硝酸铀酰的应用

发布日期:2020/10/22 21:04:06

【背景及概述】^[1][2]

硝酸铀酰，英文名称为Uranium nitrate，中文别名为硝酸双氧铀，CAS号为36478-76-9，分子式为H₂N₂O₈U，用作分析试剂、氧化剂及影片着色剂，是一种化工中间体。我国核燃料元件制造的主要工艺流程为陶瓷二氧化铀粉末制备、芯块制备和组件制造等。对于压水堆燃料元件、重水堆燃料元件、高温堆燃料元件和动力堆燃料元件等的生产过程中，不可避免的要产生一些含铀废料，含铀废料的回收首先煅烧为U₃O₈，而后硝酸溶解制取硝酸铀酰溶液，再经沉淀分离、干燥还原制得二氧化铀粉末；另外，高温堆燃料元件生产过程中，主工序UF₆制备二氧化铀微球过程中，也需要将U₃O₈在硝酸中溶解，制备硝酸铀酰水溶液，硝酸铀酰的物理性质直接影响溶胶液的物理性质，间接影响UO₂微球的烧结性和球形度，溶解操作是制备合格UO₂核芯关键步骤；因此，物料溶解制取合格的硝酸铀酰溶液是含铀废料回收和高温堆UO₂核芯制备的关键步骤之一。

【应用】^[1][2]　

硝酸铀酰可用作分析试剂、氧化剂及影片着色剂，可用于制备三氧化铀等铀氧化物。在核燃料生产领域中，U₃O₈、UO₃和UO₂是三种重要的、具有实用价值的铀氧化物。其中，UO₃作为铀纯化生产过程中的中间产品，其制备技术在核燃料循环过程中占有十分重要的地位。目前，在国内外铀纯化技术领域中，UO₃的制备工艺可分为UNH(UNL)法、ADU法、AUC 法三种。UNH(UNL)法与ADU、AUC法相比具有明显的优点。ADU、AUC法在生产过程中都会产生沉淀母液或结晶母液，产生大量的废水，处理废水又产生大量的固体废物。而UNH(UNL)法因具有不消耗任何试剂，脱硝产生的工艺气体可直接回收成硝酸，返回生产系统使用，所以基本不产生废水、固体废物。因此，在规模化的UO₃生产中，UNH(UNL)法得到普遍关注和重视，工艺技术已为国外多数铀纯化生产厂所采用，代表着国际铀纯化产业的一种先进发展方向。工业上采用的方法是沉淀法(湿法)或硝酸铀酰直接脱硝法(干法)。湿法存在试剂消耗量大，需要大量的设备和管线、工序较多、操作繁琐，并且难以实现自动化和远距离控制，废液量大等严重缺点。干法中常用的流化床法易出现“床振”、料块、“湿床”、喷嘴堵塞和喷嘴处结疤等现象，影响产品质量和设备的正常运行，废气量大，废气载带易造成粉末的损失。微波脱硝法是一种新型的脱硝方法，通过物质内部的介电损耗进行加热，实现整体加热，加热均匀、快速。可在一个容器内完成溶液的蒸发、浓缩、直接脱硝并生成氧化物；工艺流程短，不引入任何试剂，废液量少，损失小即一个容器，物料不易损失，制得产品的活性高。另外微波脱硝工艺流程简单，操作单纯，易于控制。

应用举例如下：一种微波加热硝酸铀酰溶液生产三氧化铀的方法，包括以下步骤：

1）输送硝酸铀酰溶液原料：将硝酸铀酰溶液通过泵输送至微波谐振腔内的脱硝容器中；

2）硝酸铀酰溶液沸腾蒸发、浓缩：打开微波电源，设置微波功率，对步骤(1)送入到脱硝容器中的硝酸铀酰溶液加热，控制硝酸铀酰溶液温度不高于110℃～130℃，硝酸铀酰溶液沸腾蒸发、浓缩，蒸发过程中的蒸汽冷凝回收；

3）硝酸铀酰分解脱硝：步骤(2)的硝酸铀酰溶液完全加入到脱硝容器后，调节微波功率，控制物料温度不超过230℃～250℃，使硝酸铀酰分解脱硝，分解过程中产生的氮氧化物气体酸洗回收；

4）停止微波加热：将步骤(3)中分解脱硝后的物料，在温度250℃的恒温条件下维持10min，停止微波加热；

5）将物料放入马弗炉：将步骤4)的物料冷却后，取出放入到马弗炉中，在温度350℃下，稳定2～4h；

6）球磨制粉：将步骤(5)马弗炉中的物料稳定取出、冷却后，将脱硝容器取出，加入研磨球，物料密封后，放入球磨机中，进行球磨制粉；

7）制得三氧化铀粉末：步骤(6)脱硝物料制粉后，取出、封装，得到粉末状三氧化铀产品。

【固液分离方法】^[3]

1. 静置沉降过滤法

在重水堆核燃料元件制造过程中，最初采用国产U₃O，粉末为溶解原料，经浓硝酸溶解后所得硝酸铀酞溶解液呈亮黄色，静置沉降24 小时以上，经过平板过滤器过滤后，即可作为下一工序的原料。在该方法处理溶解液的过程中，基本实现了密闭操作，具有较好的现场操作环境。但是，为保证生产的连续性，需要安装多个沉降槽，配套相应的真空、压空系统，扬液器及通风设备，涉及的设备数量较多，且仅适用于酸不溶渣含量较低且易沉降的原料。

2. 絮凝沉降法

采用国外U₃O，粉末为原料时，经浓硝酸溶解后所得硝酸铀酞溶解液呈棕红色、混浊状且含有的大量悬浮物不易自然沉降。采用静置沉降过滤法不能得到以往的清亮溶解液，无法满足后序岗位的要求。针对这种情况，对此种硝酸铀酞溶解液进行絮凝，絮凝后静置沉降一定时间，用滤布及滤纸过滤后所得溶解液能满足后序要求。该方法解决了溶解液中不易自然沉降的悬浮物难题，使处理后的溶解液满足工艺要求。但过滤速度比以往慢很多，过滤后的酸不溶渣量较以前多很多，且渣中的水分和铀含量都较大，这给渣的存储带来很大不便。在过滤过程中还需定期的除掉滤布上的滤渣，给操作和环境带来影响。此方法另一方面的缺点是加入的絮凝剂经过一段时间后在萃取塔中沉积下来，需要定期的洗塔和及时抽取出萃取污物，以保证萃取的稳定运行。

3. 离心分离法

以国外U₃O₈ 粉末为原料的硝酸铀酞溶解液，在固液分离处理方面给工艺带来很大不便。为解决这一难题，我单位经过大量的工艺试验、设备调研及选型，最终选用高速管式离心机作为硝酸铀酞溶解液固液分离设备。处理该溶解液时，将管式离心机的重液口关闭，只留有中央轻液溢流口，固体在离心力场下沉积于离心机转鼓壁上，达到一定数量后，停机人工清除。溢流出的清液可以直接作为萃取原料，且沉积的渣中水分含量较絮凝沉降法少很多，在一定程度上减轻了渣的存储困难，也简化了生产工艺。