242 расчёт и оптимизация процесса прямого плазменного

IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
242
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
РАСЧЁТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЯМОГО ПЛАЗМЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ
ДВУОКИСИ УРАНА ИЗ ГЕКСАФТОРИДА
Б.С. Тойкин, О.Д. Шахматова
Научный руководитель : доцент, к.ф.-м.н. А.Г. Каренгин
Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050
E-mail: toikin.b@mail.ru
CALCULATION AND OPTIMIZATION THE PROCESS OF DIRECT PLASMA PRODUCTION OF
URANIUM DIOXIDE FROM URANIUM HEXAFLUORIDE
B.S. Toikin, O.D. Shahmatova
Scientific Supervisor: Assoc. Prof., Cand. Sci. A.G. Karengin
Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, 634050
E-mail: toikin.b@mail.ru
In the traditional approach, the process of obtaining uranium dioxide from solutions is usually carried
out using a
series of
operations: precipitation
of insoluble salts
(oxalates,
carbonates),
filtration,
drying, calcination, grinding, hydrogen reduction of uranium oxides to uranium dioxide. This paper shows
the possibility
of direct
production
the uranium
dioxide from uranium
hexafluoride in
a variety of
plasma fluids.
При традиционном подходе процесс получения двуокиси урана осуществляют обычно из растворов с
применением целого ряда операций: осаждение нерастворимой соли (оксалаты, карбонаты), фильтрация,
сушка, прокалка, измельчение водородное восстановление закиси-окиси урана до двуокиси урана. [1-3].
Однако, представляет интерес определение возможности прямого получения двуокиси урана
непосредственно из гексафторида в условиях различных плазменных теплоносителей. Это позволило бы
радикально уменьшить стоимость целевого продукта за счет сокращения количества передельных
операций, объёма емкостного оборудования, затрат химических реагентов, энергозатрат и трудозатрат.
Кроме того, все операции получения оксидных материалов, основанные на осаждении и последующих
гидрохимических операциях, наносят большой ущерб окружающей среде [4, 5].
В данной работе представлены результаты термодинамического моделирования процесса плазменной
переработки гексафторида урана в широком диапазоне давлений (0,1÷1 МПа), рабочих температур
(300÷4000 К) и массовых долей
различных плазменных теплоносителей и их комбинаций (воздух,
водород, аммиак, водяной пар).
На рисунке 1 и 2
представлены характерные равновесные составы основных газообразных и
конденсированных продуктов плазменной переработки гексафторида урана в воздушной и пароводяной
плазме (Р=0,1 МПа).
Из анализа равновесных составов (рис.1) следует, что в воздушной плазме при рабочих температурах
до 1000 К сохраняется UF6 в газовой фазе, при температурах 1800÷2200 К образуется UF5 в газовой фазе,
а свыше 3000 К – UF4 в газовой фазе. Требуемого целевого продукта в виде UO2(c) в конденсированной
фазе не образуется.
РОССИЯ, ТОМСК, 24 – 27 АПРЕЛЯ 2012 г.
ФИЗИКА
IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
243
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
Рис. 1. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки гексафторида урана в воздушной
плазме (50% Воздух : 50% UF6)
Рис. 2. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки гексафторида урана в пароводяной
плазме (50% Н 2О : 50% UF6 )
Из анализа равновесных составов (рис. 2) следует, что в пароводяной плазме при рабочих
температурах до 800К основным продуктом плазменной переработки гексафторида урана является
UO2F2(с)
в
конденсированной
фазе,
при
температурах
900÷1600
К
образуется
U3O8(с)
в
конденсированной фазе, а свыше 1800К – U4O9 (с) в конденсированной фазе. Требуемого целевого
продукта в виде UO2(c) в конденсированной фазе так же не образуется.
На рисунках 3 и 4 представлены характерные равновесные составы основных газообразных и
конденсированных продуктов плазменной переработки гексафторида урана в водородной и воздушноводородной плазме (Р=0,1 МПа).
Рис. 3. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки UF6 в водородной плазме
(30% Н2 : 70% UF6)
Рис. 4. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки UF6 в воздушно- водородной плазме
(30%воздух : 8%Н2 : 62%UF6 )
Из анализа равновесных составов (рис. 3) следует, что в водородной плазме при рабочих температурах
до 1100 К основным продуктом плазменной переработки гексафторида урана является UF4(с) в
конденсированной фазе, а при температурах свыше 1500 К образуется UF4 в газовой фазе. Требуемого
целевого продукта в виде UO2(c) в конденсированной фазе не образуется.
Проведение процесса плазменной переработки гексафторида урана в воздушно-водородной плазме
(рис. 4) приводит к тому, что при рабочих температурах до 800 К основным продуктом является UF4(с) в
конденсированной фазе, а при температурах 1000÷1600 К образуется с максимальным выходом
требуемый целевой продукт в виде UO2(c) в конденсированной фазе.
На рисунках 5 и 6
представлены характерные равновесные составы основных газообразных и
РОССИЯ, ТОМСК, 24 – 27 АПРЕЛЯ 2012 г.
ФИЗИКА
IX МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
244
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
конденсированных продуктов плазменной переработки гексафторида урана в аммиачной и воздушноаммиачной плазме (P=0,1 МПа).
Рис. 5. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки гексафторида урана в аммиачной
плазме (30% NН3 : 70% UF6)
Рис. 6. Равновесный состав продуктов плазменной
переработки UF6 в воздушно-аммиачной плазме
(30% воздух : 8%NН3 : 62%UF6 )
Из анализа равновесных составов (рис. 5) следует, что в аммиачной плазме при рабочих температурах
до 1400 К основным продуктом плазменной переработки гексафторида урана является UF4(с) в
конденсированной фазе, а при температурах свыше 1600 К образуется UF4 в газовой фазе. Требуемого
целевого продукта в виде UO2(c) в конденсированной фазе не образуется.
Проведение процесса плазменной переработки гексафторида урана в воздушно-аммиачной плазме
(рис. 6) приводит к тому, что при рабочих температурах до 800 К основным продуктом является UF4(с) в
конденсированной фазе, а при температурах 1000÷1800 К образуется с максимальным выходом
требуемый целевой продукт в виде UO2(c) в конденсированной фазе.
По результатам проведенных термодинамических расчетов можно рекомендовать для прямого получения
двуокиси урана процесс плазменной переработки гексафторида урана в воздушно-аммиачной плазме.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Шевченко В.Б., Судариков Б.Н. Технология урана. – М.: ГОСАТОМИЗДАТ, 1961. – 330с.
2.
Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в
ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. – М.: «Физматлит», 2003. – 759с.
3.
Давыдов В.И., Гамрекели М.Н., Добрыгин Л.Г. Термические процессы и аппараты для получения
окислов редких и радиоактивных металлов. – М.: «Атомиздат», 1977. – 270с.
4.
Каренгин А.А., Каренгин А.Г., Шахматова О.Д. Плазменная конверсия гексафторида урана в
двуокись урана // Современные проблемы технической физики. Сборник тезисов и докладов
Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. – Томск, 2011. – С. 54.
5.
Шахматова О.Д. Расчёт и оптимизация процесса плазменной конверсии гексафторида урана //
Перспективные направления развития атомной отрасли: Сборник тезисов конференции-школы
молодых атомщиков Сибири. – Томск, 2011 г. – С. 91–93.
РОССИЯ, ТОМСК, 24 – 27 АПРЕЛЯ 2012 г.
ФИЗИКА