Octrooiraad
noiAÏerinzagelegging mi 7410751 Nederland
[19]
NL
[54]
Werkwijze ter bereiding van aan uraniumoxiderijke materialen uit uraniumhexafluoride
[51]
Int Cl2
[71]
Aanvrager: General Electric Company te Schenectady, New York, Ver St.v Am
[74]
Gem Ir G H Boelsmacs Octrooibureau Polak & Charlouis Laan Copes van Cattenburch 80 's Gravenhage
[21]
Aanvrage Nr 7410751
[22]
Ingediend 9 augustus 1974
[32]
Voorrang vanaf 10 augustus 1973
[33]
Land van voorrang Ver St v Am. (US)
[31]
Nummer van de voorrangsaanvrage(n) Nr 387529
[23]
--
[61]
--
[62]
--
[43]
Ter inzage gelegd 12 februari 1975
C01G43/02
De aan dit blad gehechte stukken zijn een afdruk van de oorspronkelijk ingediende beschrijving met conclusie(s) en eventuele tekening(en)
Ï
PSC S 2348-467
General Electric Company te Schenectady, New York, Verenigde Staten van Amerika Werkwijze ter bereiding van aan' uraniumoxiderijke materialen uit uraniumhexafluoride. Oxiden van uranium bezitten verschillende toepassingen op het gebied van de kernenergie. Uraniumdioxide werd toegepast als brandstof voor kernreactors. Voor toepassing bij kernenergie dient het uraniumdioxide een laag-
5
gehalte aan verontreinigingen te hebben, een bepaalde mate van verrijking 235 met isotoop U en een bepaald dichtheidstraject. De verrijking van uranium heeft gewoonlijk plaats onder toepassing van de verbinding uraniumhexafluoride, zodat er een werkwijze nodig is om uraniumhexafluoride om te zetten in uraniumdioxide in een vorm, die gemakkelijk tot voorwerpen met een laag fluoridegehalte verwerkt kan worden.
10
Volgens een bekende werkwijze voor het omzetten van uraniumhexafluoride tot uraniumoxide past men hydrolyse toe van uraniumhexafluoride, waarbij een oplossing van uranylfluoride en fluorwaterstof verkregen wordt, waaruit de toevoeging van ammoniak ammoniumdiuranaat wordt neergeslagen. Nadat het ammoniumdiuranaat, dat een hoog gehalte aan fluoride-ionen bevat, gewonnen
15
is wordt het opgelost in salpeterzuur en de verwijdering van fluoride-verontreiniging uit de verkregen oplossing van uranylnitraat werd uitgevoerd door middel van extractie met een oplosmiddel. Uit de verkregen gezuiverde uranylnitraatoplossing wordt weer ammoniumdiuranaat neergeslagen en ver-
20
volgens wordt dit gecalcineerd onder vorming van U30o , dat op zijn beurt met waterstof gereduceerd wordt tot uraniumdioxide. Men heeft getracht deze ingewikkelde en dure omzetting van ammoniumdiuranaat te vervangen door een in de gasfase plaatshebbende reactie van uraniumhexafluoride en een zuurstofhoudende atmosfeer. Een dergelijke werkwijze is voorgesteld in het Amerikaanse octrooischrift 3.235.327 en volgens deze
25
werkwijze laat men uraniumhexafluoride met stoom reageren bij een temperatuur van tenminste 130°C en bij aanwezigheid van een gas, dat inert is ten opzichte van deze omzetting. Bij deze reactie 2 wordt uranylfluoride in poedervorm met een specifiek oppervlak van 3-12 m /g gevormd. Het uranylfluoridepoeder wordt vervolgens in urabiumdioxide omgezet onder toepassing van waterstof en stoom
30
bij een temperatuur van 550°-600°C. Deze werkwijze heeft het bezwaar, dat een reactor met 2 kamers nodig is. Volgens een andere werkwijze, die beschreven is in het Amerikaanse octrooi-
7 4 1 0 7 5 1 O
- 2-
schrift 3.179.4-91, verkrijgt men uraniumdioxide door gasvormig uraniumhexafluoride innig en op homogene wijze te mengen met stoom en tenminste een reducerend gas, gekozen uit waterstof, ammoniak en koolmonoxide. Bij deze werkwijze ontwikkelt zich een snelle spiraalvormige beweging van de reageren5
de gassen, wat bereikt wordt door de reagerende gassen de convergerende gasinleidbuizen in te voeren, die uitkomen in een vertikaal opgestelde reactor. Deze werkwijze bezit inherente beperkingen van de produktiesnelheid van uraniumdioxide. In de Japanse octrooipublicatie 10.095 van 1966 wordt een andere werk-
10
wijze beschreven, waarbij drie afzonderlijke concentrische buizen gebruikt om de volgende materialen in een reactiekamer te brengen: (1) een gasvormig mengsel van uraniumhexafluoride, waterstof en zuurstof door een buis, (2) waterstof door een tweede buis en (3) zuurstof door de derde buis. De kamer wordt met waterstof gevuld en de binnentredende gassen reageren in een
15
vlam , die door een ontstekingsinrichting gevormd wordt. Aangezien waterstof en zuurstof in dezelfde buis met het uraniumhexafluoride gemengd worden, wordt het uraniumhexafluoride in uraniumoxide omgezet, wanneer het voor het eerst in kontakt komt met de vlam. De in de tekening van deze publicatie weergegeven vlam treedt op aan het einde van de concentrische buizen, waarmee
20
de gassen in de kamer worden gevoerd. Door proeven is aangetoond, dat dit een ophoping van afzettingen aan de einden van de concentrische buizen kan veroorzaken, wat tot verstopping leidt, waardoor het proces onderbroken wordt. De werkwijze is derhalve discontinu, aangezien een periodieke verwijdering van deze afzettingen vereist is alvorens de reactie verder kan voortgaan.
25
Een andere poging om de bovengenoemde ingewikkelde en dure werkwijze met omzetting van ammoniumdiuranaat te vervangen door een succesvolle reactie van uraniumhexafluoride in de gas-fase is beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 7113554-. Deze werkwijze kan worden samengevat als een werkwijze ter bereiding van een aan uraniumdioxiderijk materiaal uit uraniumhexafluoride
30
in een reactor, die een reactiezone begrenst, en bij
aanwezigheid van
een actieve vlam, waarbij men: (a) een eerste gasvormig mengsel van reactiecomponenten, bevattende uraniumhexafluoride en een zuurstofhoudend dragergas in de reactiezone leidt, (b) afzonderlijk als tweede gasvormige reactiecomponent een reducerend 35
gas in de reactiezone leidt en (c) afzonderlijk een schutgas in de reactiezone leidt tussen de eerste gas-
74 1 0 7 5 1
- 3-
vormige reactiecomponent en de tweede gasvormige reactiecomponent, welk schutgas tijdelijk een aanmerkelijke menging en reactie van de eerste en tweede gasvormige reactiecomponent voorkomt totdat voldoende onderlinge diffusie van de ractiecomponenten plaatsheeft, naarmate de reactiecomponenten 5
$e°reactiezone stromen. Een verbetering van de bovengenoemde werkwijze is beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 7201630. Deze werkwij ze kan worden samengevat als een werkwijze ter bereiding van eenaauraniumoxiderijk-materiaal uit uraniumhexafluoride in een reactiezone bij aanwezigheid van een actieve
10
vlam, waarbij men: (a) een mengsel van uraniumhexafluoride en een zuurstfhoudende dragergas als eerste gasvormige reactiecomponent in de reactiezone leidt, (b) afzonderlijk als tweede reactiecomponent een reducerend gas in de reactiezone leidt,
15
(c) afzonderlijk tussen de eerste en tweede gasvormige reactiecomponent een schutgas in de reactiezone leidt, dat tijdelijk een aanmerkelijke menging en reactie tussen de eerste en tweede gasvormige reactiecomponent voorkomt tot voldoende onderlinge diffusie van de reactiecomponenten plaatsheeft, naarmate de reactiecomponenten door de reactiezone stromen en
20
(d) een derde gasvormige reactiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, invoert
en in kontakt brengt met het deeltjesvormige, aan uraniumdioxide-
rijke materiaal en de gasvormige reactieprodukten onder omzetting van het resterende reducerende gas in de reactiezone tot een geoxideerde vorm en onder oxidatie van het aan uraniumdioxiderijke materiaal tot een hoger oxide 25
van uranium. Bij een microscopisch onderzoek blijken het aan uraniumdioxiderijke materiaal, verkregen volgens de werkwijze van de Nederlandse octrooiaanvrage 7113554 en het aan uraniumoxiderijke materiaal, verkregen door de werkwijze van de Nederlandse octrooiaanvrage 7204630 de vorm te hebben van een poeder,
30
