СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАФТОРИДА УРАНА

Изобретение относится к неорганической химии урана и, в частности, к технологии получения тетрафторида урана.

Тетрафторид урана является важным промежуточным продуктом в производстве ядерного топлива; он используется для получения металлического урана и гексафторида урана. Тетрафторид урана может быть получен различными методами:

- осаждением из растворов солей четырехвалентного урана;

- взаимодействием соединений урана с фторирующими реагентами при повышенных температурах;

- восстановлением некоторых соединений урана, например, гексафторида урана.

Наибольшее промышленное распространение в мировой практике имеет «сухой» способ гидрофторирования диоксида урана газообразным фторидом водорода при температурах 300-500°C.

Основными недостатками этого способа являются:

- необходимость использования высоких температур, что предопределяет применение в сильно-коррозионной среде (смесь фторида водорода и паров воды) специальных конструкционных материалов аппаратов;

- неполнота фторирования исходного материала;

- необходимость измельчения диоксида урана для получения определенного гранулометрического состава.

Известен способ получения тетрафторида урана (патент RU 2396212 C01G 43/06, 24.07.2008) для изготовления металлического урана, при котором его осаждение из комплексного раствора проводят путем дозированной подачи плавиковой кислоты в течение 12-30 мин без принудительного обогрева. В этих условия осаждается кристаллогидрат состава UF₄·2,5H₂O, физико-химические свойства которого и поведение при нагревании затрудняют дальнейшее его использование для получения гексафторида урана (процессы сушки-прокалки тетрафторида урана необходимо проводить в среде водорода).

Способ получения UF₄ (Б.В. Громов Введение в химическую технологию урана. - М.: Атомиздат, 1978, с. 250), принятый за прототип, состоит в том, что из хлоридно-фторидных растворов четырехвалентного урана плавиковой кислотой осаждают уран в форме различных, в зависимости от условий, кристаллогидратов. Процесс получения тетрафторида урана заключается в следующем. На первой стадии проводят растворение исходной UO₂ в смеси соляной и плавиковой кислот при мольном отношении веществ, равном 1:5:1,2, соответственно, для получения хорошо растворимого хлоридно-фторидного комплекса четырехвалентного урана по реакции:

После этого к полученному раствору добавляют плавиковою кислоту и, в зависимости от условий, получают:

При температуре 25-30°C

При температуре 75°C

В настоящее время в действующем производстве процесс осаждения осуществляется по реакции (3).

На процессы образования и роста кристаллов влияют многие факторы. После добавления плавиковой кислоты образуются перенасыщенные растворы, в которых формируются первичные зародыши со скрытокристаллической структурой. При этом наблюдается последовательное замещение атомов хлора атомами фтора в комплексных анионах:

Зародыши кристаллов UF₄ образуются, таким образом, только на четвертой стадии (реакция 7).

Крупность получаемого осадка определяется соотношением скоростей образования и роста кристаллов. В случае, когда скорость образования центров кристаллизации выше скорости их роста, образуется много мелких кристаллов и плохо фильтруемый осадок. Известно, что соотношение скоростей образования и роста кристаллов зависит от перенасыщения - разности между концентраций урана в хлоридно-фторидном растворе и в насыщенном растворе фтористоводородной кислоте. Чем больше перенасыщение, тем меньше скорость роста кристаллов по отношению к скорости образования центров кристаллизации.

Крупнокристаллический, хорошо фильтрующийся осадок тетрафторида урана образуется при медленном добавлении фтористоводородной кислоты к осаждаемому раствору с одновременным интенсивным перемешиванием смеси. Это исключает возможности образования локальных перенасыщений, которые приводят к возникновению большого количества центров кристаллизации и получению мелкого, труднофильтруемого осадка. Однако сам процесс, при этом, получается очень длительным и его практическое осуществление весьма затруднительно.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении хорошо фильтрующегося осадка тетрафторида урана с фракционным составом, соответствующим содержанию фракции от 40 до 200 мкм, более 70 масс.

Технический результат достигается тем, что получение крупнокристаллического, хорошо фильтрующегося осадка тетрафторида урана проводят путем добавления фтористоводородной кислоты, содержащей четырехвалентную соль урана, как правило, тетрафторид урана, в количестве, не превышающем ее растворимость, в раствор хлоридно-фторидного комплекса четырехвалентного урана.

