[发明专利]由六氟化铀制备二氧化铀粉末的方法

说明书

本发明涉及一种通过六氟化铀制备用作反应堆核燃料的二氧化铀粉末的方法，特别是对重铀酸铵（ADU）方法的一种改进。

把六氟化铀UF₆转变成用作反应堆核燃料的二氧化铀UO₂粉末的方法，根据一般分类有两种类型，也就是湿法和干法。湿法有代表性的实例包括所谓重铀酸铵法（ADU）。在此法中，UF₆气体与水起反应形成氟化双氧铀水溶液（UO₂F₂），该水溶液然后再与氨起反应，沉淀出重铀酸铵（ADU），再将该沉淀物通过过滤、烘干、焙烧、还原等步骤，得到UO₂粉末。

按照下列反应式（Ⅰ）和（Ⅱ）制备重铀酸铵，

在上述方法中，通过水解UF₆生成的UO₂F₂的水溶液中，每一克分子铀有四个克分子的氟化氢，如化学式（Ⅰ）所示。上述方法有两方面的缺点。首先，用上述方法难于得出具有高活性的UO₂粉末。另一方面，氟不能有效地被利用，而大量地被浪费。

关于第一点，在反应式（Ⅱ）所示的ADU形成反应中，首先通过用HF中和反应，形成氟化铵（NH₄F），使得ADU初始颗粒相对地变大。由较大初始颗粒构成的ADU再通过焙烧、还原等步骤，使得到的UO₂粉末也就由较大的初始颗粒所构成，如同在ADU情况中一样。这意味着粉末的活性比较低。在烧结成球丸时，也就是由此种具有较低的活性UO₂粉末制成核燃料元件时，在通常条件下烧结成的球丸密度约是总密度的95%（TD），而且该球丸是由颗粒直径为10微米量级的晶体所构成。在希望得到具有烧结密度和晶体颗粒直径大于以上所述的球丸时，提高烧结温度或延长烧结的时间周期在某种程度上或许能获得成功，尽管实际上难以得到具有晶体颗粒直径40到50微米的球丸。

关于第二点，氟F首先变成氟化铵NH₄F。在滤掉ADU沉淀物后，氟包含在滤液中。通过过滤从中去除了ADU并包含有NH₄F的废液，用一种沉淀剂（如氢氧化物或消石灰Ca（OH）₂以及类似的化合物）进行处理。通过这种处理，氟成份以氟化钙CaF₂的形式被沉淀，而氨NH₃被还原并再重复利用。另一方面，形成了大量的氟化钙，处理每一吨铀要形成一吨左右的氟化钙，而这大量的氟化钙CaF₂作为固体废物保留了下来，不再重复利用。在通常的ADU方法中，由于氟的有害影响，难以得到具有高活性的UO₂粉末。此外，缺点在于形成了大量的氟化物，而且作为废物清除掉。

除了上述的ADU方法之外，湿法实例还包括双氧铀碳酸铵（AUC）法、改进的ADU方法等。在AUC方法中，UF₆气体与二氧化碳和水起反应，沉淀出双氧铀碳酸铵（AUC），然后再经过过滤、烘干、焙烧、还原等步骤，实质上采用与ADU方法相同的处理方式，得到UO₂粉末。另一方面，改进的ADU方法包括将UF₆气体在一种脱氟剂的硝酸溶液中进行水解，而得到含水的UO₂（NO₃）₂。通过溶剂萃取，纯化此溶液，再用氨与纯化的该溶液起反应而形成ADU。然后，使用ADU方法中相同的方法，处理所得的ADU，这样就把ADU转化成UO₂。尽管此种方法能够制备UO₂粉末，它比按照普通的ADU方法所得的UO₂粉末具有更高的活性，然而，此种方法不仅难于得到晶体颗粒大于约20微米的UO₂粉末，而且本方法实质上具有如同普通ADU方法一样的缺点：同样产生氟废物。尤其是在AUC方法中，氟以氟化钙CaF₂的形式保留在最后产物中，而在改进的ADU方法中，氟化物包含在脱氟剂中，例如把硝酸铝用作脱氟剂时，在最后产物中存有氟化铝。