samengesteld uit deeltjes van afzonderlijke kristalvormen, die een in het algemeen uniform regelmatig oppervlak bezitten. Wanneer een dergelijk poeder samengeperst wordt tot een groen persstuk, vertoont dit poeder de beperking, dat het verkregen geperste voorwerp een betrekkelijk geringe groene sterkte bezit. Derhalve was het gewenst een werkwijze voor het omzetten van uranium-
35
hexafluoride tot uraniumoxide uit te voeren, waarbij een poeder verkregen wordt met dendritische of semideridri-tische deeltjes. Een uit dergelijke
74107 5 1
4
deeltjes gevormd poeder zou uitstekende eigenschappen vertonen en bij verdichting een voortbrengsel geven met aanzienlijk hogere groene sterkte. Men heeft gesteld, dat de werkwijze voor het in een vlam omzetten van uraniumhexafluoride in een uraniumoxide zodanig dient te worden uitgevoerd, dat (1) de vorming van uraniumtetrafluoride als een tussenprodukt in een vroeg stadium van het proces mogelijk is, (2) een meer diffusé en stabiele vlam bij het proces gevormd wordt en (3) een goede regeling van de temperatuur van het in de vlam uitgevoerde proces verkregen wordt. Verrassenderwijs werd nu gevonden, dat de omzetting van gasvormig ura10
niumhexafluoride in een aan uraniumdioxiderijk materiaal uitgevoerd kan worden bij aanwezigheid van een actieve vlam in een reactiezone door afzonderlijk een eerste gasvormige reactiecomponent, die een mengsel van uraniumhexafluoride en een reducerend dragergas bevat, en een tweede gasvormige reactiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, in te voeren, waarbij de reactiecomponenten
15
gescheiden worden door een schutgas, wanneer zij in de reactiezone worden gevoerd. De omzetting van het uraniumhexafluoride in een aan uraniumdioxiderijk materiaal geeft een vlam in de reactiezone, die brandt op een plaats, die zich op een afstand van of hoger dan de inlaat bevindt, die gebruikt wordt
20
om het gasvormige mengsel in de reactiezone te voeren. Hierdoor treedt er geen ophoping op van vaste stoffen of condensatie van waterdamp bij het uiteinde van de voor het invoeren van het mengsel in de reactiezone gebruikte inlaat en is er geen onderbreking van het proces. De omzetting van uraniumhexafluoride in een aan uraniumdioxiderijk
25
materiaal kan een daaropvolgende stap omvatten, waarbij een derde gasvormige reactiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, in kontakt wordt gebracht met het deeltjesvormige, aan uraniumdioxiderijke materiaal en de gasvormige reactieprodukten, waardoor eventueel resterend reducerend gas in de reactiezone tot een geoxideerde vorm wordt omgezet en het aan uranium-
30
dioxiderijke materiaal geoxideerd wordt tot een hoger oxide van uranium of een aan uraniumoxiderijk materiaal. Het aan uraniumdioxiderijke materiaal en het aan uraniumoxiderijke materiaal van de uitvinding vertonen verrassende eigenschappen, aangezien beide materialen dendritische of semidendritische deeltjes bevatten. Deze componenten vertonen uitmuntende eigenschappen en geven bij verdichting een voortbrengsel, dat een hogere groene sterkte bezit.
- o-
Volgens de uitvinding wordt een continue reactie in de gasfase verschaft voor het omzetten van uraniumhexafluoridetot een aan uraniumdioxiderijk materiaal of tot een aan uraniumoxiderijk materiaal, waarbij ieder materiaal de vorm heeft van een poeder, dat dentrische of semidentrische deeltjes bevat. 5
Voorts verschaft de uitvinding een continue reactie in de gasfase voor het omzetten van uraniumhexafluoride in een aan uraniumdioxide of aan uraniumoxiderijk materiaal, bij welke reactie geen reactieprodukten opgehoopt worden aan het uiteinde of openeinde van de inlaat, die toegepast wordt voor het invoeren van de reactiecomponenten in de reactiezone.
10
Verder maakt de uitvinding het mogelijk een zuurstofhoudend gas, een reducerend gas en uraniumhexafluoride in een reactiezone in te voeren voor een omzetting 'in een vlam op een wijze, die een snelle menging van de reactiecomponenten en een korte .. reactievlam verzekert. Ook maakt de uitvinding het mogelijk een mengsel van uraniumhexafluoride
15
aan een dragergas te omringen met een schutgas, als het in de reactiezone gevoerd wordt voor een vlamreactie. Bovendien verschaft de uitvinding een werkwijze voor het omzetten van uraniumhexafluoride in een aanuraniumdioxiderijk materiaal, waarbij de reactievlam op enige afstand of hoogte brandt van de inlaat, die toegepast wordt
20
voor het invoeren van het uraniumhexafluoride in de reactiezone. Tevens verschaft de uitvinding een werkwijze, waarbij de bij de omzetting van uraniumhexafluoride in een aan uraniumdioxiderijk materiaal vrijkomende warmte benut wordt voor een daaropvolgende omzetting van het aan uraniumdioxiderijke materiaal tot hogere oxiden van uranium en de omzetting van eventueel
25
resterend reducerend gas tot zijn geoxideerde vorm door invoering van een derde gasvormige reactiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, in de reactiezone op het tijdstip en de plaats in de reactiezone, waarbij de omzetting van uraniumhexafluoride in het aan uraniumdioxiderijke materiaal praktisch voltooid is.
30
Bovendien maakt de uitvinding het mogelijk het uraniumoxideprodukt te verwerken tot voorwerpen van een gewenste configuratie om in splijtstofstaven aan te brengen. &
aan Verder kan men volgens de uitvinding de bij de omzetting van een ura-
niumhexafluoride tot een aan uraniumdioxide of een aan uraniumoxiderijk 35
materiaal verkregen gasstroom condenseren tot waterig fluorwaterstofzuur als
7410751
6
neveiiprodukt van commerciële kwaliteit. Daarenboven maakt de uitvinding het mogelijk te voorkomen, dat zich overmatige afzettingen aan de wanden vormen, die de warmte-overdracht na en van de reactiezone zouden hinderen. Een en ander wordt hieronder nader toegelicht aan de hand van de onderstaande beschrijving en de bijgevoegde tekeningen. Het bovenstaande wordt bereikt bij een nieuwe werkwijze voor het thermisch omzetten van gasvormig uraniumhexafluoride in een aan uraniumoxiderijk materiaal bij aanwezigheid van een autogene vlam in een reactiezone, waarin 10
afzonderlijk een mengsel van uraniumhexafluoride en een reducerend dragergas als eerste gasvormig reactiecompónent, een zuurstofhoudend gas als tweede gasvormig reactiecomponent en een schutgas, dat tijdelijk de eerste en tweede gasvormig.- reactiecomponent van elkaar scheidt en tijdelijk een aanmerkelijke menging en reactie van de gasvormige reactiecomponenten voorkomt,
15
gevoerd worden. Het schutgas voorkomt tijdelijk, dat het zuurstofhoudende gas in het mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas diffundeert en voorkomt ook tijdelijk diffusie van het mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas in het zuurstofhoudende gas totdat het mengsel zich van de inlaat, waardoor het mengsel van uraniumhexafluoride en
20
dragergas in de reactiezone
wordt gevoerd, afbewogen heeft. Na een korte tijd treedt voldoende onderlinge diffusie van de gassen op en heeft een vlamreactie plaats. Volgens eenvoorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt de eerste gasvormige reactiecomponent op een temperatuur beneden ca 550°C en bij voorkeur beneden ca 500°C gehouden totdat de gasvormige reactiecomponent de inlaat verlaat en
25
de reactiezone binnentreedt. Gevonden werd, dat een van de belangrijke oorzaken voor het niet voldoen van de bekende werwkijzen voor het continu thermisch omzetten van uraniumhexafluoride gelegen was in ophoping van reactieprodukten, grotendeels vaste uraniumoxiden, bij de inlaat voor gasvormig uraniumhexafluoride naaide reac-
30
tiezone, blijkbaar ten gevolge van kontakt van de reactievlam met de inlaat naar de reactiezone. De werkwijze volgens de uitvinding wijkt af van de bekende werkwijzen, doordat een stroom schutgas gebruikt wordt om de eerste en tweede gasvormige reactiecomponent tijdelijk te scheiden nadat zij in de reactiezone zijn gevoerd. Op deze wijze treedt geen reactie op tot de gasvormige reactiecomponenten xoldoende met elkaar gemengd zijn door diffunderen door het schutgas.
