JPS6028768B2 - 四弗化ウランの製法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に、現在工業的規模で用いられているウ
ラニウム金属の酸化物から弗化ウラニウムを製造する方
法における重要な改良に関する。

該方法は１９５仏王６月１８日に出願されたフランス特
許第１，１０７，５９２号明細書及び追加特許第７２，
４４び号と追加特許第７４，２５９号の二つの特許明細
書中に開示されている。該方法に従って果たされるべき
目的は、ウラン鉄の鉱床から誘導される濃縮物を化学的
に処理することにより順次得られるＵ０３又はＵ３０８
のようなウラニウム高酸化物を、四弗化ウランに変換す
ることにある。

四弗化ウランは、金属、酸化物又は他の化合物の形の天
然ウラン又は濃縮ウランを基とする該燃料の製造にその
後用いられる中間生成物の構成要素である。該方法は二
つの連続する工程から成っている。

最初にＵ０３又はＵ３０８のようなウラン高酸化物をＵ
０２に環元し、そして次に同時的にＵ０２を弗化して最
終生成物としてＵＦ４を得る。最初の工程は、最高６０
０ｏ 〜７０ぴ○台の温度において、分解アンモニアに
より生じる該高酸化物に対する作用によって遂行される
。

得られる二酸化ウランは次に界化水素酸と綾解されそし
て下記の等式により一般的方法で記載することのできる
反応過程が生じる。Ｕ０２十４ｍ→皿４十が２０ 図１は、フランス特許第１，１０７，５９２号の第２番
目の追加特許第７４，２５９号明細書中に例えば記載れ
るように現在では標準的な実務となっている技術によっ
て前記二つの工程を連続的に遂行するための装置の概略
図である。

この図において、Ｕ０３又はＵ３０８のようなウランの
高酸化物の１種又は多種から実質的になる粒子は、０．
１５％の炭素，２５％のクロム及び２０％のニッケルを
含み残部が鉄と小量の添加物及び不純物から例えばなる
鋼鉄のような耐熱性金属の管２中にホッパー１を通じて
連続的に導入される。

この管２は、充填物を最大温度６０００ 〜７００ｏｏ
の間に加熱する役割を果たす電気炉３により外部加熱さ
れる。アンモニアガスが４の位置において管２の基低中
に注入されそして該管の中で充填物と向流して上方向に
通過する。該アンモニアは最初、既に形成された二酸化
ウランの冷却に貢献する役目を演じそして次に、充填物
と接触してその温度が上昇するに従って漸次分解する。
形成される発生期の水素がウラン高酸化物をＵ０２に還
元する。この最初の反応工程の全熱収支は負であり、こ
れは、炉３により熱を供給する必要があることを意味す
る。喉部８を通過し次に管２の底で放出される粒子はそ
のため実質的に二酸化ウランＵ０２からなっている。

該粒子は通路１０を通過してモネル（Ｍｏｎｅｌ，６３
内至６８％のＮｉ及び少量のＦｅ，Ｍｎ，Ｓｉ及びＣを
含み残部力むｕからなるＮｉ−Ｃｕ合金に関するＩｎｔ
ｅｒＭｔｉｏ岬１，ＮｉｃｋｅｌＣｏ，社の登録商標）
の管６中に侵入し、そこで、管７から導入されガス状で
向流状態で循環される発化水素酸と高温において接触さ
れる。

フランス特許第１，１０７，５９２号の前記第１及び第
２の追加特許明細書中に例えば記載されるように、管９
を通して窒素ガスのような中性ガスの注入がその中にな
される分離装置は、管２において導入または形成された
ガス状試薬と管５において導入または形成されたガス状
試薬とを混合する必要性を省略し、管５において導入ま
たは形成されたガス状試薬はオリフィス１１を通って放
出される。

これらの条件下において、前記等式で表わされるような
Ｕ０２の還元とＵＦ４の形成との結合した反応は著じる
しく発熱性である。しかしながら、管２の出口における
充填物の温度が非常に低い時にこれが管５中に装入され
る場合があるので、該反応を開始させるために該充填物
を加熱する必要がある場合もある。この加熱操作は炉６
によって行なわれる。反応が一旦開始した場合には、注
入されるガス状のＨＦのグラム当り５２別、カロリーに
相当する熱量が発生する。そのためＵ０２充填物の急速
な加熱を来たしそして装入帯城下部の短距離の部分にお
いては反応条件を逸脱する結果を招来しがちである。温
度が約６００午○を超えた場合、Ｕ０２粒子の急速な密
度上昇を生じそして低い侵透性を有するＵＦ４の表面層
が各粒子の周囲に形成され、それは該粒子の中心部にお
ける弗素化を実質的に妨げることが観察された。

