Способ и устройство для получения топливных частиц

Способ и устройство для получения топливных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Описание

Изобретение относится к способу получения сферических топливных частиц или частиц воспроизводящего материала размером предпочтительно в интервале от 300 мкм до 800 мкм, в частности, для получения частиц из оксида урана, и/или карбида урана, и/или содержащего уран смешанного оксида и/или смешанного карбида путем выделения по каплям заливочного раствора, содержащего нитрат уранила, в аммиачную осадительную ванну для образования микросфер, старения и промывки полученных так микросфер в растворе аммиака, сушки, а также термообработки. Кроме того, изобретение относится к устройству для получения сферических топливных частиц и/или частиц воспроизводящего материала, содержащему осадительную ванну, участок старения, промывочную установку и устройство термической обработки для сушки и прокаливания, а также перегрузочные устройства для произведенных при получении микросфер и образованных из них частиц.

В процессе осаждения геля, называемом внешним гелеобразованием, образуется нерастворимый диуранат аммония (ADU), а также водорастворимый нитрат аммония как побочный продукт. Другие добавки в заливочный раствор, такие, как тетрагидрофуриловый спирт (THFA) и при необходимости мочевина, также должны вымываться из гелевых шариков ADU при промывке аммиачной водой.

В качестве уровня техники следует назвать, например, следующие публикации, которые относятся к образованию капель на воздухе, предварительному упрочнению капель в газообразном аммиаке и сбору микросфер в аммиачной осадительной ванне: DE-B-2037232, DE-B-1817092, DE-B-2459445, DE-B-2601684, DE-B-2922686, DE-A-2714873.

В публикации NUCLEAR TECHNOLOGY, Vol.42 (02.1979), p.163-171 "Preparation of Uranium Kernels by an External Gelation Process" обобщается способ EGU (External Gelation of Uranium - внешнее гелеобразование урана) и установка для ядерных исследований Jülich в целях получения частиц оксида урана или карбида урана диаметром до 0,3 мм из регенерированного урана-233 в горячих камерах.

Публикация в Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.41, No.9, p.943-948 (сентябрь 2004) "Preparation of UO₂ Kernel for HTR-10 Fuel Element" описывает получение частиц UO₂ способом осаждения геля путем внешнего гелеобразования.

В известных процессах осаждения геля проводятся в основном следующие технологические этапы:

- гелевые микросферы плюс аммиачная осадительная ванна,

- перенос микросфер в осадительную ванну,

- старение в растворе для старения,

- промывка аммиачной водой до заданного конечного значения,

- перенос микросфер в промывочном растворе до сушилки,

- отделение микросфер на сушилке и

- дополнительная обработка сухих частиц.

Правда, кинетика массообмена и динамика отдельных технологических этапов для образования однородных частиц без разрывов и трещин не принимается во внимание в достаточной степени.

При получении мелких частиц с конечным диаметром порядка 200 мкм кинетика массообмена играет не такую большую роль, как при частицах с конечным диаметром 500 мкм и больше, когда конечный объем более чем в 15 раз выше. Это имеет решающее значение для сохранения сферической формы прежде всего в области получения гелевых микросфер химической реакцией, а также на следующих процессах усадки в осадительной ванне, при старении, промывке и сушке.

Большое число протекающих в осадительной ванне кинетических реакций и изменения концентраций могут вызвать определенное ухудшение качества продукта. Введение по каплям заливочного раствора, не содержащего аммиака, ведет к разбавлению по аммиаку и одновременно к повышению концентраций нитрата аммония и вспомогательных веществ, как THFA и мочевина. При непрерывном режиме работы требуется применение равновесных аммиачных осадительных ванн, чтобы гарантировать неизменно хорошее качество продукта.

Однако при прежних обработках гелевые микросферы отводились вместе с большой частью осадительной ванной, и лишь после этого осадительную ванну отделяли и возвращали.

В результате промывки состаренных микросфер аммиачной водой удаляются водорастворимые вещества нитрат аммония и вспомогательные вещества, как тетрагидрофуриловый спирт (THFA) и мочевина. Обычно этот рабочий этап проводится последовательно в не допускающем критичности вращающемся плоском баке, причем микросферы приводятся в движение вместе с аммиачной водой. Этот процесс повторяется несколько раз, пока не будет достигнут желаемый результат промывки.

Следующим технологическим этапом, на который часто не обращается достаточного внимания, является динамика при переносе микросфер, что касается равномерной обработки всех частиц. Даже при сушке микросферы могут усаживаться по-разному и принимать чашевидную структуру или расплющиваться.

Качество топливных частиц должно отвечать ряду требований, с одной стороны в отношении их дальнейшей переработки в частицы с покрытием и графитовые тепловыделяющие элементы, а с другой стороны в отношении хороших характеристик облучения в реакторе.