Dit geeft een uitstel voor het op gang komen van de omzetting met als gevolg, dat de omzettingsvlam verplaatst wordt en op een afstand gehouden wordt van de inlaat, waar de eerste gasvormige reactiecomponent in de reactiezone gevoerd wordt, zodat de vorming van verstoppende afzettingen vermeden wordt. 5
Het is bekend, dat uraniumhexafluoride en waterstof bij een temperatuur van ca 600°C of hoger met elkaar reageren onder vorming van uraniumtetrafluoride en dat uraniumtetrafluoride een vast groen zout is, dat gemakkelijk afgezet wordt op oppervlakken, wanneer het gevormd wordt. Om deze reden zou men normaliter vermijden om waterstof en uraniumhexafluoride te mengen om
10
ze in een inlaat naar een reactiezone te voeren, waar een werkwijze met een vlamreactie moet worden uitgevoerd. De werkwijze volgens de uitvinding wijkt van dit logische inzicht af, aangezien het uraniumhexafluoride en een reducerend dragergas (dat waterstof of gedissocieerde ammoniak kan bevatten) gemengd worden tot een gasvormige reactiecomponent en de onderhavige werk-
15
wijze geeft een snelle menging en een korte reactievlam. De werkwijze wordt zodanig uitgevoerd, dat de inlaat en de ruimte binnen de inlaat, waar het mengsel wordt ingevoerd, op een temperatuur beneden ca 550°C wordt gehouden, bijvoorbeeld door de vlam voldoende ver naar boven verschoven te hebben van de inlaat of door toepassing van koelmiddelen bij de inlaat-of door toe-
20
passing van een inert gas als gedeeltelijke of gehele hoeveelheid van het dragergas. Het op gang brengen van de werkwij ze volgens de uitvinding kan op verscheidene wijzen worden uitgevoerd. Een de voorkeurverdienende reeks maatregelen is als volgt. Bij voorkeur
25
wordt de reactieszone op een temperatuur van tenminste ca 100°C voorverhit om condensatie van water te voorkomen. Eerst wordt een zuurstofhoudende atmosfeer in een reactiezone tot stand gebracht door een continue stroom van een zuurstofhoudend gas. In de tweede plaats wordt een ontstekingsmiddel in de reactiezone bediend om een bron van ontsteking te verkrijgen. In de
30
derde plaats wordt een stroom reducerend dragergas ingevoerd om een vlamreactie op gang te brengen en deze reactie verwarmd de reactiezone. Dit reducerende gas kan geheel of gedeeltelijk het dragergas vormen. In de vierde plaats wordt de stroom schutgas tot stand gebracht. In de vijfde plaats wordt het uraniumhexafluoridegas in de reactiezone gevoerd en de reactie is volledig.
35
Bij een andere mogelijke reeks maatregelen voor het op gang brengen van de reactie kan de stroom uraniumhexafluoride en de stroom dragergas ge-
74 1 0 7 5 1
- 8-
lijktijdig op gang worden gebracht. Nog een andere de voorkeurverdienende reeks maatregelen voor het op gang brengen van de reactie verloopt als volgt. Eerst stroomt het reducerende dragergas in de reactiezone. In de tweede plaats wordt de stroom schutgas 5
op gang gebracht. In de derde plaats wordt na een korte tijd begonnen met de stroom zuurstofhoudend gas, waarbij de ontsteker in werking wordt gesteld om een vlam te vormen. In de vierde plaats wordt met de stroom uraniumhexafluoride begonnen . Volgens vieer een ander de voorkeur verdienende reeks maatregelen voor
10
het op gang brengen van de reactie gaat men te werk als in de voorafgaande alinea, echter met dit verschil, dat men eerst het schutgas invoert en daarna het reducerende gas. Bij de werkwijze volgens de uitvinding kan het schutgas een gas zijn, dat niet-reactief is met de reactiecomponenten van de werkwijze (dat wil zeggen
15
een inert gas) en als zodanig kan men bijvoorbeeld stikstof, argon, helium, neon, krypton, xenon en mengsels daarvan gebruiken. Bovendien kan men een schutgas gebruiken, dat aan de reactie deelneemt, bijvoorbeeld een reducerend gas (waterstof, gedissocieerde ammoniak of mengsels daarvan) of een mengsel van een reducerend gas met een van de bovengenoemde niet-reactieve
20
gassen. Het zuurstofhoudende dragergas wordt gekozen uit lucht, zuurstof en mengsels daarvan. Het reducerende dragergas wordt gekozen uit waterstof, gedissocieerde ammoniak, mengsels daarvan en mengsels van de bovengenoemde gassen met een inert gas. De uitvinding berust op de volgende schijnbare totale reductie-hydrolyse-
25
reacreactie bij aanwezigheid van een aktieve vlam: (1) UF. (g) + overmaat H„ + overmaat 0. -»• U0 Cs) + 6HF(g) + resterend o 2. 2. vxam 2. H20(g). Hoewel het mechanisme van deze reactie tot dusver niet volledig verklaard is, is het mogelijk dat de reactie plaatsheeft via vrije radicalen als reac-
30
tiecomponenten, die in de vlam gevormd worden. In ieder geval verloopt de reactie snel onder vorming van een deeltjesvormig produkt, dat rijk is aan uraniumdioxide. Er dient de nadruk op te worden gelegd, dat de bovengenoemde reactie in het geheel niet chemisch vergelijkbaar is met een eenvoudige hydrolysereactie, zoals de hydrolyse van siliciumtetrachloride (SiCl^ + H^CM-
35
Si02 + 4-HC1) of met een eenvoudige reductiereactie, zoals de reductie van uranylfluoride tot uraniumdioxide (U0 F (s) + H
74 1 0 7 5 1
U02(s) + 2HF). Bij theore-
9
tische, met vrije radicalen verlopende produktie-hydrolysereacties, die als hypothese gesteld zijn voor de omzetting van uraniumhexafluoride in uraniumdioxide ontstaat uranylfluoride of uraniumtetrafluoride als een tijdelijk tussenprodukt bij de reactie. Figuur 1 en 2 tonen respectievelijk een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht en een opengewerkt zijaanzicht van het bovendeel van een reactor, die bij het uitvoeren van de uitvinding gebruikt wordt, welke reactor een mondstuk bezit, dat een stel concentrische inlaten bevat voor het invoeren van de gasvormige reactiecomponenten in de reactiezone, waarbij de inlaat 10
met grootste diameter zich in de stroomrichting uitstrekt tot voorbij het uitlaateinde van de inlaat met kleinste diameter, teneinde de vlam te beperken en te richten. Figuur 3 en 1 tonen respectievelijk een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht en een opengewerkt zijaanzicht van het bovendeel van een andere
15
reactor, die bij de werkwijze volgens de uitvinding gebruikt kan worden, welke reactor een mondstuk heeft, dat een aantal inlaten van kleine diameter bevat voor het invoeren van veelvoudige stromen reactiecomponenten in de reactiezone, welke inlaten met kleine diameter gerangschikt zijn in en omgeven door een inlaat van grotere diameter, die gebruikt wordt voor het invoeren
20
van het schutgas in de reactiezone, terwijl de inlaat met grotere diameter zich in de stromingsinrichting uitstrekt tot voorbij het uitlaateinde van de inlatèn met kleine diameter, opnieuw om de vlam te beperken en te richten. Figuur 5a en 5b tonen een opengewerkt zij-aanzicht van een andere reactor, die bij de werkwijze volgens de uitvinding gebruikt wordt, welke
25
reactor een mondstuk bevat, dat 3 concentrische buizen bezit voor het invoeren van de gasvormige reactiecomponenten in de reactiezone, welke buizen zich over gelijke afstanden in de reactiezone uitstrekken. Figuur 6 en 7 tonen respectievelijk een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht en een doorsnede in zij-aanzicht van het bovendeel van een andere
30
reactor, die bij de werkwijze volgens de uitvinding gebruikt kan worden en die middelen bevat voor het invoeren van een derde gasvormige reactiecomponent in de reactiezone onder het tijdstip en de plaat in de reactiezone, waarop de omzetting van uraniumhexafluoride in een aan uraniumdioxiderijk materiaal praktisch voltooid is. Figuur 8-12 zijn microfoto's (genomen met een vergroting van 75000 maal) van deeltjes van aan uraniumoxiderijke materialen, die volgens de voorbeelden
- 10 -
I-V verkregen zijn. Figuur 13 en 14 tonen respectievelijk een bovenaanzicht en een opengewerkt zij-aanzicht van een andere reactor, die in de voorbeelden II-V gebruikt wordt. 5
en 2 In figuur 1 is algemeen met 10 een reactor weergegeven, waarmee de werkwijze volgens de uitvinding kan worden uitgevoerd. Bij de hier weergegeven uitvoeringsvorm gebruikt men twee buizen 11, die in het deksel 12 zijn aangebracht en afgedicht met de afdichtingen 42, om een zuurstofhoudende atmosfeer in de reactiezone 18 te voeren. Het deksel 12 vormt een dichte aansluiting
10
met vat 13 met behulp van afdichting 9. Het deksel 12 bezit in inlaat van concentrische buizen 14 en 15 waarbij de buis 14 door de afdichting 41 afdichtend in deksel 12 bevestigd is. Buis 14 steekt verder in reactiezone 18 uit dan buis 15 en wel met de met d aangegeven afstand. De buis 15 is door afdichting 7 goed afgedicht bevestigd in buis 14 op een punt buiten de reactor
15
10. De ontsteker 16 is aangebracht om de reactie op gang te brengen. Een schutgas wordt door de inlaten 40 in buis 14 en van daarin de reactiezone 18 gevoerd en een gasvormige reactiecomponent, die een mengsel van uraniumhexafluoride en een dragergas bevat, wordt via buis 15 in de richting van de pijl in de reactiezone 18 gevoerd. Het schutgas beschermt
20
het mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas gedurende voldoende tijd tegen het zuurstofhoudende gas, dat via buizen 11 in de reactiezone 18 wordt gevoerd, zodat het grensvlak van het begin van de reactievlam in de reactiezone 18 zich op een afstand bevindt van de door de buizen 14 en 15 gevormde inlaat (ook wel een "versprongen vlam" genoemd). De reactie leidt tot een helder
25
oranje vlam. Bij het uitvoeren van de werkwijze in de inrichting volgens figuur 1 en 2 verdient het de voorkeur de werkwijze te beginnen, als de reactiezone voorverhit is op een temperatuur van tenminste ca 100°C, teneinde condensatie van waterdamp in de reactiezone te voorkomen. Dit voorkomt het ophopen van
30
aan uraniumdioxiderijke poeders op het vat 13 tijdens het proces. Deze aanvankelijke verhitting kan met uitwendige verhittingsmiddelen worden uitgevoerd of door het zuurstofhoudende gas voldoende lang met reducerend gas te laten reageren om de voorverhitting van reactiezone 18 te verkrijgen alvorens het gasvormige uraniumhexafluoride in de reactiezone te voeren. Als
35
voorbereidende stap kan de reactiezone uitgespoeld worden met een gas, dat inert is ten opzichte van de reactie, bijvoorbeeld stikstof.
