ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Кинетика плазменноводородного восстановления гексафторида урана из "Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле - настоящее и будущее" По мере протекания реакций (11.80)-(11.82) в конденсированной фазе происходит интенсивный массообмен, обусловленный соотношениями температур плавления и плотностей получающихся продуктов. Температура плавления урана — 1133°С, плотность — 19,04 г/см температура плавления тетрафторида урана — 1036 °С, плотность составляет 6,436,95 г/см температура плавления трифторида урана — 1427°С, плотность — 8,95 г/см . Первым плавится тетрафторид урана, далее — уран, последним — трифторид урана. Из-за большого различия в плотности урана и фторидов урана происходит осаждение металла и всплывание фторидов в поверхностный слой, подвергаемый воздействию водородной плазмы, причем тетрафторид урана будет всплывать и в расплаве трифторида урана. [c.593] Таким образом, в течение нескольких минут под действием потока плазмы и прямого высокочастотного нагрева происходит полное восстановление урана из гексафторида урана и первоначальной загрузки тетрафторида урана. Убыль последнего непрерывно восполняют фторидами урана из (11 Г Н)-плазмы. При этом фтор связывается в термодинамически стабильный газообразный фторид водорода, который улетучивается из зоны восстановления урана. [c.593] Четвертая стадия, осуществляемая одновременно с тремя предыдущими, представляет собой выведение и сбор второго товарного продукта — безводного фторида водорода. Вывод газообразного фторида водорода производят через фильтрационный модуль, состоящий из многослойных регенерируемых металлокерамических элементов, не пропускающих микронные и субмикронные порошки и аэрозоли и тем самым обеспечивающих безопасность процесса от бесконтрольного проникновения пирофорного продукта за пределы технологической зоны. Далее поток безводного фторида водорода, очищенный от дисперсной фазы, конденсируют, собирают в виде жидкости в транспортные емкости и направляют на реализацию или на подпитку электролизных ванн для получения элементного фтора. [c.594] Плазменный реактор входит внутрь герметичного кожуха 5 через крышку 6 по центру последней вокруг плазменного реактора концентрически расположены металлокерамические многослойные элементы 7 фильтрационного модуля, снабженные соплами 8 для импульсной секционной эжекционной регенерации. Кожух в нижней части выполнен в виде усеченного конуса 5, нижняя часть которого герметично соединена с высокочастотным металлодиэлектрическим реактором. [c.595] Высокочастотный металлодиэлектрический реактор 10, расположенный соосно с плазменным реактором, выполнен из толстостенной медной трубы, имеющей продольные разрезы 11т снабженной внутренним охлаждением. Воду для охлаждения вводят через штуцер 12 в нижней части реактора и выводят через штуцер 13 в верхней его части. Разрезы герметично заполнены пришлифованными вставками из высокотемпературного материала, обладающего диэлектрическими свойствами. Каналы охлаждения проходят в теле реактора между продольными разрезами, а вставки из диэлектрического материала охлаждаются за счет плотного контакта с металлическими стенками этих разрезов. [c.595] Высокочастотный металлодиэлектрический реактор помещен внутрь индуктора 14 высокочастотного генератора 15. Реактор снабжен дном 16 я сливным отверстием 17 для вывода конечного продукта переработки — жидкого элементного урана. Диаметр металлодиэлектрического высокочастотного реактора несколько превышает диаметр плазменного реактора. Конический переход от плазменного реактора к высокочастотному обеспечивает попадание в реактор налета с металлокерамических элементов 7, сбрасываемого с их поверхности при регенерации. [c.595] Слив жидкого урана выполнен в виде 8-образного трубопровода 18, верхняя точка которого находится на уровне не ниже верхнего витка индуктора, чтобы исключить слив фторидов урана до конверсии последних в элементный уран. Под выходным отверстием трубопровода находится водоохлаждаемая изложница 19. [c.595] Газообразный гексафторид урана подают через другой инжектор прямотоком из контейнера, нагретого до температуры, близкой к температуре его плавления при входе в плазменный реактор происходит диссоциация гексафторида урана и образование уран-фтор-водородной плазмы. [c.596] Поток уран-фтор-водородной плазмы входит в соприкосновение с загрузкой тетрафторида урана (иГ4), помещенной предварительно в водоохлаждаемый металлодиэлектрический высокочастотный реактор 10, находящийся в индукторе 14 высокочастотного генератора 15, который включается одновременно с включением генератора 1. Поток плазмы вызывает плавление верхнего слоя загрузки тетрафторида урана, в результате чего электрическая проводимость этой загрузки увеличивается и в ней через разрезы 11 наводятся индукционные токи, разогревающие в течение нескольких минут весь объем загрузки в результате загрузка тетрафторида урана расплавляется. [c.596] На поверхности расплава происходят конденсация урана и низших фторидов урана из уран-фтор-водородной плазмы, а также дис-пропорционирование последних и дальнейшее восстановление урана. Поверхностный слой обогащается ураном, который, будучи намного тяжелее фторидов урана, оседает