propan, etc. ein. Quenchgase schließen vorzugsweise Sauerstoff allein oder kombiniert mit einem Inertgas, Stickstoff (Luft) etc. ein.

Die Anteile der reaktiven Bestandteile - Uranhexafluorid/Sau erstoff/Wasserstoff - welche der Mischkammer 12 zur Umwand lung des Uranhexafluorids in Uranoxid zugeführt und dort vereinigt werden, sollten derart sein, daß der verfügbare Sauerstoff und Wasserstoff (Heizgas) mengenmäßig zumindest stöchiometrisch bezüglich des Uranhexafluorids sind. Vorzugsweise liefert die Sauerstoffquelle zumindest 100% bis etwa 150% der stöchiome trischen Menge an Sauerstoff in die Reaktion. Darüber hinaus werden bevorzugterweise genügend Verbrennungsgase zur Umwand lung von im wesentlichen dem gesamten Uranfluorid und dem Was serstoff in dem System in Urandioxid und Fluorwasserstoff ein gesetzt, nämlich:

UF₆ + 3H₂ + O₂ → UO₂ + 6HF.

Die Reaktionstemperatur für die exotherme Gasumwandlung liegt im Bereich von etwa 1600° bis etwa 2400°K bei Verwendung von Wasserstoff als Heizgas und wird vorzugsweise inner halb des Bereiches von etwa 1700° bis etwa 2100°K gehalten.

Das Quenchen bis unterhalb etwa 1500°K wird zur Beendigung des statischen Wachstums der Uranoxidprodukt-Teilchen ausgeführt, das sonst infolge der Zusammenballung der kollidierenden heißen und bis dahin etwas kohäsiven sich verfestigenden Kör pern von neu gebildetem Uranoxid, welche aus der gasförmigen Verbrennungsreaktion hervorgehen, einzutreten scheint. Das Aus maß des Quenchens zusammen mit den Stellen dafür im Verhältnis zu dem Reaktionsraum kann zur Regulierung der Größe der gebil deten Teilchen und deren Bereich und Größenverteilung durch Wachstumbeendigung beitragen.

Die praktische Durchführung dieser Erfindung umfaßt gemäß ei ner bevorzugten Ausführungsform die nachfolgenden Verfahrens modifizierungen gegenüber denjenigen der in den vorerwähnten Hintergrund-Patenten beschriebenen Verfahren. Die reaktiven Bestandteile, Uranhexafluorid-, Sauerstoff- und Wasserstoff gase, jeweils kombiniert mit Luft oder Stickstoff als Träger gas, werden kontinuierlich einzeln in die Mischkammer 12 ein geleitet, in der sie sich zu einer im wesentlichen homogenen Mischung vereinigen. Aus der Mischkammer werden Reaktions teilnehmergase und Luft-Trägermischung kontinuierlich durch die Ausstoßdüse 26 in das Verbrennungsreaktionsgefäß zur Wech selwirkung bei hoher Temperatur, nämlich bei einer Verbren nung, eingespeist.

Das Vormischen der Gasreaktionsteilnehmer, welche aus der Aus stoßdüse austreten, liefert eine kleinere begrenzte Flammen zone der exothermen Reaktion, die eine konzentrier tere und bei höherer Temperatur erfolgende Umwandlungsreaktion liefert. Je höher die Umwandlungskonzentration und -temperatur, desto schneller werden vollständige Oxidationsphasen des Urans erreicht. Demzufolge schließt die Verwendung einer Mischung der Reaktionsteilnehmer das Verweilen der reaktiven Bestand teile mit Trägergas und das Bilden von Reaktionsprodukt inner halb einer ungesteuerten, unbestimmten und uneinheitlichen ausgedehnten Gasatmosphäre von diffusen und langsam reagieren den Bestandteilen aus.

Gleichzeitig mit dem Einspeisen einer Mischung der gasförmigen Bestandteile als Strahlströmung in die Verbrennungsreaktion wird die umgebende Ummantelung von Spülgas angewandt, welche den Strahlstrom der gemischten Bestandteile kreisförmig umgibt. Dieses kreisförmig umgebende Mantelgas umhüllt die exotherm re agierende Gasmischung und schnürt sie ein, wodurch die Ein schränkung der Flammenreaktionszone und die Wärme konzentration begünstigt wird.

Außerdem dient der im allgemeinen parallele gemeinsame Weg der Gase der eingeengten zentralen Mischung und des umgeben den Spülgases dazu, die Hauptflamme der miteinander in Wech selwirkung stehenden gemischten Gase eine kurze Entfernung weg von dem physikalischen Ende des Düsenauslasses einzustel len und festzulegen. Daher wird eine Adhäsion und ein Aufbau des gebildeten Dampfes und des verfestigten Reaktionsproduk tes an der Düsenstruktur wirksam durch den dazwischen liegen den Raum zwischen dem Düsenauslaß und der losgelösten Flamme verhindert.

Schließlich wird im Verfahren ein Quenchgas, wie Luft, auf das heiße exotherme Reaktionsmedium zur Verzögerung des koaleszierenden Wachstums der Produktteil chen an einer geeigneten Stelle angewandt, um zu einer gegebe nen oder gewünschten Größe und Verteilungsbereich des Produkts zu führen.

