СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ ЗАКИСИ-ОКИСИ УРАНА
METHOD OF PREPARING GRANULATED TRIURANIUM OCTOXIDE

Изобретение относится к технологии обращения с порошкообразной закисью-окисью урана и может быть использовано для ее гранулирования. Закись-окись урана играет важную роль в радиохимическом производстве, являясь конечным продуктом переработки отработавшего ядерного топлива, исходным соединением при получении гексафторида урана и других его соединений, а также основной формой транспортировки и хранения урана.
При использовании известных способов приготовления закись-окись урана получается в виде мелкодисперсного пылящего порошка с размером кристаллитов 0,3-0,5 мкм [Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана. М: Атомиздат, 1978]. Пыление существенно усложняет транспортировку и хранение закиси-окиси урана, а также ее применение, например, в качестве катализатора. В связи с этим в технологиях, использующих закись-окись урана, ее пылеподавление является актуальной задачей. Известные технологии пылеподавления, основанные на спекании и прессовании пыли, неприменимы в случае закиси-окиси урана, так как это соединение не поддается ни спеканию, ни прессованию.
На сегодняшний день неизвестны способы приготовления гранулированной закиси-окиси урана. Поэтому решение проблемы требует нового концептуального подхода.
Задачей изобретения является создание способа приготовления гранулированной закиси-окиси урана.
В предлагаемом техническом решении поставленная задача решается путем приготовления композитной смеси, пригодной для формования гранул-сырцов, которые после термообработки (сушки и прокаливания) превращаются в прочные непылящие гранулы закиси-окиси урана. Композитную формовочную смесь приготавливают следующим образом. К порошку закиси-окиси урана добавляют диуранат аммония при весовом отношении закиси-окиси урана к диуранату аммония от 1:0,5 до 1:2 (предпочтительно от 1:1 до 1,5), нитрат или ацетат аммония (0,2-1,0 вес. % от суммарного веса диураната аммония и закиси-окиси урана) и воду (25-40 вес. % от суммарного веса сухих компонентов). Компоненты перемешивают до получения однородной вязко-пластичной формовочной массы. В полученной композитной формовочной массе порошок закиси-окиси урана играет роль наполнителя, а гель, образующийся в результате гидратации диураната аммония, является связующим.
Добавка электролита (нитрата или ацетата аммония) стабилизирует коагуляционную структуру массы. Совокупность указанных признаков делает массу пригодной для формования. Формуемость сохраняется в интервале весового отношения закиси-окиси урана к диуранату аммония в смеси от 1:0,5 до 1:2. Предпочтительно использование смеси, содержащей закись-окись урана и диуранат аммония при их весовом отношении от 1 до 1,5, обеспечивающей высокое качество гранул. Уменьшение содержания нитрата или ацетата аммония ниже 0,2 вес. % от веса урансодержащих компонентов вызывает расслоение формовочной массы. Увеличение содержания нитрата или ацетата аммония в формовочной массе выше 1% приводит к разрушению гранул газообразными продуктами разложения аммонийных солей при прокаливании. При содержании воды в формовочной массе ниже 25 вес. % масса уплотняется и теряет пластичность необходимую для формования гранул. При содержании воды в формовочной массе выше 40 вес. % происходит расслаивание массы.
3
3
Свежеприготовленную формовочную массу выдерживают в течение 6-8 часов при комнатной температуре, гранулируют, гранулы-сырцы сушат (110-120°C) и прокаливают при 800-1000°C не менее одного часа. При прокаливании диуранат аммония превращается в закись-окись урана, а нитрат (или ацетат) аммония удаляется в виде газообразных продуктов разложения. После прокаливания образуется индивидуальная закись-окись урана в форме прочных непылящих гранул. Согласно рентгенофазовому анализу, прокаливание гранул при 800 и 1000°C приводит к образованию α- и γ-модификаций закиси-окиси урана соответственно. Гранулы, прокаленные при 800°C, имеют объемную плотность 3,6-3,9 г/см, открытую пористость 55-58% и характеризуются потерей массы при истирании 1,2-1,4%. Гранулы, прокаленные при 1000°C, имеют объемную плотность 4,1-4,5 г/см, открытую пористость 47-52% и характеризуются потерей массы при истирании 0,8-1%.
После формования и сушки отбракованные (неправильной формы) гранулы-сырцы могут быть обратимо переведены в состояние пластичной формовочной массы, пригодной для гранулирования путем увлажнения до 25-40%. Благодаря этому по предлагаемому способу гранулированную закись-окись урана приготавливают практически без отходов.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении выполнена основная задача изобретения - разработан способ, обеспечивающий гранулирование порошкообразной закиси-окиси урана.