これらの欠点を減少させるために、温度変化が箸じるし
い値で生じないことを確立するような方法で発生熱を管
５の管墜を通して除去できるような値に、管５の直径を
限定する必要があることが見し、出された。

この限定された直径は約２５仇奴を超えることがほとん
ど許容されない。さらに、多量の生成熱を除去するため
に、反応を開始させるのに役立つ炉６に、反応の開始後
冷却用流水を通すコイル１２のような冷却装置を装着す
る必要性も見し、出された。鞠中心部分は６００℃附近
の温度に加熱されるが反面周縁部分は完全な反応のため
には低く過ぎる温度となり得るので、前記技術は、該管
の横断面における非常に著じるしい異差を防止すること
ができない。これらの欠点の部分的矯正策を提供するた
めに、実質的な高さを有する反応帯城を提供すること及
びフランス特許第１，１０７，５９２号の最初の追加特
許明細書中に記載されているように、単純な取出の場合
に必要とされる取出ゥオームに比較し箸じるしく長い取
出ウオーム１３を提供することが必要である。このゥオ
ーム１３は、管５により放出される各粒子を混合するこ
と及び管１４を通じるガス状ＨＦの向流様注入と炉１５
による加熱とによって該各粒子の弗素化を完結すること
を可能にする。このようにしてなされた各種の改良にも
拘らず、ＵＦ４の約５０ｋ９／時間の製造率を超えるこ
とは可能ではなく、これは、急激に増大する需要を満た
すため、同一の装置を非常に多く設置することを必要と
なさしむであろう。

内部冷却装置を装着した箸じるしく大きい直径の反応管
を設立る可能性が我々によって熟考されたが、しかし、
比較的高温において充填物の機械的作用に晒らされまた
特に弗化水素酸の激しい腐食作用に晒らされる導管中を
冷却流体を循環することは簸かしくまた危険であった。

漏出の潜在的な危険性の理由により、充分な複合安定性
のある装置がそのため計画された。これら全ての問題を
著じるしく単純な方法で解決するために、我々は反応制
御のために弗化水素酸それ自身の使用に依存するという
思いがけない概念を起想した。

化学工業においてはこの酸はほとんど水溶液の形で用い
られている。この酸を本発明におけるように無水の状態
で用いる場合には、該酸が液体状態で存在している貯蔵
槽からガスの形で分配するのが好ましいことが見し、出
されている。

前記貯蔵槽は該液体上にガス状ＨＦの所望の圧力を得る
ように加熱されそして分配系に該ガスを通じる。弗化水
素酸は大気圧下で約２０ｑｏにおいて沸騰するので、こ
れは特別の困難を生じることはない。期待の目的を達成
するために、我々は、弗化水素酸を液体状態且つ非気体
状態で直接反応帯城において用いることを決心した。

遂に、弗化水素酸の非常に特徴的な性質を都合よく使用
すること、即ち低温においてその重合した状態で用いる
ことを達成した。実際、弗化水素酸を沸騰させた場合に
は、形成される蒸気は（ＨＦ）６の構造を有し、この蒸
気は温度の函数として徐々に解重合しそして約１００℃
において完全に解重合する。

２０午○附近におけるＨＦの蒸気はグラム当り約９７小
カロリーの熱を吸収する。

そのため、液体状態から解重合したガス状態に移行させ
るためには、弗化水素酸にグララム当り約４３の・カロ
リーの熱を供給する必要のあることが明らかである。こ
の数字は、ガス状のＨＦによるＵＱの全弗素化反応によ
って放出されるＨＦのグラム当り５２５小カロリーに匹
敵する。そのためガス状ＨＦが液体状のＨＦによって置
き換えられる場合には、反応の収支は極〈僅かの発熱性
となるであろうことは明らかである。如くして該液体状
態のＨＦの温度を非常に簡単に制御すること及び最適条
件の反応割合及び効率において反応が行なわれるように
保証するための反応管中における所望の温度態様を確立
することが可能となろう。反応帯域の実際の中心部にお
いてＨＦの蒸発及び解重合を行うことが実務上可能であ
る点が証明されることを条件として、高率の伝熱効果が
得られそして温度変化は減小しよう。如くして反応管の
流れの断面積を非常に実質的な広さに増大させること及
び従って、従来技術により設置された装置に比較して著
じるしく増大した生産性を有する装置を提供することが
可能である。下記の例中に本発明の実施の一例が記載さ
れる。