7410 75 1
XX
Volgens een bij voorkeur toegepaste reeks behandelingen met de inrichting volgens figuur 1 en 2 wordt de drageratmosfeer eerst in de reactiezone gebracht door aanvoeren via buis 15. Daarna beging men met de stroom schutgas in buis 14, wat korte tijd latei? gevolgd wordt door het invoeren 5
van het zuurstofhoudende gas in de buizen 11, waarbij men de ontsteker 16 laat werken om een vlam te vormen. Vervolgens wordt het uraniumhexafluoride in buis 15 ingevoerd, zodat het gemengd wordt met het dragergas. Volgens een andere de voorkeur verdienende volgorde voor het op gang brengen van de reactie wordt het zuurstofhoudende gas eerst in de reactiezone
10
ingevoerd via de buizen 11. Daarna begint men met de stroom schutgas in buis 14 en plaat de ontsteker 16 werken om middelen te verschaffen om een vlam te verkrijgen, wat korte tijd later gevolgd wordt door invoering van het dragerbuis in buis 15. Nadat de vlam stabiel is geworden wordt het uaraniumhexafluoride in buis 15 ingevoerd, zodat het zich mengt met het
15
dragergas. De stroming van de gassen in de reactiezone wordt zodanig geregeld, dat de molverhouding tussen waterstof en uraniumhexafluoride tenminste groter is dan de stoechionetrische verhouding, waarbij de ondergrens van de verhouding bij voorkeur ca 4,0:1 bedraagt , terwijl de molverhouding tussen
20
zuurstof en uraniumhexafluoride tenminste groter is dan de stoechiometrische verhouding, waarbij een bij voorkeur toegepaste ondergrens van de verhouding ca 1,2:1 bedraagt. De reactie wordt uitgevoerd met een vlamtemperatuur van tenminste ca 750°C of hoger. De reactiezone wordt bilvoorkeur onder subatmosferische druk
25
gehouden onder toepassing van een vacuumpomp, waarmee een vacuum van ca 25-635 mm, bij voorkeur ca 127-381 mm kwik wordt getrokken, zodat de reactieprodukten snel uit de reactiezone verwijderd worden. Opgemerkt wordt, dat de uitvinding ook kan worden uitgevoerd onder omstandigheden van atmosferische druk of overdruk, maar eventuele lekken, die zich in het systeem ont-
30
wikkelen, bevinden zich aan de buizenzijde, zodat het de voorkeur verdient onderdruk toe te passen. In figuur 3 en 4 is een reactorinlaat weergegeven met een aantal buizen voor het mengsel van uraniumhexafluoride en het dragergas, wat hogere produktiesnelheden mogelijk maakt van het aan uraniumdioxiderijke produkt.
35
In figuur 3 is een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht weergegeven van deze uitvoeringsvorm van de reactor, die algemeen met 19 is aangegeven. Figuur
74 1 0 7 5 1
- 12 -
4 is een zij-aanzicht in doorsnede van de reactor langs de lijn
in figuur
3. Hier is een aantal buizen 20 van kortere lengte opgesloten in een grotere en langere buis 21, die in het deksel 22 van de reactor 19 aangebracht is en daarin afdichtendabevestigd is door de afdichtingen 41. De buizen 20 5
zijn weergegeven als symetrisch geplaatst in de buis 21 op een cirkel met een diameter van meer dan de helft van de uitwendige diameter van buis 21. Het deksel 22 is door afdichting 9 bevestigt aan het vat 23, dat een reactiezone 26 omsluit. De buizen 24,die in deksel 22 zijn aangebracht en daaraan door de afdichtingen 42 bevestigd zijn, worden toegepast om het zuurstof-
10
houdende gas in de reactiezone te voeren. De ontsteker 25 is aangebracht om de reactie op gang te brengen. Tijdens de gehele reactie wordtn een continue stroom van het reducerende dragergas in de buizen 20 in stand gehouden, zodat een sterke reducerende atmosfeer in de reactiezone gehandhaafd wordt. De buizen 20 zijn goed afdichtend in buis 21 bevestigd door de af-
15
dichtingen 27 op een plaats buiten de reactor 19. Bij het uitvoeren van de werkwijze wordt een schutgas door inlaat 40 in de door de pijlen aangegeven richting via buis 21 in de reactiezone 26 gevoerd. Op deze wijze omringt het schutgas het mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas, dat door de buizen 20 in de reactiezone 26 wordt gevoerd.
20
Het omhullende schutgas beschermt hetsmengsel van uraniumhexafluoride en dragergas gedurende voldoende tijd tegen het zuurstofhoudende gas, zodat het grensvlak van het op gang komen van de reactievlam verplaatst of verwijderd is van het einde van buis 21 (een "versprongen vlam"). De reactie leidt tot een helder oranje vlam. Het schutgas, het zuurstofhoudende gas en het
25
dragergas zijn dezelfde als bovengenoemd. De voorkeursuitvoeringsvormen van de hierboven bij figuur 1 en 2 beschreven werkwijze zijn ook van toepassing op de werkwijze onder toepassing van de inrichting volgens figuur 3 en 4. In figuur 5a is een andere inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. De reactor is in een gedeeltelijk wegge-
30
sneden zij-aanzicht aangegeven, waarbij de inlaat drie concentrische buizen 28, 29 en 30 bevat, die het deksel 31 binnentreden. Het deksel 31 is door afdichting 32 aan vat 33 bevestigt, dat een reactiezone 34 omsluit. De ontsteker 16 is aangebracht om de reactie op gang te brengen. Volgens een rangschikking gebruikt men buis 28 voor het invoeren van de eerste gasvormige
gj.
