铀转化浓缩技术报告
关键词（Key Words）：铀转化、浓缩、六氟化铀
目录
1 前言 ........................................................................................................................... 2 2铀性质 ........................................................................................................................ 2 2.1 三碳酸铀酰铵（AUC） ..................................................................................... 2 2.2 重铀酸铵（ADU） ............................................................................................. 3 2.3 氟化铀酰（UO2F2） ........................................................................................... 4 2.4 硝酸铀酰[UO2(NO3)2]......................................................................................... 5 2.5 三氧化铀（UO3） .............................................................................................. 6 2.6八氧化三铀（U3O8） .......................................................................................... 7 2.7二氧化铀(UO2) .................................................................................................... 8 2.8 六氟化铀（UF6） ............................................................................................. 11 3 转化浓缩工艺流程 ................................................................................................. 20 4 工艺过程描述 ......................................................................................................... 22 4.1 二氧化铀粉末制备 ........................................................................................... 22 4.2 四氟化铀制备 ................................................................................................... 27 4.3 天然六氟化铀制备 ........................................................................................... 28 4.4 六氟化铀浓缩 ................................................................................................... 29 5 关键技术分析 ......................................................................................................... 31 5.1 铀转化关键技术分析 ....................................................................................... 31 5.2 铀浓缩关键技术分析 ....................................................................................... 32 6 结论 ......................................................................................................................... 32 参考文献 ..................................................................................................................... 33
1 前言
随着核电的发展，对核燃料二氧化铀的需求量越来越大，这是由于二氧化铀具有很好的物理、化学性质，它的熔点高，辐照稳定性好，燃耗深，热膨胀系数小，对冷却介质呈现惰性，能很好地保留裂变气体，中子经济性较好等优点。并且UO2易加工成形，元件的后处理（酸溶解）也比较容易。现在，二氧化铀以块状、颗粒等形式已广泛地应用于压水堆、沸水堆、重水堆以及高温气冷堆。还可以UO2-PuO2的混合燃料的形式用于快堆和热堆。