しかしこれは本発明に限定を与えるためのものではない
。添付図面を参照するに、図２は本発明による方法を実
務上適用するための変更が加えられた炉を表わし、ここ
で、反応の最初の工程、即ちウラン高酸化物の還元によ
るＵ０２の製造に関する部分は、識別可能な程度の変更
がなされていないので図面から省略されている。図３及
び図４は本発明の方法を利用することが可能な装置の詳
細を示すそれぞれ立面図及び平面図である。図中の最上
毅部に、Ｕ０３及びＵ３０８のようなウランの高酸化物
の還元が行なわれる管１６の下部端が示されており、次
に、該還元工程から得られ実質的に二酸化ウランに相当
する組成を有する粒子を通過させる接続部分１７が示さ
れている。該接続部分には、管１８から発し管１６の下
部区域に注入されるガスを分離するための慣用の装置が
設けられている。このような装置はフランス特許第１，
１０７，５９２号の二つの追加特許明細書中に記載され
ている。還元‐弗表化管１８は該接続部分のフランジに
慣用の方法で結合している。該管１８において、管１６
を通して供給される粒子は最初該接続部分を通過し、そ
して次に、約４０物岬の外径を有する管１８の内壁と約
１５０肋の内径を有する同心管１９の外壁との間に環状
に分配される。該管１９は下部端は開放しそして頂部は
好ましくは円錐形の漏れ防止キャップ２０‘こよって閉
鎖されている。該管はモネル（Ｍｏｎｅｌ）のような材
料製であり、この金属は最高６００ｏｏまでの温度に耐
えまた水蒸気と混合した液体状又はガス状のＨＦにより
形成される腐食性雰囲気に対して耐えることが可能であ
る。

管１８と管１９は、約１２び○の角度を保って設けられ
た、モネルの板状要素からなる三つの実質的に放射状に
位置する結合体２１によって互いに結合されている。該
板状の結合要素は垂直方向に約５０仇肋の距離にわたっ
て前記二つの管を熔接している。約８０仇肋の長さ及び
１０物吻の直径を有するシリンダー状のＨＦ貯蔵器２２
が管１９の内部に、１２０００の角度を置いて設けられ
た、モネルの板状要素２３からなる三つの放射状に位置
する結合体により同Ｄ円的に固定されており、該板状要
素は貯蔵器２２と管１９とを熔接している。最後に管２
４は外部貯蔵装置から得られる液体ＨＦを貯蔵器２２に
供給する役割を果たす。該炉が稼動する場合には、環状
に分配されて下方向に移動する充填物と向流的に流れて
上方向に通過するガス状弗化水素酸との間の反応は、グ
ラム当り５２乳・カロリー程度の強力な熱を放出する。
これは充填物を５０００ 〜６００ｑｏの範囲の温度に
加熱する結果をもたらす。このようにして生成された熱
の大部分は頚射及び伝導により内管１９と貯蔵器２２中
の液体ＨＦとに移動する。この熱はＨＦの蒸発、次に生
成した蒸気の解重合を連続的に生じ、該蒸気は管１９内
でその下部端に下方向に移動し、次に管１８と管１９と
の間に形成されている空間中を上方向に通過して、下部
方向に移動する粒子充填物と反応する。管１８の底部に
おいては、加熱炉２６を有するゥオーム２５と管２７を
介するガス状ＨＦの向流的な注入とからなる取出系は、
フランス特許第１，１０７，５９２号の最初の追加特許
明細書中に記載されるように、各粒子を混合しそして反
応を完結させる役割を果たす。上に記載したように、反
応の熱収支は液体ＨＦの使用がなされた場合には極く僅
かに正である。結果として液体状態で導入されるＨＦの
部分が多すぎる場合には、熱損失を制限するために管１
８を断熱するだけでなく、比較的低能力の電気炉２８の
ような慣用の手段によって該管を外部的に加熱すること
も必要になる。他の方法によって反応帯城の温度を保持
することが可能である。その方法は従って、管２４を通
して導入される液体状態のＨＦの量と、管２７を通して
導入されるガス状の量との割合を変化させることからな
る。この調整は当該技術分野の習熟者にとって公知の手
段によって、例えば、管１８と管１９との間の環状空間
内の温度を連続的に測定し、そして管２４と管２７との
間のＨＦ流の分配を制御するための系にこれを作用させ
て参照値からの偏差を修正することによって、行うこと
ができる。分配装置が液体状態でＨＦを供給する場合に
は、該ＨＦを蒸発させ解重合させるための加熱系は該分
配装置を管２７に接続するための導管上に設けなければ
ならない点に留意すべきである。反応帯城における温度
が低温すぎるようになった場合には、管１８における反
応の全熱収支を充分正にするような結果を伴なつて、こ
の方法において管２４における液体ＨＦの供給を減少し
管２７におけるガス状ＨＦの供給を増大させることが可
能である。これは結局、環状空間内で測定される温度を
上昇させる。反対に反対帯域内の温度が高温となり過ぎ
た場合には、調整装置は反対方向の作用を起こして管２
４における液体ＨＦの流れを増大させ管２７におけるガ
ス状ＨＦの流えを減少させる。この調整方法によって、
優れた安定性の操作を得ることが可能でありまた製品の
品質に関する高度の均一性を得ることが可能である。