reactiecomponent, die als bovenbeschreven een memgsel van uarniumhexafluoride en dragergas bevat. De tweede gasvormige reactiecomponent, het zuurstofhoudende
7410751
- 13 -
gas, wordt in de reactiezone 34 gevoerd via buis 30, die door afdichting 35 aan het deksel 31 bevestigd is. Buis 29 wordt toegepast voor het invoeren van het schutgas, dat de eerste en de tweede gasvormige reactiecomponent van elkaar scheidt. 5
Volgens een andere pangschikking, die in figuur 5b is weergegeven, kan buis 28 gebruikt worden voor het invoeren van het zuurstofhoudende gas en buis 30 voor het invoeren van het mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas. Buis 29 wordt toegepast voor het invoeren van het schutgas, dat de eerste en tweede gasvormige reactiecomponent van elkaar scheidt. De buizen
10
28, 29 en 30 strekken zich over een gelijke afstand in de reactiezone 34 uit, maar door een goede regeling van de snelheden van de binnentredende gassen wordt een versprongen vlam gehandhaafd tijdens de omzetting van uraniumhexafluoride. De voorkeursuitvoeringsvormen van de werkwijze, die hierboven bij de inrichting van figuur 1 en 2 beschreven zijn, zijn ook van toepassing
15
bij de werkwijze onder toepassing van de inrichting volgens figuur 5. Een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt hieronder beschreven aan de hand van figuur 6 en 7, waar een reactor wordt weergegeven, die algemeen met 50 is aangegeven, waarin een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding kan worden uitgevoerd. Bij deze uitvoeringsvorm gebruikt men een
20
eerste inlaat in de vorm van twee buizen 51, die afdichtend in het deksel 52 bevestigd zijn, om een zuurstofhoudend gas (de bovengenoemde tweede gasvormige reactiecomponent) in de richting van de pijl in te voeren in de reactiezone 49. Het deksel 52 vormt een goede afdichting met het vat 53 en is elfneembaar van het vat 53. Het vat 53 bezit een naar buiten stekende
25
ruimte 54, die een waakbrander 55 bevat, waaraan gas wordt toegevoerd, zodat een waakvlam 56 in stand wordt gehouden om een vlamreactie op gang te brengen. Een deel van het algemeen met 57 aangegeven mondstuk bevindt zich in een qentrale opening in deksel 52 en is daar luchtdicht in afgedicht met behulp van afdichting 58. Het mondstuk 57 bevat een tweede inlaat in de vorm
30
van buis 59 met twee buisvormige inlaten 60, waarin schutgas ia de richting van de pijl wordt ingevoerd. De buitenste buis 59 bezit een deksel 61 en de deksel 61 bevat de buisvormige inlaat 62, waaraan een mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas wordt toegevoerd. Het mengsel stroomt in de richting van de pijl in inlaat 62 en treedt de derde inlaat binnen, die een kamer 63
35
bevat, gevormd door buis 64 met een bodemgedeelte 65. Het bodemgedeelte 65 bevat cirkelvormige openingen van eenzelfde grootte als de uitwendige dia-
74 1 0 7 5 1
- 14 -
meter van de buizen 67, die aan het deel 65 verbonden zijn, zodat" de buizen 67 het gasmengsel uit kamer 63 ontvangen. De buis 59 steekt over een met d weergegeven afstand verder in de reactiezone 49 dan de buizen 67. Een stromingsregelingsplaat 66 voor het schutgas is overdwars in buis 59 aangebracht en deze plaat is voorzien van openingen, waardoor de buizen 67 coaxiaal insteken, zodat zich een ringvormige opening om iedere buis 67 bevindt. Deze plaat 66 dringt het schutgas door de ringvormige opening rond
i iedere buis 67 te stromen.
Een inlaat in de vorm van buisvormige organen 69 bevindt zich stroomafwaarts van het mondstuk 57 op een plaat, waar de omzetting van uraniumhexafluoride tot een aan uraniumdioxiderijk materiaal als tijdelijk produkt praktisch voltooid is. In figuur 7 is deze plaats zodanig aangegeven, dat het midden van ieder orgaan 69 zich ongeveer op een lijn bevindt met de top van de primaire vlam 68. Een zuurstofhoudend gas wordt in de inlaten 69 gevoerd, zodat dit gas de reactiezone 49 binnentreedt en zich vermengt met' de reactieprodukten van de primaire vlam 68. Dit leidt tot een secundaire vlam 70 door verbranding van resterend reducerend gas tot het geoxideerde produkt en tot omzetting van het aan uraniumdioxiderijke materiaal tot een hoger oxide van uranium, waarbij tenminste enige oxide een hoger zuurstofgehalte heeft dan uraniumdioxide. De onderstaande oxiden zijn representatieve voorbeelden van dergelijke uraniumoxiden: uraniumtitraoctoxide (U^Og), uraniumpentoxide (U„0_), U,0„ en mengsels van een of meer van de bovengenoemde 2 5 4y oxiden, al dan niet met enig uraniumdioxide (UO^). De buisvormige organen 69 verdelen de reactiezone 49 ongeveer in (1) een primaire reactiezone met een primaire vlam 68, die in het algemeen de ruimte omvat tussen het mondstuk 57 en de buisvormige organen 69 en (2) een secundaire reactiezone met een secundaire van 70, die in het algemeen door ruimte beneden de in figuur 7 weergegeven buisvormige organen 69 omvat. Men kan elk van de bovengenoemde uitvoeringsvormen van de inrichting en werkwijze uitvoeren onder toepassing van een na-oxidatiestap. De behandelingen voor het op gang brengen van de bovengenoemde uitvoeringsvormen worden zodanig gemodificeerd, dat als de stroom van het zuurstofhoudende gas begonnen wordt, het toevoeren van zuurstofhoudend gas voor de na-oxidatiestap ook beginnen wordt. Deze uitvoeringsvorm geeft verdere voordelen door het omzetten van uarniumhexafluoride in een aan uraniumoxiderijk materiaal. De oxidatie van de re-
- 15 -
actieprodukten van de primaire vlam 68 leidt tot een praktisch volledige omzetting van enig iresterend reducerend gas tot de geoxideerde vorm (bijvoorbeeld in het geval van waterstof tot waterdamp). Dit schakelt enige aanmerkelijke concentratie van het'reducerende gas uit op het tijdstip, dat 5
de reactie voltooid is en dit maakt het mogelijk onderdruk toe te passen om het verwijderen van de reactieprodukten uit de reactiezone te bevorderen. Hierbij benut men volgens de uitvinding de in de reactiezone van de primaire vlam 68 vrijkomende warmte voor de daaropvolgende omzetting van het aan uraniumdioxiderijke materiaal, verkregen uit de primaire vlam 68, tot hogere
10
oxiden van uranium. De snelheid , waarmee de gasvormige reactiecomponent, die gevormd wordt door een mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas, in de reactiezone wordt gevoerd, is van belang. Het is gebleken, dat de stromingssnelheid van dit mengsel zodanig geregeld dient te worden, dat men een gassnelheid bij
15
de inlaat verkrijgt, die groter is dan de snelheid, waarmee de vlam zicht voortplant. Op deze wijze blijft de vlam verwijdert van de inlaat naar de reactiezone. De afstand, waarover de vlam van buis 14 in figuur 2, buis 21 in figuur 4 en de buizen 28-30 in figuur 5a en b verwijderd is, is kritisch voor de vorm van de vlam. Als de afstand te groot is, treedt een neiging op
20
tot onvolledige omzetting van het uraniumhexafluoride in oxide en als de afstand te klein is, heeft de vlam de neiging te dichtbij de buizen te branden, wat tenslotte leidt tot ophoping van reactieprodukten en condensatie van waterdamp op de uiteinde van de buizen, waardoor de buizen verstopt kunnen raken.
25
De dikte L van het schutgas rondom de reactiecomponenten kan geschat 2
worden uit de formule L = kDt, waarin L de radiale dikte van het schutgas tussen de stromen van de eerste en tweede reactiecompnnent, D een diffusie constante, t de tijd, die nódig is voor het diffunderen van de reactiecomponenten door het schutgas en k een andere constante is. In het algemeen is 30
de dikte van het schutgas evenredig aan de vierkantswortèl van de diffusietijd van de reactiecomponenlmdoor het schutgas. De in de figuren weergegeven reactors bezitten bij voorkeur een afneembaar deksel, dat afdichtend aan het vat bevestigd kan worden. Het vat en het deksel kunnen vervaardigd worden van ieder materiaal, dat inert is ten
35
opzichte van de omzetting. Als representatieve materialen zijn te noemen het onder het handelsmerk Pyrex verkrijgbare materiaal, glas en verschillende
74 1 0 7 5 1
-
J.D
~
metalen en legeringen, zoals staalsoorten en het onder het handelsmerk Honel verkrijgbare metaal. Verschillende afdichtmiddelen kunnen toegepast worden tussen het afneembare deksel en het reactorvat, zoals tegen hoge temperatuur .bestandzijnde rubbersoorten en tegen hoge temperaturen bestand5
zijnde polymere afdichtmiddelen, zoals polytetrafluoretheen. Als ontstekingsmiddelen kan men verschillende inrichtingen gebruiken voor het herhaaldelijk produceren van een volk in de reactiezone, bijvoorbeeld een bougie, die zich in de nabijheid van de gewenste reactievlam bevindt, maar niet zo dicht bij de vlam, dat er reactieprodukten op worden neergeslagen. Een andere
10
mogelijkheid is de toepassing van een waakvlam. De gasinleidbuizen kunnen vervaardigd worden uit verschillende materialen, die inert zijn voor de werkwijze, zoals keramische materialen, bijvoorbeeld aluminiumoxide, of metalen, zoals Monel. Het reactorvat kan cilindrisch van vorm zijn om gemakkelijk geassembleerd te kunnen worden en de bovengenoemde materialen
15
die voor het vat gebruikt kunnen worden, zijn gemakkelijk verkrijgbaar in de vorm van cilinderische pijpen, die op de gewenste lengte gesneden kunnen worden. Een representatief vat heeft een lengte van ca 60-185 cm of meer met een diameter van ca 125-500 mm in de figuren ziet men, dat inlaten met kleinere diameter, zoals de inlaten 15 en 20 van figuur 1-4 zich bevinden
20
in inlaten met grotere diameter, zoals de inlaten 14 en 21 in figuur 1-4, zodat zij in de grotere inlaten eindigen op een afstand d, die uiteen kan lopen van 3,2-12, 7 mm. In het algemeen is de afstand d groter, naarmate de diameter van de pijpen 14 en 21 groter is. De werkwijze volgens de uitvinding kan worden uitgevoerd met elk van '
25
de bovengenoemde bestanddelen voor het dragergas, het zuurstofhoudende -- gas en het schutgas. De onderstaande tabel geeft representatieve gassen aan, die met elkaar gebruikt kunnen worden ommfucces een omzetting van uraniumhexafluoride tot een aan uraniumdioxiderijk materiaal te verkrijgen met behulp van de vlam-omzetting van de uitvinding.