В качестве спецификации для полученных топливных частиц требуется:

- твердость и прочность на истирание,

- узкий диапазон диаметров при малом стандартном отклонении,

- почти идеальная сферическая форма,

- одинаковая структура и пористость всех индивидуальных произведенных частиц при высокой плотности и точном химическом составе.

При получении крупных частиц с конечным диаметром от 300 мкм до 800 мкм и больше, в процессе осаждения геля дополнительно используется органическое вспомогательное вещество поливиниловый спирт (PVA) в форме водного раствора, который при осаждении урана образует продукт присоединения с образованным ADU. ADU термически разлагается на воздухе с образованием UO₃. В таком процессе прокаливания PVA также улетучивается при температурах выше 300°C.

Чтобы очистить сферические ядерные частицы, согласно документу DE-A-2757602 применяется противоточный промыватель в форме каскадного промывателя.

Согласно JP-A-06191851, в печи с горячим воздухом шарики диураната аммония располагают на поддонах и прокаливают для получения частиц UO₃.

В основе настоящего изобретения стоит задача так усовершенствовать способ и устройство указанного во введении типа, чтобы учесть особенности химии урана, в частности, для частиц диаметром в диапазоне от 300 мкм до 800 мкм, чтобы они подходили для непрерывного процесса получения при неизменно высоком качестве частиц.

Согласно изобретению, в отношении способа задача решена в основном тем, что микросферы из осадительной ванны отделяют в первом сепараторе и для старения проводятся в аммиачный раствор для старения, тем, что микросферы с помощью перегрузочного устройства передаются от раствора для старения в многоступенчатый каскадный промыватель, в котором микросферы отмываются по меньшей мере от нитрата аммония, и тем, что после сушки микросфер они прокаливаются во время термообработки, будучи распределенными в монослое, причем время контакта микросфер с жидкостью осадительной ванны до ввода в раствор для старения для каждой микросферы одинаково или почти одинаково.

В частности, благодаря первому сепаратору достигается, что для всех сформированных в виде капель (отлитых) частиц соблюдается равный промежуток времени между образованием в осадительной ванне и сбором в аммиачном растворе для старения. Согласно изобретению, тем самым сепаратор удовлетворяет условиям для всех гелевых микросфер: образование в равных условиях, транспортировка при химическом равновесии с осадительной ванной и сбор в аммиачном растворе для старения.

При этом сепаратор имеет, в частности, дно, состоящее из круглого, плоского пробивного сита из высокосортной стали, над которым медленно вращается разделенный на сектора металлический цилиндр, открытый сверху, а снизу плотно посаженный на дно сита. При этом дно сита может быть выполнено особым способом травления, причем диаметр сита, то есть размер ячеек должен лежать в диапазоне от 300 мкм до 500 мкм. Гелевые микросферы вместе с жидкостью осадительной ванны дозированно вводят с помощью шлюзовой системы ниже осадительной ванны, то есть разливочной установки, в один из секторов сепаратора, затем перемещают дальше от позиции к позиции, чтобы в последней позиции вращения, прежде чем произойдет новое наполнение, спускаться по каналу, такому, как труба, чтобы подаваться в аммиачный раствор для старения.

Благодаря пробивному ситу в сепараторе транспортирующая жидкость осадительной ванны проходит через эти отверстия. Это прохождение или стекание по каплям происходит в каждой позиции перед передачей в раствор для старения. Если имеется шесть секторов, жидкость проходит через 5 позиций секторов. Затем прошедшая через пробивное сито жидкость осадительной ванны возвращается в контур осадительной ванны.

В частности, предусмотрено, чтобы аммиачный раствор для старения регулировался так, чтобы находиться в равновесных условиях по отношению к, по меньшей мере, нитрату аммония, содержащемуся в микросферах. Это должно иметь место также по отношению к имеющимся в микросферах вспомогательным веществам, как THFA или мочевина.

Условие равновесия означает, что отдельные микросферы имеют одинаковые соотношения между концентрациями отдельных компонентов, причем, разумеется, сами концентрации отдельных компонентов могут отличаться друг от друга. При прохождении через участок старения концентрации также снижаются. Отношения концентраций компонентов между собой по существу сохраняются. Обмен компонентами с раствором для старения протекает таким образом, чтобы концентрация компонента падала в требуемом диапазоне, чтобы достичь желаемой усадки микросфер в растворе для старения. Благодаря равновесным условиям гарантируется, что сферы после выхода из раствора для старения будут иметь одинаковый или почти одинаковый диаметр.

