Научный руководитель – , д. т.н., профессор
Северская государственная технологическая академия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ УРАНА
Рассмотрена возможность предварительного восстановления высших оксидов урана (U3O8, UO3) водородом и аммиаком перед их фторированием. Исследована кинетика процессов восстановления в неизотермических условиях и рассчитаны кинетические параметры взаимодействия водорода и аммиака с U3O8 и UO3.
Кислородные соединения урана или оксиды урана – диоксид урана UO2, триоксид урана UO3, октаоксид триурана U3O8, представляют весьма важное значение в технологии производства ядерного горючего. Но, пожалуй, еще большее значение оксиды урана имеют как промежуточные продукты при производстве других соединений урана и главным образом фторидов (тетрафторида, гексафторида).
Ранее опытными операциями гидрофторирования оксидов урана безводным фтороводородом в аппарате комбинированного типа с последующим фторированием полученных фтороксидов урана в пламенном реакторе была показана перспективность данного направления для повышения эффективности сублиматного производства.
Технологический процесс восстановления высших оксидов урана (UO3 или U3O8) фтороводородом позволяет увеличить содержание фтора в продуктах гидрофторирования до 15…16 %, и тем самым повысить производительность пламенного реактора, сократить удельный расход элементного фтора на получение единицы готового продукта и улучшить условия конденсации гексафторида за счет повышения его концентрации в газовой фазе после пламенного реактора.
Если на стадии гидрофторирования использовать оксиды урана с повышенным содержанием четырехвалентного урана, то содержание фтора в получаемом порошке можно поднять еще выше. Повышение содержания четырехвалентного урана возможно за счет восстановления шестивалентного урана (в виде UO3 или U3O8) различными восстановителями, такими как водород, аммиак и другими.
В лабораторных условиях, нами исследуется процесс получения оксидов с повышенным содержанием четырехвалентного урана, где в качестве восстановителя используется газообразный водород и аммиак.
Кинетика процессов восстановления оксидов урана исследовалась в неизотермических условиях методом термопрограммированного восстановления (ТПВ) [1] на приборе Chemisorb 2750 (Micromeritics, USA). ТПВ осуществляли нагреванием образцов оксидов урана массой 0,05-0,20 г в токе газа-восстановителя с различной линейной скоростью 5-25 град/мин [2]. Установлено:
- процессы восстановления U3O8 и UO3 водородом начинаются при температурах выше 400 °С. С повышением температуры скорости их восстановления увеличиваются и достигают максимальных значений при скорости нагрева образца 10 град/мин при температурах 656 и 720 °С. Причем восстановление U3O8 протекает в одну стадию, а UO3 - постадийно;
- процессы восстановления U3O8 и UO3 аммиаком протекают при более высоких температурах и постадийно. Вначале происходит разложение аммиака при температурах 500-630 °С, а затем их восстановление при – 630-700 °С. Эти процессы являются весьма сложными и многостадийными;
- с повышением скорости нагрева образцов урана увеличиваются температуры, при которых достигаются максимальные скорости их восстановления как водородом, так и аммиаком. Так, при восстановлении U3O8 водородом при нагревании образцов со скоростями 5, 10 и 15 град/мин, они составляют, соответственно, 604, 656 и 682 °С;
- энергии активации процессов восстановления U3O8 и UO3 водородом и аммиаком, рассчитанные по методикам для неизотермических процессов [3] составляют, соответственно, 81,6 и 69,5 кДж/моль. При этом погрешность определения не превышает 7-10 %;
- в исследованных процессах происходило достаточно полное восстановление U6+ до U4+ и содержание последнего в различных образцах после опытов увеличивалось с 32-33 % до 80-95 % от содержания урана.
Список литературы
1 , , Харатян оксида никеля в неизотермических условиях. – Кинетика и катализ, 2007, Т. 48, №6, стр. 829-833.
2 Amenomija Y., Cvetanovic R. J. Application of flash-desorption method to catalyst studies ethylene-alumina system. - J. Chem. Phys., 1963, v.67, p.144 – 148.
3 Фиалко кинетика в термическом анализе. – Томск: Изд-во Томского университета, 19с.