74 1 0 7 5 1
- I'/ -
Reactie A
Reactie C
Dragergas
waterstof
gedissocieerde ammoniak
waterstof
Zuurstofhoudend gas
zuurstof
zuurstof
lucht
Schutgas
stikstof
stikstof
waterstof
Reactie D
10
Reactie B
Reactie E
Reactie F
Dragergas
gedissocieerde ammoniak
waterstof
gedissocieerde ammoniak
Zuurstofhoudend gas
lucht
zuurstof
zuurstof
Schutgas
gedissocieerde ammoniak
gedissocieerde ammoniak
waterstof
Reactie G
Reactie H
Reactie I
Dragergas
waterstof
gedissocieerde ammoniak
mengsel van waterstof en gedissocieerde ammoniak
Zuurstöfhoudend gas
lucht
lucht
mengsel van zuurstof en lucht
Schutgas
stikstof
stikstof
mengsel van stikstof en gedissocieerd ammoniak
15
Onderzoek van de uraniumoxidepoeders, die volgens de uitvinding bereid 20
zijn, wijst erop, dat de poeders betere eigenschappen hebben en dit is een van de opvallende voordelen van de uitvinding. De superieurs eigenschappen van de poeders van de uitvinding zijn vermoedelijk toe te schrijven aan de dendritische of semidendritische deeltjes, die bij metallografisch.-onderzoek in het poeder blijken voor te komen. In het bijzonder vertonen de poeder-
25
deeltjes bij een vergroting van 50000 maal of meer een uiterlijk van touwof kettingachtige deeltjes. Dit is op opvallende wijze bevestigd door elektronentransmissiefoto1s. De volgens de uitvinding gevormde poeders bezitten betere perseigenschappen ten gevolge van de openstructuur van de poederdeeltjes en bij verdichting van het poeder verkrijgt men groene persprodukten
30
met een grotere groene sterkte dan overeenkomstige persprodukten van poeders van deeltjes met een afzonderlijke kristallijne vormen (lijvoorbeeld bollen en kubussen). Het poeder bestaat voor meer dan 95 gew.% uit oxide van uranium, terwijl de rest grotendeels fluoride-ionen is, overwegende de vorm van
74 1 0 7 5 1
18
fluorwaterstofzuur en andere verbindingen, die uranium en fluor bevatten en niet algemeen te identificeren zijn met rontgendefractie. Het poeder bezit uitmuntende oppervlakte-eigenschappen met een zeer groot specifiek oppervlak in vergelijking met uraniumdioxidepoeders, die volgens bekende werkwijzen bereid zijn. Aangenomen wordt, dat de beperkte hoeveelheid verontreinigingen in het poeder voorkomen, dat het poeder enige neiging tot pyrofore eigenschappen vertoont, omdat de binding van het fluorwaterstof met het uraniumdioxide niet verdrongen is door zuurstof. Voorts maakt deze binding tussen fluorwaterstofzuur en uraniumdioxide het mogelijk het poeder te hanteren zonder irritatie van de huid. Deze poeders kunnen gemakkelijk in geregelde atmosferen gesinterd worden tot verdichte vormstukken, waarbij men tot meer dan 99% van de theoretische dichtheid kan bereiken onder toepassing van de verdichtings-en sinteringsmethoden aangegeven in de Nederlandse octrooiaanvragen 7113555 en 7208141. De onderstaande, niet-beperkende voorbeelden lichten de uitvinding toe.
VOORBEELD I Dit voorbeeld wordt uitgevoerd volgens de stappen van de Nederlandse óctrooiaanvrage 7113554. Een reactor wordt als volgt samengesteld. Een stolpvormige glazen fles wordt voorzien van een bodem, die drie concentrische koperen buizen bevat, die in bovenwaartse richting in de stolp uitkomen. De drie concentrische buizen wormen een diffusiebrander en het oppervlak van de binnenste buis be2
draagt 0,38 cm , dat van de middelste buis 0,82 cm
2
en dat
2
van de buitenste buis 7,5 cm . Een verzamelplaat voor een monster wordt in de stolp aangebracht in de vorm van een cirkelvormige schijf
met een diameter van 5 cm, die loodrecht
op de vlam wordt gehouden, die uit het mondstuk opstijgt; deze plaat kan op verschillende hoogten boven de vlam geplaatst worden. De dekselplaat bezit een opening voor een buis, die in het bovenste deel van de stolp steekt en deze buis wordt gebruikt om vacuum te trekken in de stolp. In dit voorbeeld wordt lucht in de binnenste en middelste buizen gevoerd en waterstof in de buitenste buis.
De UFg -dampJ
wordt gemengd met de lucht in de binnenste buis en de lucht en waterstof worden in het samenstel gevoerd met een verhouding tussen waterstof en zuurstof van 2,7:1. De verhouding tussen waterstof en UF g bedraagt 9,3:1. Men past de onderstaande volgorde van maatregelen toe om de omzetting van uranium hexafluoride in een uranium dioxide rijk produdct op gang te brengen. Men begint het reducerende gas toe te voeren door de buitenste buis. Vervolgens voert men het schutgas (in dit geval lucht) in de reactiezone door de middelste buis en men voert het zuurstofhoudende gas (hier lucht) in de reactor door de binnenste buis, waarna men door ontsteken met de hand rmet behulp van een vonkinrichting
een vlam tot stand brengt. Men verkrijgt zo een
blauwachtige vlam,, die zich op een afstand boven de concentrische buizen bevindt. Daarna laat men de stolp over de brander op het bodemdeksel zakken en trekt geleidelijk vacuum in de reactiezone die begrensd wordt door de stolp en de bodemplaat.
7410751
- 20 -
Nadat de blauwachtige vlam evenwicht bereikt heeft en de gewenste stromingssnelheden;van de gassen bereikt zijn begint men met de stroom van uraniumhexafluoride om een mengsel te verkrijgen,waarbij het zuurstofhoudende gas zich in de binnen5
ste buis bevindt.Op dit tijdstip verandert de kleur van de zich boven de inlaten bevindende vlam 68 tot helder oranje. De reactie wordt circa 3 minuten uitgevoerd. Het tijdens de werkwijze over de reactiezone getrokken vacuum
bedraagt 36
cm kwik. 10
oBe reactie verloopt met de bijzondere eigenschap, dat contact tussen de reactieprodukten en het uiteinde van de concentrische buizen vermeden wordt. De vlam blijft tijdens de gehele proef crica 12,7 mm boven of verwijderd van de concentrische buizen. Dit betekent, dat de vorming van het aan
15
uranium-dioxide rijke materiaal in de oranje vlam plaats heeft zonder dat de produkten van de vlam in contact komen
met de
concentrische buizen. Bij deze proef verkrijgt men een materiaal, dat circa
"uraniumdioxide bevat en hiervan is een electronen-
microfoto met een vergöting van 75000 maal weergegeven in figuur 20
8. Het poeder van figuur 8 is samengesteld uit deeltjes van af zonderlijke kristallijnen polyeders en de deeltjes bezitten een in het algemeen uniform regelmatig oppervlak (dat wil zeggen "bolletjes" en "kubusjes") en zij worden verzameld met behulp van de verzamelplaat voor monster. Als het poeder verdicht wordt
25
op
een roterende pers tot een groene dichtheid
van 5,3 gram/
3 cm
onder vorming van groene korrels met een configuratie van een
rechte cirkelvormige cilinder met een hoogte van circa 12,7 mm en een diamter van circa 12,7 mm, bedraagt de druk, waarbij de 2
groene voorwerpen breken, 11,2-12,7 kg/cm .Deze breukdruk is 30
een maat voor de sterkte van de groene korrels en geeft de druk weer die nodig is om de groene korrels in een handpers te Breken. VOORBEELD II Men stelt een reactor samen als weergegeven in figuur 13 en 14. Een reactie van 80 draagt een mondstukfleng: 81 en de flens"
35
81 is met bouten op het reactie van 80 bevestigd. De flange 81 is gelast aan de buitenste cilindrische buis 82 en de buis 82
74107 51
-
21
-
bevat inlaten 83. De buitenste c-ilindrische buis 82 is aan de binnenste cilindrische buis 84 gelast en de buis 84 bezit inlaten 85. De binnenste cilindrische buis 84 is aan de binnenste cilindrische kamer 86 gelast en deze kamer 86 bezit een inlaat 87 aan het boveneinde en vier buisvormige uitlaten 5
88 aan het ondereinde. Een stromingsregelingsplaat 89 voor het schutgas is aan de cilinder 84 gelast op vier, in het algemeen op gelijkmatige afstanden van elkaar gelegen plaatsen, als weergegeven in figuur 13. De buizen 88 steken door openingen in de plaat 89 uit naar de reactiezone 90.