На участке старения происходит равномерный обмен компонентов с раствором для старения, причем в конце участка старения концентрации по меньшей мере THFA, NH₄NO₃ и NH₄OH соответствуют концентрациям в растворе для старения. Если имеется мочевина, это справедливо также и для этого компонента.

В частности, аммиачный раствор для старения составляется так, чтобы происходил обмен максимум 15 масс.%, в частности, от 10 до 15 масс.% THFA с H₂O. Это благоприятствует усадке микросфер.

Если микросферы передать от сепаратора в раствор для старения, находящийся при комнатной температуре, то затем он нагревается до температуры T1, причем предпочтительно 60°C≤T1≤80°C, чтобы затем в течение времени t, причем предпочтительно 50 мин≤t≤70 мин, микросферы старятся при температуре T1. Затем, то есть через период времени t, раствор для старения доводят до комнатной температуры и тем самым микросферы также охлаждают, и микросферы извлекают. Нагрев и охлаждение раствора для старения могут проводиться с по меньшей мере одним теплообменником.

После старения микросферы через, в частности, второй сепаратор, который может иметь такую же конструкцию, как первый сепаратор, проводят на каскадный промыватель, который содержит несколько ступеней промывки. При этом промывочный раствор таким образом протекает через ступени промывки, чтобы микросферы на каждой ступени находились в основном в состоянии взвеси.

Предпочтительно применяется семиступенчатый каскадный промыватель, содержащий семь контуров циркуляции с разными концентрациями промывочного раствора, т.е. воды с разными содержаниями нитрата аммония, THFA, мочевины, гидроксида аммония.

Кроме того, имеется насос-дозатор для слабоаммиачной ультрачистой воды, которая течет снизу вверх через каскадный промыватель и при этом концентрируется.

Таким образом, во-первых, через каскадный промыватель снизу вверх через ступени промывки течет ультрачистая вода, сначала слабоаммиачная. Во-вторых, имеет место перекачивание на каждой ступени каскада, где всякий раз имеется неизменный состав промывочного раствора.

Протекающим в контуре циркуляции промывочным раствором устанавливается скорость осаждения и тем самым время пребывания микросфер на отдельной ступени каскада.

На отдельные ступени промывки каскадного промывателя промывочный раствор подается предпочтительно через имеющийся в дне воронки промывочной ступени кольцевой зазор, просвет которого можно изменять. Благодаря этому можно осуществить весьма тонкую дозировку, то есть установку скорости течения промывочного раствора, чтобы удерживать, как упоминалось, микросферы в достаточной степени в виде взвеси, то есть можно задавать скорость осаждения.

После промывки микросфер их можно высушить в конвейерной печи, такой, как конвейерная печь, и затем прокалить. Сушка может проводиться на воздухе при температуре до 120°C. Через сушильную печь промытые микросферы могут транспортироваться на ситовой ткани. Для этого микросферы с помощью подающего хобота подаются по существу в один слой, причем подающий хобот должен контролируемо возвратно-поступательно перемешаться по ленточному транспортеру. Так как применяется ситовая ткань, распределенная вместе с микросферами ультрачистая вода может вытекать, собираясь под ситовой тканью, и при необходимости снова использоваться в каскадном промывателе.

Чтобы при сушке предотвратить слипание микросфер, называемых мокрыми частицами, можно добавлять в аммиачную ультрачистую воду небольшое количество водорастворимого жирного спирта, например, 0,5 г Lutensol A8 на литр чистой воды, или другой детергент.

Затем высушенные частицы отсасывают с ленточного транспортера посредством разрежения, например, отсасывающим хоботом, чтобы вслед за этим прокалить. Для этого высушенные частицы можно сначала отделить в циклоне и собрать в накопительном резервуаре.

Альтернативно, в конвейерной печи может проводиться как сушка, так и прокаливание. В зависимости от этого прокаливание при транспортировке через какую-либо или эту конвейерную печь должно проводиться так, чтобы сначала высушенные частицы ввести в металлические поддоны в виде монослоя, чтобы обеспечить очень хороший теплоперенос при экзотермической реакции, причем ADU и присутствующий как вспомогательное вещество PVA термически разлагаются с образованием частиц UO₃, тогда как NH₃, CO₂ и водяной пар отводятся как компоненты отходящего воздуха.

Распределение высушенных частиц на металлических поддонах можно осуществить с помощью дозирующего устройства, предпочтительно с применением подающего хобота, через который устанавливается точное количество частиц для образования монослоя, а также легким потряхиванием поддона, чтобы высушенные частицы покрывали все свободные места на поддоне.

Согласно изобретению, после прокаливания частицы можно удалить с поддонов с помощью следующего передвижного отсасывающего хобота при незначительном разрежении, отделить в циклоне и собрать в накопительный резервуар.

