Получение оксидов урана

3(NH4)4[UO2(CO3)3] → U3O8 + 10NH3 + 9CO2 + N2 + 7H2O + 2H2.

Как видно из уравнения реакции, в ходе процесса выделяется значительное количество аммиака, углекислоты, воды, водорода и азота.

Кристаллы аммонийуранилтрикарбоната при нагревании без доступа воздуха начинают разлагаться при 170 0C. Полное разложение соли до триоксида урана происходит в интервале 240-350 0C. При этом образуется аморфный триоксид урана

(NH4)4[UO2(CO3)3] → UO3 + 3CO2 + 4NH3 + 2H2O.

Повышение температуры приводит сначала к перекристаллизации триоксида урана, а затем к образованию закиси-окиси урана. Начиная с 620 0C появляется диоксид урана. Восстановление до диоксида происходит за счет водорода, выделяющегося при разложении аммиака. При разложении соли без доступа воздуха образуется четыре моля аммиака на один моль триоксида урана. Получающийся избыток водорода приводит к образованию водяного газа.

Разложение аммонийуранилтрикарбоната без доступа воздуха, приводящее к получению диоксида, выражается следующей реакцией:

(NH4)4[UO2(CO3)3] → UO2 + 2NH3 + 3CO2 + 2H2 + N2 + 3H2O.

Состав газовой фазы зависит от температуры процесса.

Получение оксидов урана методом денитрации уранилнитрата

Получение оксидов прямой термической денитрацией гексагидрата уранилнитрата — достаточно тонкий технологический процесс. Метод термической денитрации растворов уранилнитрата при переработке ядерного топлива находит широкое применение на заводах в Великобритании []. Обычно процесс денитрации проводят в две стадии: упаривание раствора уранилнитрата в выпарных аппаратах с получением гексагидрата уранилнитрата и последующая термическая обработка упаренного до 70—100 % продукта до трехоксида урана.

На операцию концентрирования поступают растворы уранилнитрата с содержанием от 90 до 280 г урана на 1 л. При этом содержание свободной азотной кислоты может изменяться от нуля до 0,05 моль/л. Для упаривания растворов используют вертикальные трубчатые выпарные аппараты, обогреваемые внутренними паровыми змеевиками. Работу каждого аппарата постоянно контролируют по температуре кипения раствора для получения такой концентрации уранилнитрата, которая необходима для операции денитрации. Эта температура колеблется от 120 до 143 0C. При 120 0C кипит раствор, в котором содержание урана примерно 1175 г/л, при 143 0C раствор с концентрацией урана около 1500 г/л.

Температура начала кристаллизации менее концентрированного раствора около 60 0C, более концентрированного - около 116 0C. Поэтому всю систему транспортирования таких растворов во избежание затвердевания уранилнитрата в трубопроводах обогревают паром. Все трубопроводы монтируют наклонными, чтобы при необходимости были обеспечены слив раствора и промывка их сильной струей воды.

Перед подачей на денитрацию такие концентрированные растворы уранилнитрата хранят в обогреваемых емкостях. Аппараты концентрирования изготавливают из нержавеющей стали.

Отходящие пары и газы конденсируют; если в конденсате обнаруживается некоторое количество урана, растворы возвращают на упаривание. При достаточно высоком содержании азотной кислоты конденсат возвращают в процесс; конденсат, не содержащий урана и азотной кислоты, используют в качестве раствора для проведения процесса реэкстракции урана из трибутилфосфата.

В настоящее время разрабатывается еще более эффективный аппарат - денитратор кипящего слоя. В этом варианте аппаратурного оформления процесса обеспечивается лучшая теплопередача [, ]. Упаренный раствор уранилнитрата (800 г/дм3) нагревают в сборнике до 70 0C и подают насосом-дозатором одновременно со сжатым воздухом в форсунки, расположенные в корпусе аппарата. Раствор впрыскивается форсунками непосредственно в псевдоожиженный слой нагретой гранулированной трехокиси урана. Ожижающим агентом служит горячий воздух, нагреваемый в калорифере. В реакторе образуется парогазовая смесь, содержащая мелкодисперсную трехокись урана. Эта смесь из реактора проходит циклон, в котором происходит осаждение трехокиси урана, которая из бункера циклона питателем возвращается обратно в псевдоожиженный слой. Вывод трехокиси урана из реактора осуществляют с помощью питателя с уровня псевдоожиженного слоя в приемник.

Процесс денитрации проводят при температуре 300—500 0C, при скорости ожижающего агента (воздуха) 0,46 м/с при числе псевдоожижения, равном 6. Расход тепла на 1 т U составляет 26,2 · l05 кДж. При денитрации в аппаратах псевдоожиженного слоя не возникает местных перегревов, процесс протекает с высокой скоростью денитрации и хорошо регулируется. Физические характеристики получаемых гранулированных частиц UO3 (сферические размеры, насыпную плотность и др.) можно регулировать в определенных пределах технологическими параметрами, т. е. скоростью ожижающего агента, температурой псевдоожиженного слоя, условиями распыления раствора уранилнитрата (скоростью истечения, удельным расходом распыливающего агента), а также температурой и концентрацией поступающего на денитрацию уранилнитрата.