10
De buizen 88 bezitten een inwendige diameter van 6,35 mm en een uitwendige diameter van 13,7 mm. De openingen in de plaat 89, die de buizen 88 omgeven, bezitten een diameter van 18,3 mm. De speling tussen de plaat 89 en de buis 84 bedraagt 1,98 mm. De buis 84 heeft een inwendige diameter van 77 mm en
15
een uitwendige diameter van 88,9 mm. De inwendige dianeter van buis 82 bedraagt 102,3 mm. De buizen 88 eindigen op een afstand van circa 12,7 mm binnen het uiteinde van buis 84. De buisvormige organen 91 zijn vier pijpen van Monelmetaal met een inwendige diameter van 12,7 mm, die aangebracht zijn onder een hoek
20
van 45° ten opzichte van de as van het reactorvat 80. Het midden van de organen 91 bevindt zich circa 457 mm van het open einde van buis 82. De flens
81, de buis 82, de regelplaat
89 en de buis 84 zijn vervaardigd van koolstofstaal, de rest van het mondstuk 92 is vervaardigd van Monelmetaal en het 25
reactorvat is vervaardigd van Inconel. Een waakvlam wordt aangezet in de reactiezone 90 met de volgende maatregelen voor het op gang brengen van de reactie. Een bron van lucht als zuurstofhoudend gas wordt in inlaat 83 en in de organen 91 als derde gasvormige reactiecomponent ge-
30
voerd.
Een bron van waterstof als schutgas wordt aangesloten
aan de inlaten 85 van buis 84 en in de reactiezone 90 gevoerd. Een mengsel van uraniumhexafluoride , stikstof en waterstof wordt in de kamer 86 en de vier buizen 88 gevoerd. Het uraniumoxidepoeder wordt verzameld, terwijl de spuigassen aan een be35
handeling onderworpen worden om fluorwaterstofzuur en waterdamp
7 4 1 0 7 51
-
22
-
te condenseren. De stromingssnelheid van uraniumhexafluoride bedraagt 5,44 kg per uur. De effectieve molverhouding tussen waterstof en uraniumhexafluoride bedraagt 24:1. De effectieve molverbhnding tussen waterstof en zuurstof bij het punt, waar het mondstuk uitkomt in de reactiezone bedraagt circa 2,7:1. De stromingssnelheden zijn als volgt: waterstof in kamer 86: 3 1,07 standaard m /uur; stikstof in kamer 86:1,78 standaard 3 3 m /uur; waterstof als schutgas in buis 84:4,63 standaard m /uur, 3 lucht in buis 82: 10,06 standaard m /uur; en totaleklucht:14,08 3 standaard m /uur. Tijdens het proces wordt eenvacuum van 10
190,5 mm kwik in het reactorvat getrokken. De reactie verloopt met de bijzondere eigenschap, dat contact van de reactieprodukten met het uiteinde van de buizen 82,84 en 88 wordt vermeden. De vlam blijt gedurende de gehele proef circa 12,7 mm verwijderd van buis 82. Dit betekent, dat vorming van het aan uraniumoxide rijke materiaal in de primaire oranje vlam 68 plaats heeft zonder dat de produkten van de vlam in contact komen met het mondstuk 92. De laminaire primaire vlam loopt taps toe in de reactiezone bij een punt ongeveer grenzend bij het midden van de organen 91 ,
20
waarónder zich een secondaire donkerder oranje vlam 70 bevindt s die turbulent is. De proef lever t een materiaal op, dat circa 95 gew.% uraniumtritaoctoxide (U 0 ) bevat en een microfoto O O hiervan met een vergroting van 75.000 maal is weergegeven in figuur 9. Het poeder in figuur 9 is samengesteld uit deeltjes
25
met een dendritisch of semidendritisch:.uiterlijk en de deeltjes bezitten een onregelmatig oppervlak (d.w.z. "stekelvarkenachtig effect"). Wanneer het poeder op een roterende pers 3 verdicht wordt tot een groene dichtheid van 5,3 gram/cm onder vorming van groene korrels met een configuratie van een rechte
30
cirkelvormige cilinder met een hoogte van circa 12,7 mm en een diameter van circa 12,7 mm, bedraagt de groene breukdruk 2
15,5/16,9 kg/cm . De groene breukdruk is een maat voor de sterkte van de groene korrels en heef6t de druk, die nodig is om de groene korrels in een handpers te breken. 7 4 1 0 7 5 1
\
VOORBEELD De werkwijze van voorbeeld II wordt herhaald onder toe^passing van dezelfde algemene werkwijze en inrichting voor de voorbeelden 3-5 en de reactie verloopt weer met de bijzondere eigenschap, dat contact van de reactieprodukten met het uiteinde van de buizen 82,84 en 88 vermeden wordt. De vlam is tijdens de gehele van de proef circa 12,7 mm verwijderd van de buizen 82 en 84. Dit betekent, dat de vorming van het aan uraniumoxyde rijke materiaal in de oranje vlam plaats heeft zonder dat de produkten van de vlam in contact komen met het mondstuk 92. De onderstaande tabel geeft de significante informatie voor iedere proef,waarbij de eerstè kolom hef.nummer van het voorbeeld geeft, de tweede kolom de toevoersnelheid van UFg in kg per uur, de derde kolom de molverhouding tussen waterstof en uraniumhexafluoride, de vierde kolom de molverhouding tussen waterstof en zuurstof bij het mondstuk, de vijde kolom de stromingssnelheid van waterstof in kamer 86, de zesde kolom de stromingssnelheid van stikstof in kamer 86, de zevende kolom de stromingssnelheid waterstof of schutgas in buis 84, de achtste kolom de stromingssnelheid van lucht in buis 82, de negende kolom de stromingssnelheid van alle lucht (totale lucht) naar de reactor en de laatste kolom de breuk2
druk en kg/cm
voor korrels,die volgens werkwijze IJ! van
voorbeeld II gevormd zijn. De figuren 10-12 zijn elektronenmicrofoto's met een vergroting van 75.000 maal van monsters van poedeES^verkregen vojgens respectievelijk voorbeeld 3, voorbeeld 4 en ./«oorbeeld 5.
on
Voor- kg/uur Molver- Molverbeeld U F houding houding 6 H2/UF6 V ° 2 bij
Standaard Standaard Standaard Standaard Standaard Bfreukdruk m /uur m 3 /uur m 3 /uur m 3 /uur kg/cm m /uur als dra-
als dra-
gergas
gergas
als schut-- lucht gas in mond-
mondstuk
5
III IV V
5
24 : 1
10,89
12:1
4II0 : 1 4,0:1
5,44
12:1
4,0:1
totale lucht
stuk
1 ,07 1 ,07 -
-
1 ,78
4,63 4,63
6 ,94 6 ,94
14,06 14,06
1 ,78
5 ,20
6 ,94
14,06
CD
vl
14,1 11,2-19,7 fO •P
15
-
25
-
Uiteraard zijn binnen het raam van de uitzending talrijke wijzigingen mogelijk. C O N C L U S I E S : 1. 5
Werkwijze ter bereiding van een aan uraniumdioxide rijk
materiaal uit uraniumhexafluoride in een reactiezane ".bij aanwezigheid van een actieve vlam, met het kenmerk, dat men: (a) een eerste gasvormige reactiecomponent,die een mengsel van uraniumhexafluoride en een reducerenddragergas bevat,in de reactiezone voert, (b) afzonderlijk een tweede gasvormige re-
10
actiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, in de reactiezone voert, (c) en afzonderlijk tussen de eerste en tweede
gasvormige reactiecomponenfteen schutgas in de reactie-
zone voert, dat tijdelijk een aanmerkelijke menging en reactie tussen de eerst en tweede gasvormige reactiecomponent voor15
komt.töt'.voldoende onderlinge diffusie van de reactiecomponenten en het sschutgas optreedt, naarmate de reactiecomponenten en het schutgas door de reactiezone stromen. 2.
Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men
het proces op gang brengt door achtereenvolgens: (1) het dra20
gergas in de reactiezone in te voeren, (2) het schutgas in de de reactiezone in te voeren, (3) het zuurstofhoudende gas in de reactiezone in te voeren en (4) het uraniumhexafluoride in te voeren onder vorming van een mengsel met het dragergas, waarbij het mengsel, dat de reactiezone binnentreedt, tijdelijk
25
van het zuurstofhoudende gas gescheiden is door het schutgas. 3.
Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat men
het dragergas en het uraniumhexafluoride gelijktijdig in de reactiezone voert. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men 30
het proces op gang brengt door achtereenvolgens: (1) het
zuur-
stofhoudende gas in de reactiezone in te voeren, (2) het schutgas in de reactiezone in te voeren, (3) het dragergas in de reactiezone in te voeren en (4) het uraniumhexafluoride in te voeren onder vorming van een mengsel met het dragergas, waar-
74 1 0 7 5 1
-
26
-
bij het mengsel, dat de reactiezone binnentreedt, door het schutgas tijdelijk gescheiden is van het zuurstofhoudende gas. 5.
Werkwijze volgens conclusiesi-4s met het kenmerk, dat
men de reactiezone met inert gas doorspoelt alvorens de gasvormige reactiecomponenten in de reactiezone te voeren. 6.
Werkwijze volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat
men de eerste gasvormige reactiecomponenf, die een mengsel van uraniumhexafluoride en dragergas bevat, in de reactiezone invoert als een aantal afzonderlijk aangrenzende stromen, welke stromen omringd worden door het schutgas. 7.
Werkwijze volgens conclusiesl-6, met het kenmerk, dat men
als dragergas waterstof, gedissocieerde ammoniak, mengsels daarvan of mengsels van één van de bovenstaande gassen met een inert gas".Kiest. 8.
Werkwijze volgens conclusies 1-7, met het kenmerk,dat men
als zuurstofhoudend gas zuurstof, lucht
of mengsels daarvan
kiest. 9.
Werkwijze volgens conclusies 1-8,met het kenmerk, dat men
als schutgas waterstof, gedissocieerde ammoniak, een inert gas of mengsels daarvan kiest. 10.
Werkwijze volgens conclusies9, met het kenmerk, dat men
als schutgas een inert gas kiest. 11.
Werkwijze volgens conclusies 1-9,met het kenmerk,
dat men
als dragergas een inert gas kiest en als schutgas waterstof, gedissocieerde ammoniak, een mengsel van waterstof en gedissocieerde ammoniak,een mengsel van waterstof en een inert gas, een mengsel van gedissocieerde ammoniak en een inert gas of een mengsel van waterstof, gedissocieerde ammoniak en een inert gas. 12.
Werkwijze volgens conclusies 1-11, met het kenmerk, dat
de molverhouding tussen het reducerende gas en uraniumhexafluoride tenminste circa 4,0:1 en de molverhouding tussen zuurstof en uraniumhexafluoride tenminste 1,2:1 bedraagt. 13.
Werkwijze volgens conclusies 1-12, met het kenmerk, dat
men de reacties uitvoert in een vlam bij een temperatuur van
74 1 0 7 5 1
-
27
-
tenminste circa 750°C. 14.
Werkwijze volgens conclusiesl-13, met het kenmerk, dat
men de reactiiezone voorveBhit op een begintemperatuur van tenminste circa 100°C. 15. 5
Werkwijze volgens conclusies 1- 14, met het kenmerk, dat
men de reactiezone onder een vacuur van circal 12,5-635 mm kwik houdtom de reactieprodukten uit de reactiezone - te verwijderen . 16.
Werkwijze volgens conclusies 1-15,met het kenmerk, dat
men het uit de reactiezone verwijderde gas behandelt om fluor10
waterstofzuur uit waterdamp uit de gasstroom op te vangen in de vorm van waterig fluorwaterstofzuur. 17.
Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk,dat men:
(a) een zuurstofhoudend gas in een aanvankelijk op een temperatuurv.van tenmiste 100°C verhitte en onder een vacuum van 15
circa 12,5-635 mm kwik gehouden reactiezone voert, (b) een ontstekingsinrichting
in deze reactiezone laat werken, (c)
een schutgas in de reactiezone voert, (d) een reducerend dragergas . invoert , zodat dit bij het binnentreden van de reactiezone omringd wordt door het schutgas, (e) een stroom uranium20
hexafluoride
zodanig ingevoerd, dat dit gemengd wordt met het
reducerende gas en omgeven wordt door het schutgas bij het binnentreden van de reactiezone, waardoor men een reactievlam verkrijgt,die buiten contact blijft met ieder vast structureel oppervlak, dat de reactiezone begrenst en 25
het in de reactie-
zone .gevormde, aan uraniumdioxide rijke poeder wint. 18:
Werkwijze volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat
men een aantal stromen van het mengsel van uraniumhexafluoride en reducerend gas in de reactiezone voert en elk van deze stromen omringt met schutgas onder vorming van een reactievlam, 30
die buiten contact blijft met ieder vast structuur oppervlak in de reactiezone. 19.
Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men:
(a) een reducerend dragergas in een aanvankelijk op een temperatuur vantenminste 100°C verhitte en onder een vacuum van 35
circa 12,5-635 mm kwik gehouden reactiezone voert, (b) een
7410751
- 28 -
ontstekingsinrichting in de reactiezone laat werken, (c) een schutgas in de reactiezone invoert, zondanig dat dit het reducerende gas bij het binnentreden van de reactiezona^ omringt, (d) een zuurstofhoudend gas in de reactiezone voert,(e) een 5
stroom uraniumhexafluoride zodanig ingevoerd, dat dit gemengd wordt met het reducerende gas en omgeven wordt door het schutgas bij het binnentreden van de reactiezone, onder vorming van een reactievlam, die buiten contact blijft met ieder vasfcstructuur oppervlak,dat de reactiezone begrenst, (f) en'ihet in de
10
reactiezone gevormde, aan uraniumdioxide rijke poeder verzamelt. 20.
Werkwijze volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat men
een aantal stromen van het mengsel van uraniumhexafluoride
en
het reducerende gas in de reactiezone voeren., elk van deze stromen omringt met schutgas om de vorming van een reactievlam, die buiten contact blijft met ieder structuur oppervlak in de reactiezone . 21.
Werkwijze volgens conclusie 1, 5-11 en 13-16, met het
kenmerk, dat men een derde gasvormige reactiecomponent, die een zuurstofhoudend gas bevat, in contact brengt met het ge20
vormde deeltjesvormige, aan uraniumdioxide rijkTmateriaal, het resterende reducerende gas en de gasvormige reactieprodukten'.onder omzetting van het resterende reducerende^gas in de reactiezone tot een geoxideerde vorm en onder oxidatie van het aan uraniumdioxiderijke materiaal tot een hoger oxide van uraniumf
25
22. Werkwijze volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat men het proces op gang brengt door: (1) het dragergas in de reactiezone te voeren, (2) het schutgas in de reactiezone te voeren, (3) het zuurstofhoudende gas en de derde gasvormige reactiecomponent in de reactiezone te voeren en
30
(4) het uraniumhexafluoride in te voeren onder vorming van een mengsel met het reducerende gas, waarbij het mengsel, dat de reactiezone binnentreedt, door het schutgas tijdelijk van het zuurstofhoudende gas gescheiden wordt. 23. Werkwijze volgens conclusie 22, met het kenmerk, dat het dragergas en
35
het uraniumhexafluoride gelijktijdig in de reactiezone gevoerd worden. 24. Werkwijze volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat men het proces op gang brengt door achtereenvolgens:
7410 751
(a) het zuurstofhoudende gas en de derde gasvormige reactiecomponent in de reactiezone te voeren, (b) het schutgas in de reactiezone te voeren, (c) het dragergas in de reactiezone te voeren en (d) het uraniumhexafluoride in te voeren onder vorming van een mengsel met het dragergas, waarbij het mengsel, dat de reactiezone binnentreedt, door het schutgas tijdelijk gescheiden wordt van het reducerende gas. 25. Werkwijze volgens conclusies 22-24, met het kenmerk, dat men als derde gasvormige reactiecomponent zuurstof kiest. 26. Werkwijze volgens conclusies 22-24, met het kenmerk, dat men als derde gasvormige reactiecomponent lucht kiest. 27. Werkwijze volgens conclusies 22-24, met het kenmerk, dat men als derde gasvormige reactiecomponent een mengsel van zuurstof en lucht kiest. 28. Produkt verkregen volgens de werkwijze van conclusies 1-27.
I
74 1 0 7 5 1
- 2 -
19
Fig. 3
•24
25
\
h
V
4
uf
6
+
dragwgas /Schutgas zEi
40, /J^urstofhoudend gas
Fig 4 7 4 1 0 7 5 1
UF
6+
dragergas
Fig. 5a
7410751
Zuurstofhoudend gas
Fig. 5b
74107 51
74 1 0 7 5 1
i i
FIG. 8 7410751
- 7 -
FIG. 9
74 1 0 7 5 1
Ik
I
a 74 1 0 73891
- 10 -
FIG. 12
74 1 0 7 5 1
i i - XI"-
Fig. 14
7 4 1 0 7 51