Ниже приведены примеры реализации изобретения и физико-химические характеристики гранулированной закиси-окиси урана, приготовленной заявляемым способом.
Пример 1.
3
3
К смеси, содержащей закись-окись урана (6,32 г), диуранат аммония (6,32 г) и нитрат аммония (0,025 г), добавляют воду (3,2 мл) и компоненты перемешивают до образования однородной формовочной массы. Полученная масса имеет состав (вес. %): закись-окись урана - 39,8; диуранат аммония - 39,8; нитрат аммония - 0,16; вода - 20,2. Весовое отношение закиси-окиси урана к диуранату аммония равно 1:1; содержание нитрат аммония 0,2 вес. % от суммарного веса урансодержащих компонентов; влажность 25 вес. % от веса сухой массы. Массу выдерживают в течение 6 часов и затем гранулируют экструзией. Гранулы-сырцы сушат при 110°C и прокаливают при 800-1000°C в течение часа. Объемная плотность гранул, прокаленных при 800°C, составляет 3,6 г/см, открытая пористость 57%, потеря веса при истирании 1,3%. Гранулы, прокаленные при 1000°C, имеют объемную плотность 4,1 г/см, открытую пористость 52%, потеря веса при истирании составляет 0,9%.
Пример 2.
2
3
3
К смеси, содержащей закись-окись урана (5,42 г), диуранат аммония (8,13 г) и нитрат аммония (0,135 г) добавляют воду (5,47 мл) и компоненты перемешивают до образования однородной вязко-пластичной формовочной массы. Формовочная масса имеет состав (вес. %): закись-окись урана - 28,3; диуранат аммония - 42,4; нитрат аммония - 0,7; НО - 28,6. Весовое отношение закиси-окиси урана к диуранату аммония равно 1:1,5. Содержание ацетата аммония 1 вес. % от суммарного веса урансодержащих компонентов. Влажность массы равна 40 вес. % от веса сухой массы. Формовочную массу выдерживают в течение 8 часов и гранулируют. Гранулы-сырцы сушат при 120°C и прокаливают при 800 и 1000°C в течение полутора часов. Объемная плотность гранул закиси-окиси урана, прокаленных при 800°C, составляет 3,8 г/см, открытая пористость 56%, потеря веса при истирании 1,2%. Гранулы, прокаленные при 1000°C, имеют объемную плотность 4,5 г/см и открытую пористость 47%. Потеря веса при истирании 0,9%.
Пример 3
3
3
К смеси, содержащей закись-окись урана (8,70 г), диуранат аммония (8,70 г) и ацетат аммония (0,034 г), добавляют воду (4,35 мл) и компоненты перемешивают до образования однородной вязко-пластичной формовочной массы. Масса имеет состав (вес. %): закись-окись урана - 39,9; диуранат аммония - 39,9, ацетат аммония - 0,18; вода - 20. Весовое отношение закиси-окиси урана к диуранату аммония равно 1:1; содержание ацетата аммония - 0,2 вес. % от суммарного веса урансодержащих компонентов; влажность - 25 вес. % (от веса сухой массы). Массу выдерживают в течение 8 часов и гранулируют экструзией. Гранулы-сырцы сушат при 110°C и прокаливают при 800 и 1000°C в течение 1,5 часа. Объемная плотность гранул, прокаленных при 800°C, составляет 3,9 г/см, открытая пористость 55%, потеря веса при истирании 1,2%. Гранулы, прокаленные при 1000°C, имеют объемную плотность 4,4 г/см и открытую пористость 48%. Потеря веса при истирании 0,8%.
Пример 4
3
3
К смеси, содержащей закись-окись урана (5,90 г), диуранат аммония (8,85 г) и ацетат аммония (0,147 г), добавляют воду (6,0 мл) и компоненты перемешивают до образования однородной формовочной массы. Формовочная масса имеет состав (вес. %): закись-окись урана - 28,2; диуранат аммония - 42,3; ацетат аммония - 0,7; вода - 28,7. Весовое отношение закиси-окиси урана к диуранату аммония равно 1:1,5; содержание ацетата аммония 1 вес. % от суммарного веса урансодержащих компонентов; влажность массы - 40 вес. % (от веса сухой массы). Формовочную массу выдерживают в течение 6 часов и гранулируют. Гранулы-сырцы сушат при 120°C и прокаливают в течение часа при 800 или 1000°C. Объемная плотность гранул закиси-окиси урана, прокаленных при 800°C, составляет 3,7 г/см, открытая пористость 58%, потеря массы при истирании 1,4%. Гранулы, прокаленные при 1000°C, имеют объемную плотность 4,2 г/см и открытую пористость 50%. Потеря веса при истирании 1%.