вниз, а фториды всплывают наверх. Температура внутри загрузки превышает температуру плавления трифторида урана (1427 °С) и составляет 16001800 °С. [c.596] Через 5 -Ь 15 минут после начала процесса вся загрузка в высокочастотном металлодиэлектрическом реакторе состоит из расплавленного урана уровень расплава повышается из-за поступления урана из уран-фтор-водородной плазмы, при этом необходимо сливать уран через сливное отверстие 17 в дне 16 или начать вытяжку слитка. [c.596] Одним из вариантов слива жидкого урана, показанным на рис. 11.23 и автоматически обеспечивающим получение чистого урана без примеси фтора, является слив через 8-образный трубопровод 18, верхняя точка которого расположена на уровне верхнего витка индуктора 14- Жидкий уран выводят в охлаждаемую изложницу 19. [c.596] Другой вариант выгрузки урана из высокочастотного металлодиэлектрического реактора — синхронная вытяжка слитка урана. [c.596] Далее поток безводного фторида водорода, очищенный от дисперсной фазы, конденсируют, собирают в виде жидкости в транспортные емкости и направляют на реализацию или на подпитку электролизных ванн для получения элементного фтора. [c.597] Все стадии вышеизложенного процесса прошли или лабораторное исследование, или проверку на опытно-промышленных стендах на предприятиях Минатома. Ниже приведены результаты исследования вышеперечисленных стадий процесса. [c.597] Кроме термодинамических обоснований применения водородной плазмы для указанного процесса, в [22] приведены и кинетические. Дело в том, что экспериментально найденная энергия активации восстановления UFe водородом по уравнению (11.83), равная 34,1 кДж/моль, не является истинной энергией активации. Энергия активации лимитирующей стадии процесса до 1500 К — реакции (11.88) — оценена в [22] в несколько раз большей — равной 207,9 кДж/моль. При переходе к диссоциационному механизму восстановления урана из UFe энергия активации лимитирующей стадии (11.93) составляет 338 кДж/моль. Однако при высоких температурах, характерных для плазменного состояния веществ, когда величина кТ в уравнении Аррениуса может сравняться с энергией активации, кинетические ограничения преодолеваются относительно легко. Поэтому перед проведением экспериментов по плазменно-водородному восстановлению урана из отвального гексафторида урана мы провели компьютерное моделирование процесса (11.83) для следующего практического сценария гексафторид урана смешивали с потоком водородной нлазмы, так что водород играл роль и теплоносителя, и восстановителя. [c.599] по причинам, связанным с механизмом восстановления гексафторида урана водородом [22], плазменно-водородное восстановление урана из UFe до его низших фторидов не имеет ни термодинамических, ни кинетических ограничений. В прикладном отношении практический смысл имеют два варианта водородного восстановления урана 1) восстановление до элементного состояния по схеме U + -Ь 6е — и 2) паллиативный вариант, когда восстановление проводится по схеме U -Ь 2е — U 4 в результате получается стабильный промежуточный продукт — UF4, из которого элементный уран восстанавливают способом металлотермической плавки. [c.600] Первичные эксперименты по плазменно-водородному восстановлению урана показали [25-26], что независимо от соотношения Н2/ UFe в плазме и мош ности разряда основным продуктом взаимодействия является тетрафторид урана. Согласно проведенным оценкам при температурах 3500 -j- 4000 К водород теряет восстановительную способность, в связи с чем реакции водородного восстановления до трех-, двух-, одновалентного и, тем более, элементного урана не идут до конца. Тем не менее возможное понижение валентности урана до трех, двух и т. д. связано с диссоциативным механизмом восстановления урана из UF4. [c.600] Наблюдаемое на опыте выделение продуктов восстановления урана из UFe в виде UF4 обусловлено главным образом интенсивной рекомбинацией продуктов фторидов урана, однако рекомбинация протекает только до ре-синтеза UF4, поскольку высшие фториды урана (UFs, UFe) термодинамически нестабильны в среде водорода. Для выделения продуктов восстановления урана в (U-F-H)-плазме с валентностью менее четырех требуется или глубокое охлаждение (U-F-Н)-илазмы на выходе из реактора со скоростями 10 -=-10 ° К/с, так же как и при электрогазовом разложении UFe, или перевод фрагментов разложения UFe в конденсированную фазу, как это предложено в [20. [c.600] Здесь М — любая нейтральная к данному взаимодействию частица. Поскольку реакции взаимодействия UFe с водородом протекают при высоких температурах, в расчете не учитываются процессы конденсации и гетерофазного взаимодействия, а также реакции диспропорционирования в конденсированной фазе. Речь, следовательно, идет о том, чтобы закончив реакцию восстановления в газовой фазе, сконденсировать конечный продукт, причем конденсация может быть самопроизвольной или принудительной. В данном случае не рассматривается интенсивная принудительная конденсация при глубоком охлаждении (и-Е-Н)-илазмы (закалке), речь идет только о естественной конденсации, возникающей из-за постепенного понижения температуры по аксиальной координате трубчатого реактора с охлаждаемой стенкой, использованного впоследствии в эксперименте. [c.601] Вернуться к основной статье