一种制备单相锕系元素盐的方法及其制备装置与流程

一种制备单相锕系元素盐的方法及其制备装置
1.本发明涉及核能领域，尤其是一种制备单相锕系元素盐粉末的方法，该粉末用于制造核燃料芯块的前体。
2.已知多种从溶液合物中通过共沉淀法工业制备单相锕系元素盐粉末的方法，例如草酸盐、聚尿酸盐或碳酸盐。所有的方法包括过滤、滤饼洗涤，随后在适当的气氛中干燥沉淀物[collins,emory d,voit,stewart l,and vedder,raymond james《evaluation of co
‑
precipitation processes for the synthesis of mixed
‑
oxide fuel feedstock materials》,united states:2011,web.doi:10.2172/1024695]。沉淀法的共同缺点是形成大量需要处置的以放射性废物为形式的母液和洗涤溶液。
[0003]
为了排除这些缺点，已开发了一种通过微波加热直接干燥和锕系元素硝酸溶液脱硝的方法。[oteruhiko numao,hiroshi nakayashiki,nobuyuki arai,susumu miura,yoshiharu takahashi《results of active test of uranium
–
plutonium co
‑
denitration facility at rokkasho rуprocessing plant》,global 2007,boise,idaho,september 9
‑
13,2007,238
‑
244]。
[0004]
该方法包括下列连续操作：
[0005]
1、浓缩混合溶液并在120℃温度下干燥。
[0006]
2、熔融盐在150℃时分解(脱硝)。
[0007]
3、250℃及以上的残余水分的煅烧和蒸馏。
[0008]
4、煅烧混合物及其氧化
[0009]
该方法的缺点是其多级，需要将带有混合物的容器从一个炉子移到另一个炉子，并且需要对所得的热料进行额外的研磨。
[0010]
作为原型选择一种制备锕系元素固溶体的方法[ru2494479,公布日期：2013年9月27日]。根据该方法，硝酸锕系元素硝酸溶液预先加热至90℃，然后以适当的比例添加甲酸，使硝酸根离子/甲酸的摩尔比为(1：3)
‑
(1：4)。将反应混合物在120℃下在空气中逐渐干燥2小时。通过x射线荧光分析方法进行的分析证实了锕系元素甲酸酯(铀酰和钚)的单相混合物的形成。根据x射线荧光分析数据，在400℃下煅烧了甲酸盐的混合物后，得到混合氧化物(u，pu)o2的固溶体。
[0011]
原型方法的缺点包括锕系元素硝酸溶液与浓甲酸在高温下预先混合和保持的危险。其互动按照下列流程图进行：
[0012]
2hno3+2hcooh
→
no+no2+2co2+3h2o
[0013]
2hno3+3hcooh
→
2no+3co2+4h2o
[0014]
由于这种反应的自催化性质，会发生过程不可控制的发展，导致爆炸性气体混合物的生成，结果，在混合各组分之后，反应混合物的干燥过程须平稳地进行长达2小时，使得该方法变成周期性的且其效率低。
[0015]
该发明指向解决的技术问题在于创造一种方法和装置来制备单相锕系元素盐干粉末，使得在装置的紧凑性和简单性的条件下制备锕系元素盐干粉末，同时提高该工艺的生产率，化学和核安全性。
[0016]
为了达到指定的技术效果，提出了一种制备单相锕系元素盐干粉末的方法，该方法包括供将含锕系元素硝酸溶液和甲酸装进到圆筒形的加热反应器中、研磨所得粉末、将其卸载，其特征在于，将含锕系元素硝酸溶液和甲酸连续分量加入到反应器的上部区，反应物的混合发生在热交换表面上的薄膜中，在此反应混合物被转子叶片不断地搅拌，此时，依次进行过脱硝、相应化合物的形成、其干燥和研磨的过程，以及将干锕系元素盐在重力下收集到料斗。
[0017]
根据该防范，含锕系元素的硝酸溶液与甲酸按硝酸根/离子和甲酸/离子的摩尔比为(1：4.3)
‑
(1：4.5)连续分量，并将热交换表面的温度保持在140
±
5℃。
[0018]
此外，为了得到该技术效果，提出了一种制备单相锕系元素盐干粉末的装置。该装置包括一个立式旋转薄膜反应器，该反应器配备有加热器和用于注入试剂和去除蒸汽