Присутствие в кислоте не закомплексованного иона U⁺⁴ с концентрацией, приближающейся насыщенному по нему раствору, снижает вероятность локальных перенасыщений, по сравнению со способом прототипом (определяется разностью концентраций урана в хлоридно-фторидном растворе и фтористоводородной кислоте). Кроме того, на первом этапе осаждения, при введении в хлоридно-фторидный раствор фтористоводородной кислоты, содержащей U⁺⁴, будет происходить рост уже имеющихся во фтористоводородной кислоте центров кристаллизации, а не образование новых за счет последовательного процесса разрушения растворимых хлоридно-фторидных комплексов (реакции 4-7), как в способе прототипе. Возникновение центров кристаллизации из хлоридно-фторидных комплексов будет иметь место на более поздних стадиях осаждения, при более низких значениях перенасыщения.

Кроме того, известно, что хорошая фильтруемость осадка определяется его гранулометрическим составом. Экспериментально установлено, что, в рассматриваемых условиях тетрафторид урана хорошо фильтруется, если содержание в нем частиц с фракционным составом от 40 до 200 мкм составляет более 70% масс.

В качестве урансодержащей плавиковой кислоты в заявляемом нами способе получения тетрафторида урана можно использовать фторсодержащие продукты, получаемые в результате конверсии обедненного гексафторида урана пиррогидролизом или в водяной плазме. В качестве примеси в этих продуктах присутствует растворимый четырехвалентных уран в количестве до 5 ррт (0,0005%).

Растворимость тетрафторида урана в водных растворах плавиковой кислоты находится в пределах 0,008-0,045% (0,006-0,034% по урану) (Ю.В. Гагаринский, Л.А. Хрипин Тетрафторид урана. - М, Атомиздат, 1966 с. 131) при изменении концентрации HF от 0 до 80%. При увеличении концентрации растворимого четырехвалентного урана до значений, равных его растворимости, образуются растворы, в которых при изменении внешних условий (температура, состав) могут возникнуть условия благоприятные для кристаллизации тетрафторида урана. При этом в этих растворах, ввиду большого пересыщения по фтор иону, образуется мелкодисперсный осадок UF₄, что приводит к снижению выхода твердой фракции в осажденном продукте.

Пример 1 (по способу-прототипу)

Диоксид урана растворили в смеси соляной и плавиковой кислот до получения раствора, содержащего комплекс H[UCl₄F]. Добавили плавиковую кислоту при интенсивном перемешивании. Температуру процесса поддерживали в интервале 70-80°C. Контроль полноты осаждения осуществляли путем анализа маточника на содержание урана в течение процесса. Полученный продукт отфильтровали в течение 30 мин. и определили его гранулометрический состав, который был представлен основной фракцией с размерами частиц от 40 до 200 мкм в количестве 63% масс. Насыпная плотность сухого продукта оказалась равной 2,7 г/см³.

Пример 2

Диоксид урана растворили в смеси соляной и плавиковой кислот до получения раствора, содержащего комплекс H[UCl₄F]. Добавили плавиковую кислоту, содержащую 0,0004% (4 ppm) урана при интенсивном перемешивании. Температуру процесса поддерживали в интервале 70 - 80°C. Контроль полноты осаждения осуществляли путем анализа маточника на содержание урана в течение процесса. Полученный продукт отфильтровали в течение 14 мин. и определили его гранулометрический состав, который был представлен основной фракцией с размерами частиц от 40 до 200 мкм в количестве 74% масс. Насыпная плотность сухого продукта оказалась равной 2,9 г/см³.

Пример 3

Диоксид урана растворили в смеси соляной и плавиковой кислот до получения раствора, содержащего комплекс H[UCl₄F]. Добавили плавиковую кислоту, содержащую 0,036% урана при интенсивном перемешивании. Температуру процесса поддерживали в интервале 70-80°C. Контроль полноты осаждения осуществляли путем анализа маточника на содержание урана в течение процесса. Полученный продукт отфильтровали в течение 23 мин. и определили его гранулометрический состав, который был представлен основной фракцией с размерами частиц от 40 до 200 мкм в количестве 69% масс. Насыпная плотность сухого продукта оказалась равной 2,8 г/см³.

Проведение процесса осаждения про предлагаемому способу позволяет, в отличии от прототипа, исключить возможность образования локальных перенасыщений и получить крупнокристаллический, хорошо фильтрующийся осадок тетрафторида урана.