核物理科普系列十五

一、铀转化的主要过程及其工艺特点

铀化合物转化(简称“铀转化”)过程的原料与产物多种多样,工艺过程也非常繁多。它既是生产工艺的一部分,又包容于核燃料循环的各个环节之中,本文所述的“铀转化”仅涵盖由天然铀精炼制得的铀氧化物制备成四氟化铀,再转化成六氟化铀及其还原的主要工艺过程。

铀化合物的转化(简称铀转化)过程大多属于气-固相反应,其工艺特点:固体的反应性(活性)极为重要;固体颗粒的形貌及结构都与原料有关;超过95%的转化率;多数转化反应伴有较大的热效应;铀转化过程必须用镍或镍基合金等耐腐蚀材料制作反应器,并且设备要有良好的密闭性以防有毒气体外逸。

二、四氟化铀的生产

1.UF4是制备UF6和金属铀的原料,其生产有湿法和干法两种。

2.UO2氢氟化工艺过程及其主体设备。

UO2干法生产UF4工艺过程:由UO2原料与无水HF的供给、UF4反应器系统、尾气中HF回收及处理和产品处理及包装几部分组成。

UF4产品的用途:一是用于制备金属铀(称为“金属品位”);二是用于生产UF6(称为“级联品位”)。

干法工艺的主体设备:转化过程的核心是UO2的氢氟化,所使用的设备主要有卧式搅拌床、流化床和移动床三类,这些设备性能差异的主要指标是UF4产品的质量、产率和HF的利用率。

现在使用较多的是流化床反应器,其是靠通入的气体将输入的固态粉末状物料悬浮起来,在流化状态下发生反应。它个具有气—固相接触好和能强化反应过程的特点,因而反应速率快,传热传质效率高,温度较为均匀,设备生产强度大而且简单。现采用两级串联系统,第一级选用具有良好气固相接触性能的圆柱形流化床,以增大传热效率,避免物料烧结;第二级选用能减小固相返混 的下锥形流化床,以有利于两相逆流接触的温度梯度的建立。

三、六氟化铀的生产

由于UF6是唯一的一种既稳定又具有高度挥发性的铀化合物,一直被用于铀同位素富集工厂的供料。

1.生产方法:用核纯级的UF4在高温下与F2发生作用而进行氟化。

2.生产过程与设备

主要要求:在氟化工艺中为了最大限度地提高UF6的转化率和氟气的利用率,要使用过量的氟气,以确保铀的直接回收率大于98%,而过量的氟气必须再循环,使其总利用率不低于99%。

生产过程:主要由氟化、UF6冷凝收集、氟气回收和尾气处理四部分组成。

a.氟化主要设备:反应器有火焰反应器、流化床反应器、立式氟化炉和卧式搅拌炉四种,其中以立式氟化炉最为优越。

b.UF6冷凝收集:有凝华和液化两种过程,凝华的主要设备有内冷式和外冷式冷凝器;UF6以液态形式装瓶,钢瓶中的UF6在常温下为固态。

c.氟气回收:由氟化反应器排出的不凝性气体中还含有20%~40%的氟气。设备有塔式设备和流化床两类。

d.尾气处理:通常尚存留UF6、F2和少量HF等有害气体;采用固体化学阱法或UF4吸收法可回收其中的铀;尾气排放最终用碱液洗涤并用石灰水沉淀氟,以防止铀和氟对环境的污染。

3.再循环铀生产UF6:再循环铀又称为后处理铀,其放射性活度比天然的大得多,由于含有裂变产物和232U衰变子体,需要周全地考虑厂房与设备的屏蔽和气密性问题;对于再循环铀得到的富集铀燃料还应注意核临界安全问题。

俄罗斯研究六氟化铀(DUF6)转化为氟化氢

四、六氟化铀的还原

六氟化铀最终一般要加工成UO2或金属铀, UO2用于反应堆的燃料芯体制造,金属铀的制造要先将其转化成UF4(氢气还原法),再用Ca或Mg还原成金属。

还原除了氢气还原法,还有四氯化碳还原法和氨还原法等方法。