Eine Ausführungsform zur Bremsung des Teilchenwachstums auf ein Minimum umfaßt die Anwendung eines Quenchgases, das den Strahlstrom der innerhalb des Spülgases eingehüllten gemisch ten Gase umgibt, wenn sie beim Austreten aus der Strahldüse in den Verbrennungsraum in die exotherme Wechselwirkung oder Verbrennungsreaktion eintreten. Diese prompte Quench- bzw. Ab schreckwirkung setzt das koaleszierende Wachstum des Produktes auf ein Minimum herab und steuert die Gleichmäßigkeit und die Größe des hergestellten Teilchens.

Andere Ausführungsformen zum Quenchen schließen die Anwen dung des Quenchgases entweder ganz allgemein intermediär oder stromabwärts des Raums der Hauptumwandlungsreaktion ein und ermöglichen dadurch einen stufenweise ansteigenden grö ßeren Grad an Koaleszenzwachstum der Produktteilchen, wenn die Quenchaktion weiter stromabwärts von der anfänglichen Produkt-Bildungsreaktion abgebrochen wird.

Claims

1. Verfahren zum Umwandeln von Uranhexafluorid in Uranoxid in einem gasförmigen Reaktionsmedium, umfassend die Stufen:

(a) Zuführen von Uranhexafluorid und Sauerstoff umfas senden Gasen,
(b) Einspeisen der Uranhexafluorid und Sauerstoff um fassenden Gase als kombinierter Strahlstrom in eine Reaktionszone,
(c) getrenntes Zuführen von Wasserstoffgas als Spül- und Heizgas in einer ringförmigen Strömung, die den kombinierten Strahlstrom der in die Reaktionszone eingeführten Gase parallel kreisförmig umgibt,
(d) Verbrennen der Gasmischung in der Reaktionszone, wobei das Uranhexafluorid in ein Uranoxid umgewandelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

(a′) die genannten Gase Uranhexafluorid, Sauerstoff und zusätzlich Wasserstoff als Heizgas einzeln zugeführt und vor dem Einspeisen der Gase in die Reaktionszone vermischt werden,
(d′) daß die Verbrennung bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von etwa 1600 bis etwa 2400°K aus geführt wird und daß
(e) ein Quenchgas dem heißen Reaktionsmedium getrennt zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Quenchgas der Reaktionszone beim Austreten des kombinierten Strahlstroms in den Ver brennungsraum zugeführt wird, wobei das Quenchgas, das den Strahlstrom umgebende Spülgas kreisförmig umströmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Quenchgas stromabwärts der Reaktionszone dem Verbrennungsraum zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verbrennung des Uranhexa fluorids zu Uranoxid in der Reaktionszone bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1700 bis etwa 2100°K aus geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Sauerstoffgas zu sammen mit einem inerten Trägergas zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Wasserstoffgas disso ziiertes Ammoniak enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Uranhexafluoridgas in Kombination mit einem Trägergas zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Quenchgas Luft enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Quenchgas ein inertes Gas enthält.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Kombination aus:

(a) einem Verbrennungsreaktionsgefäß (14),
(b) einer Gasmisch-Kammer (12), versehen mit Zuführungen (16, 18, 20), die mit einer Quelle für Uranhexafluorid, einer Quelle für Sauerstoff und einer Quelle für Was serstoff verbunden sind, zur Aufnahme und zum Mi schen der Gase,
(c) einem eine Gasausstoßdüse (26) bildenden Rohr (22), das sich von der Mischkammer an erstreckt und mit seinem Ausgang (24) in Nachbarschaft eines Verbren nungsreaktionsraums (30) des Verbrennungsgefäßes (14) endet,
(d) einer ringförmigen Umfassungswandung (28), welche zu mindest den äußeren Teil des Rohrs (22) in Nachbarschaft seiner abschließenden Austrittsdüse (24) konzentrisch um gibt, eine mit einer Quelle für Heizgas verbundene Einlaßöffnung darin, und einen die Austritts düse (24) ringförmig umfassenden Auslaß aufweist und
(e) einer zusätzlichen Einrichtung (32) zum peripheren Ein leiten eines Quenchgases in das Verbrennungsreaktionsge fäß (14).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum peripheren Einleiten eines Quenchgases in das Verbrennungsreaktionsgefäß (14) einen mit einer Quelle für Quenchgas verbundenen ringförmigen Verteiler (32) und das kreisförmige Einhüllen der ring förmigen Umfassungswandung (28), vorgesehen für die Heizgasabführung, welche die Gasmischung kreisförmig um gibt, umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum peripheren Einleiten eines Quench gases in das Verbrennungsreaktionsgefäß (14) eine Viel zahl von Gasabführeinheiten (40), verbunden mit einer Quelle für Quenchgas und angeordnet rund um die Wand des Reaktionsgefäßes in Nachbarschaft zu dem darin befindli chen Verbrennungsreaktionsraum (30), umfassen.