‑
气体相的接头，反应器内部有一个可以旋转的转子，其叶片沿其整个长度固定安装。试剂接口制成为t字形式，接收料斗则带有连接到设备主体的可能性，以减少设备内部的冷空气吸入，并配有加热器。
[0019]
此外：
[0020]
·
转子焊接有四个叶片，叶片边缘与壁之间的间隙为0.5
‑
1.5mm；
[0021]
·
加入溶液t字形接口和用来排除蒸汽
‑
气体混合物接头配置在反应器的上部，叶片边缘上方。
[0022]
为了实现该方法使用图1所示的核安全和爆炸安全装置，该装置包含一个由加热器(2)加热的立式圆柱形反应器(1)、一个用于分别供应溶液的t字形接头(3)和一个用于去除蒸汽
‑
气体混合物的接头(4)。反应器(1)包括带有分配盘和叶片的转子(5)、装有加热器(7)的接收料斗(6)。
[0023]
使用制备单相锕系元素盐提出的方法及其制备装置的方法保证下列优点：
[0024]
试剂在热处理条件下，并连续分量加入，停留时间短，同时深度蒸发至干，其结果是提高生产效率和过程安全性；
[0025]
装置结构的紧凑性和简单性必要时允许其解开来进行呃逆不表面的观察和洗涤；
[0026]
在扩大工艺规模、使用锕系元素含量高的溶液时，通过最小化设备内部薄膜中的核材料含量，从而确保核安全。
[0027]
该方法按照下列妇女更是被实现的：
[0028]
将含锕系元素的硝酸溶液和甲酸通过分量泵经设置在加热器(2)上方的接头(3)分别加入反应器(1)的转子盘(5)上。转子(5)旋转时，在离心力的作用下，反应混合物从转子盘掉到反应器(1)的加热表面上。转子叶片(5)在沿热交换表面从上到下移动时不断搅拌反应混合物，使锕系元素干盐在重力作用下收集在配备有加热器(7)的料斗(6)中，并把蒸汽
‑
气体混合物通过接头(4)从反应器中(1)排除。
[0029]
实例1
[0030]
在室温下，将1mol hno3铀浓度为100g/l的硝酸铀酰溶液和浓甲酸溶液分别通过分量泵经t字形接头分别加入反应器中，此时，硝酸根
‑
离子/甲酸的摩尔比为1：3.6。反应器壁上的温度为142℃，接收料斗壁上的温度为145℃。粉末均匀地倒入接收料斗中。根据x射线荧光分析，该粉末由两种结晶相组成：50重量％的甲酸水合物(ch2o5u)和50重量％的甲酸水溶液(c2h2o6u
·
h2o)。根据实例1所得来的粉末衍射图显示在图2，图中：
●
与ch2o5u结构的
化合物；
■
与c2h2o6u
·
h2o结构的化合物。
[0031]
实例2
[0032]
在室温下，将1mol hno3铀浓度为100g/l的硝酸铀酰溶液和浓甲酸溶液分别通过分量泵经t字形接头分别加入反应器中，此时，硝酸根
‑
离子/甲酸的摩尔比为1：4.0。反应器壁上的温度为140℃，接收料斗壁上的温度为130℃。粉末均匀地倒入接收料斗中。根据x射线荧光分析，该粉末由两种结晶相组成：20重量％的甲酸水合物(ch2o5u)和80重量％的甲酸水溶液(c2h2o6u
·
h2o)。根据实例2所得来的粉末衍射图显示在图3，图中：
●
与ch2o5u结构的化合物；
■
与c2h2o6u
·
h2o结构的化合物。
[0033]
实例3
[0034]
在室温下，将1mol hno3铀浓度为100g/l的硝酸铀酰溶液和浓甲酸溶液分别通过分量泵经t字形接头分别加入反应器中，此时，硝酸根
‑
离子/甲酸的摩尔比为1：4.3。反应器壁上的温度为140℃，接收料斗壁上的温度为160℃。粉末均匀地倒入接收料斗中。根据x射线荧光分析，该粉末由100重量％的甲酸水溶液(c2h2o6u
·
h2o)组成。根据实例3所得来的粉末衍射图显示在图4，图中：
■
与c2h2o6u
·
h2o结构的化合物
[0035]
实例4
[0036]
在室温下，将0,845mol hno3铀浓度为91,1g/l,，钍浓度为9,0g/l的硝酸溶液和浓甲酸溶液分别通过分量泵经t字形接头分别加入反应器中，此时，硝酸根
‑
离子/甲酸的摩尔比为1：4.5。反应器壁上的温度为142℃，接收料斗壁上的温度为160℃。粉末均匀地倒入接收料斗中，并根据x射线荧光分析，该粉末具有甲酸水结构和公式为(c2h2o6u(u,th)
·
h2o)。根据实例4所得来的粉末衍射图显示在图5，图中：
■
与c2h2o6u
·
h2o结构的化合物。