Общая оценка известных процессов денитрации

Денитрацией можно назвать любой процесс, при котором интересующие нас элементы отделяются от соединений азота (в частности, – от нитрат-ионов). Рассматривая процессы перехода от азотнокислых растворов урана и плутония к оксидам, имеет смысл различать два основных типа реакций: первый - это прямая (непосредственная) денитрация, т.е. превращение нитратов в оксиды без получения каких-либо промежуточных твердых соединений, второй же тип включает две стадии – кристаллизацию промежуточного соединения и его термическое разложение до оксида.

Первый путь представляется заведомо более предпочтительным. Как отмечается в работе [], прямую денитрацию в первую очередь и стали использовать, когда потребовалось в промышленном масштабе производить диоксид урана для изготовления топлива энергетических ядерных реакторов. Однако из порошков, получаемых таким способом, таблетки с плотностью, превышающей 90% от теоретической, удавалось получать, только используя большие давления при прессовании и температуры порядка 1750-1800 0С при спекании таблеток.

В дальнейшем были разработаны и многие другие варианты процессов денитрации. Для их сравнительной оценки целесообразно использовать какие-то объективные критерии. Полезный и достаточно простой набор критериев предложил Хаас [], для сравнения различных процессов получения оксидов урана, пригодных для изготовления топливных таблеток. Для технико-экономической оценки технологии учитывалось число операций, необходимых для перехода от раствора уранилнитрата средней концентрации к порошку оксида требуемого качества, и сложность этих операций. Критерии качества порошков к середине 80-х уже в основном определились.

Было установлено, что площадь поверхности порошка UO2 в интервале 6±4 м2/г наиболее благоприятна для изготовления топливных таблеток. Порошки с меньшей поверхностью спекаются и уплотняются хуже, тогда как порошки с большей поверхностью дают таблетки с пониженной плотностью при прессовании, а также с излишней усадкой и с образованием трещин линзообразной формы при спекании. Качество порошка с большой площадью поверхности может быть улучшено его прокаливанием перед прессованием таблеток. Эта операция уменьшает поверхность порошка и обычно увеличивает текучесть. Растирание порошка UO2 увеличивает поверхность.

Предпочтительно получать порошки с узким распределением частиц по размерам и со средним размером частиц 4±3 мкм. Излишнее количество частиц с диаметром меньше 1 мкм имеет следствием пониженную плотность спрессованных таблеток и проблемы с усадкой. Для уменьшения размеров UO2-агломератов полезно растирать порошки.

Отдельную проблему представляют количества и природа различных примесей в порошках. Допустимое содержание примесей строго регламентируется. Как правило, чистота исходного раствора нитрата уранила достаточна для получения чистых порошков UO2, и примеси обычно вносятся в ходе технологических процессов изготовления и обработки порошка. Существенным источником примесей является процедура измельчения и растирания UO2-порошка.

Количественная оценка сложности технологических операций превращения уранилнитрата в UO2 не может быть строго объективной, но в работе [9] достаточно обоснованно принято, что их сложность возрастает при необходимости:

обрабатывать пастообразные или влажные материалы и перемещать твердые вещества между технологическими операциями,

обрабатывать все потоки отходов до состояния, пригодного для рецикла, сброса или долговременного хранения,

механически обрабатывать прокаленные оксиды, например, проводить измельчение, смешивание или просеивание порошка,

предотвращать при аппаратурном оформлении ядерную критичность; необходимость предотвращения критичности ограничивает размеры технологического оборудования и делает более практичными непрерывные технологические процессы с использованием оборудования уменьшенных размеров.