绝大多数核动力反应堆都是采用不同浓缩程度的铀。所以六氟化铀是生产合乎要求的二氧化铀燃料的重要原料。
六氟化铀是由矿石开采、破碎、浸取、纯化、沉淀、煅烧、氟化等一系列过程后，最终制备的产物。铀的转化浓缩主要是以ADU或AUC为原料，经溶解、萃取纯化、ADU或AUC再次沉淀、干燥煅烧最后制备成二氧化铀或八氧化三铀粉末，经氢氟化、氟化后，制备成天然的六氟化铀，天然六氟化铀经铀浓缩，最后制备成所需235铀富集度的六氟化铀，供核电站用制造燃料组件。
2铀性质
2.1 三碳酸铀酰铵（AUC）
AUC称为“三盐”，是柠檬黄色晶体，属棱柱形的单斜晶系，AUC的比重为2.77，松装密度依制备方法和条件不同变动于1.0 g/cm3～1.5g/cm3，振实密度1.2 g/cm3～1.7g/cm3。
AUC的分子式为(NH4)4[UO2(CO3)3]，分子量522.2。在47.05℃时的比热为0.240卡/克?度。生成热H2980 = -856千卡/克分子，标准熵S2980 = 154卡/克分子?度。热容关系式为：
Cp=128.30+16.84×10-3T-7.54×105T-2
碳酸铀酰络离子的铵盐溶液因pH的变化，存在五种组成不同的中间产物，直至pH达到8～9时，才生成CO32-:UO22+=3:1的三碳酸铀酰铵。
AUC在水中的溶解度随温度直线增大，但也有试验表明，40℃以前，AUC的溶解度随温度的上升而增大，温度继续升高，AUC在溶液中不稳定，部分地分解成不溶性的碳酸铀酰，出现随温度增高而溶解度降低的现象。
(NH4)4[UO2(CO3)3]===UO2CO3↓+2H2O+2CO2
若在AUC水溶液中存在其它铵盐，如(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4NO3等，由于同离子效应会使AUC的溶解度下降。
在密闭状态下，AUC能长时间保持稳定。在空气中，该晶体缓慢分解，加热时，分解加速。在空气中AUC热分解的差热热重曲线表明，160℃时AUC开始显著分解，到350℃左右全部分解为UO3，反应式为：
(NH4)4[UO2(CO3)3]===UO3+4NH3+3CO2+2H2O
有些人认为，UO3可稳定至410℃，若再升高温度，它将向U3O8转化。 AUC热分解是一个强烈的吸热反应。用粗晶体和细晶体两种AUC做它的热分解动力学试验，粗晶体尺寸为：轴向2mm～3mm，径向0.3mm～0.5mm，细晶体为200目，结果表明，AUC的热解属一级反应，热解速度很快， 500℃时达99%的分解率只需要11～21秒钟。
在密闭的条件下， AUC晶体在170℃开始显著分解，至385℃全部转化为UO3，385～460℃时UO3重结晶，而后生成U3O8，至620℃时还原为UO2。
(NH4)4[UO2(CO3)3]===UO2+2N2↑ +3CO2↑+5H2↑+3H2O
2.2 重铀酸铵（ADU）
它是铀生产工艺中比较重要的的重铀酸盐之一。研究表明，它的组成很复杂，且和沉淀条件（如pH值等）有关。
ADU的分子式习惯以(NH4)2U2O7表示，但该化合物几乎不存在。在ADU的组成中，NH3/U通常为0.7。ADU颜色呈黄色，它的颗粒形态呈薄片状，并堆积成较大的团块。较大的晶体是长板状单晶，不规则的小片晶体常常是多晶体。它的晶体尺寸在0.1～0.2μm之间(也有0.03μm的报道)。这些小晶体一层一层地堆积起来，形成结合较牢固的一次团块，一次团块尺寸在零点几微米到几个微米。许多一次团块又粘连成为松散的二次团块，其尺寸可达几十微米。所以说，在ADU沉淀中由小晶体组成一次团块，再由一次团块组成二次团块，总称为ADU颗粒。
由于一次团块结合比较牢固，如不经破碎处理，甚到能保留到烧结后的芯块中，所以一次团块性质特别重要，有时所说的ADU颗粒团块大多指一次团块，因为二次团块极松散，甚至在制备金相样品时都会将它破坏。
ADU是制备UO2、UO3、U3O8等铀氧化物的重要中间产物，能溶解于常见
的酸，工业上多使用硝酸进行溶解：
(NH4)2U2O7+4HNO3===2UO2(NO3)2+2NH4NO3+2H2O +1/2O2
2.3 氟化铀酰（UO2F2）
无水氟化铀酰呈淡黄色，低于150℃时，是一种细软如丝的针状物。150～240℃，晶体有长大呈颗粒的倾向。晶体呈菱形结构，每个晶胞含有一个化学式单位，a=5755?，α=40°47ˊ。X射线测得的密度为6.3g/cm3，松装密度为2.55 g/cm3～2.95g/cm3。
在32℃的生成热等于391.4千卡/克分子。
UO2F2易溶于水，在H2O-HF溶液中，UO2F2的溶解度随HF浓度增加而显著下降。见表2-1、表2-2。在32℃的溶解热为8.10±0.01千卡/摩尔。已经发现有a、β、γ三种不同晶体形态的氟化铀酰二水合物UO2F2?2H2O。
表2-1 UO2F2在水中的溶解度
温度（℃） UO2F2（%wt） 1 61.4 25 65.6 60 71.0 100 74.1 表2-2 25℃下UO2F2在H2O-HF溶液中的溶解度
HF(%wt) UO2F2(%wt) 0.00 65.55 1.28 47.58 3.59 39.78 9.78 32.25 11.88 31.88 20.70 22.29 25.75 18.19 32.15 1.4 UO2F2水溶液的电导率测定表明，它是一种很弱的电解质。它在水溶液中的解离很复杂。在空气中，UO2F2稳定至300℃，更高的温度下要发生热分解。有可能发生反应：
4UO2F2===UF4+U3O8+2F2
UO2F2===UO2+F2 3UO2F2===2UO2+UF6+O2 2UO2F2===UO2+UF4+O2 3UO2F2===2/3U3O8+UF6+1/3O2
UO2F2与H2有如下反应：
UO2F2+H2===UO2+2HF
有人曾在450℃～700℃范围和在700℃～850℃范围，粗略地研究过该反应，发现其反应速度随温度提高而增大。