前記の炉は時間当り４００ｋ９のＵＦ４を得る製造能力
、即ち、２５０伽の直径を有する従来の炉の能力の実質
的に８倍の能力、を有する。上に記載された例は本発明
利用の特別の一態様にすぎない。

反応帯城を冷却する目的のために液体の弗化水素酸を導
入することに関し、それによって、本発明の範囲を逸脱
することなく、該液体の酸を一つ又は多数の地軸こおい
て直接的に充填物との接触に導び〈ことが可能である。

この場合、同０円状の内管を省略することができ、軸部
区域則ち最も高温をもたらす区域に好ましくは向かう流
体弗化水素酸のジェットを確立し適当に分配されたスプ
リンクラー装置又は手段によって、該弗化水素酸を充填
物上に流動させることができる。その表面を液体の弗化
水素酸が移動するラッシッヒリングのような充填体で充
填された同じ円状の内管を用いることも可能である。

本発明の一般的な範囲から逸脱することなく、多くの代
替的な装置を案出することもできる。

【図面の簡単な説明】

図１は従釆技術の方法を実施するために用いられる装置
の概念図を表わし図２、図３及び図４は本発明の方法を
実施することのできる装置のそれぞれ概念図、詳細を示
す立面図及び平面図を表わす。 図中符号１はホッパー、２は管、３は電気炉、４は位置
、５は管、６は炉、７は管、８は喉部、９は管、１０は
通路、１１はオリフィス、１２はコイル、１３はウオー
ム、１４は管、１５は炉、１６は管、１７は接続部分、
１８は管、１９は管、２川まキャップ、２１は結合体、
２２は貯蔵器、２３は板状要素、２４は管、２５はウオ
ーム、２６は炉、２７は管、をそれぞれ表わす。ＦＩＧ
．ｌＦＩＧ．３ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス状の弗化水素酸とウラン酸化物との間の反応に
   よつて発生する熱からもたらされる温度上昇を、必要と
   される弗化水素酸を蒸発させるため及び少なくとも一部
   の蒸発分を解重合させるために該熱の少なくとも一部を
   用いて制限し、該蒸発分を液体状態において反応帯域又
   は該帯域の隣接域に導入することを特徴とする弗化水素
   酸及び反応の際に実質的に二酸化物の形で存在するウラ
   ン酸化物の反応による四弗化ウランの製造方法。 ２ 反応帯域又は該帯域の隣接域に液体状態で導入する
   弗化水素酸の量を変化させて反応温度を調整し、必要な
   補充分を気体状の弗化水素酸の形で導入する、前記特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 反応帯域により発生した熱によつて輻射及び／又は
   伝導により加熱する貯蔵器中に液体弗化水素酸を導入し
   、そのようにして伝達した熱の少なくとも一部を、蒸発
   、次に該酸をウラン酸化物と反応させる前の該弗化水素
   酸の少なくとも部分的な解重合により吸収する、前記特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ４ 弗化水素酸を液体状態において直接、１つ又は多数
   の地点でウラン酸化物の充填物に導びく、前記特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ５ 熱及びＨＦ及び／又はＨ＿２Ｏによる腐食に対して
   耐性のある材料の複数の垂直同心管を含み、該管は、二
   酸化ウランを含む環状域及び液体弗化水素酸供給器を装
   着した頂部開放型貯蔵器を設置する中心域を限定するよ
   うに配置されており、該中心域は、該貯蔵器から発散す
   る弗化水素酸蒸気が該環状域中に侵入しそして二酸化ウ
   ラン充填物と向流してそこを上方向に通過するようにそ
   の下部によつて該環状域と連結するように調整されてい
   ることを特徴とする弗化水素酸及び反応の際に実質的に
   二酸化物の形で存在するウラン酸化物の反応による四弗
   化ウランの製造装置。