Если сушка и прокаливание проводятся при прохождении через единственную печь, то промытые микросферы сразу подаются на соответствующие металлические поддоны.

Из вышесказанного следует, помимо прочего, что способ по изобретению может характеризоваться следующими этапами, которые обладают изобретательским уровнем сами по себе и/или в комбинации:

- образованные в аммиачной осадительной ванне микросферы отделяются в первом сепараторе от осадительной ванны и попадают в аммиачный раствор для старения, в котором микросферы нагреваются до температуры старения и соответственно проводят необходимое для старения время в растворе для старения. При этом первый сепаратор гарантирует, что время контакта микросфер с жидкостью осадительной ванны с момента образования микросферы и входа в раствор для старения будет одинаково или приблизительно одинаково для каждой микросферы;

- затем микросферы во втором сепараторе отделяются от раствора для старения, чтобы попасть на первую ступень промывки многоступенчатого каскадного промывателя, в котором микросферы отмываются аммиачной водой до почти полного отсутствия нитрата аммония и вспомогательных веществ, таких, как THFA и мочевина;

- затем микросферы с помощью дозирующего устройства вместе с аммиачной водой последней ступени промывки через управляемый передвижной подающий хобот проводятся на конвейерной ленте из ситовой ткани через конвейерную печь, чтобы сушиться при температуре до 120°C;

- после этого высушенные частицы либо собирают в накопительном резервуаре с помощью устройства отбора с применением управляемого передвижного отсасывающего хобота, путем отсасывания с ситовой ткани и отделения в циклоне, чтобы затем с помощью дозатора с применением подающего хобота выпустить на металлические поддоны, где высушенные частицы при легком потряхивании распределяются монослоем, чтобы затем с нагреванием транспортироваться через вторую конвейерную печь и прокаливаться до конечной температуры около 460°C, либо

- промытые частицы в конвейерной печи и сушат, и прокаливают, причем для сушки и прокаливания промытые микросферы выпускаются на металлические поддоны в виде монослоя.

Устройство описанного выше типа для получения сферических топливных частиц и/или частиц воспроизводящего материала отличается тем, что между осадительной ванной и участком старения расположено первое перегрузочное устройство в форме сепаратора, который имеет разделенный на сектора вращающийся цилиндр над имеющим вырез пробивным ситом как дном, причем последовательно каждый сектор в закрытой снизу от пробивного сита первой позиции ориентирован на выходное отверстие осадительной ванны, а после поворота цилиндра на угол α ориентирован во второй позиции на вырезе пробивного сита, который соединен с участком старения. При этом угол α составляет 360 градусов, деленные на число секторов.

Ниже пробивного сита предусмотрено устройство приема жидкости, которое напрямую или опосредовано соединено с подачей осадительной ванны.

Пробивное сито сепаратора должно состоять из высокосортной стали и иметь размер ячеек d с 300 мкм≤d≤500 мкм. Сам цилиндр состоит из металла и должен быть плотно посажен на пробивное сито.

В частности, предусмотрено, чтобы цилиндр был разделен на n секторов, где n≥3, в частности, n=6.

Участок старения содержит окруженное ситовой тканью или пробивным ситом и вмещающим микросферы полым цилиндрическим пространством, который окружен кожухом на некотором расстоянии для транспортировки раствора для старения. Кроме того, раствор для старения может течь в по меньшей мере одном содержащем теплообменник контуре циркуляции, в который встроен кожух.

С помощью теплообменника раствор для старения нагревают или охлаждают до желаемой температуры. Разумеется, для нагрева или охлаждения может применяться свой особый теплообменник.

Далее, предусмотрено, что участок старения соединен со вторым перегрузочным устройством, выполненным как второй сепаратор и связывающим по движению участок старения с промывочной установкой. При этом предусматривается, что второй сепаратор сконструирован соответственно первому сепаратору.

Сама промывочная установка выполнена как каскадный промыватель с m ступенями промывки, причем m≥2, в частности, 2≤m≤8, предпочтительно m=7.

Каждая ступень промывки должна снизу быть выполнена как воронка с отверстием, которое может запираться в желаемой степени блокирующим устройством, как сопловая диафрагма. Благодаря этому количество втекающего промывочного раствора или его скорость можно контролировать или регулировать и тем самым можно контролировать или регулировать также скорость осаждения микросфер, опускающихся сверху вниз через каскадный промыватель.

Как усовершенствование предусмотрено, что линия для проведения промывочной воды заканчивается под блокирующим устройством. Кроме того, внутри линии должен быть проложен исполнительный элемент, как гибкий вал, который соединен с блокирующим устройством для его регулировки.

Далее, ниже воронки предусмотрено отверстие для выпуска жидкости, чтобы промывочный раствор мог течь на каждой ступени в контуре циркуляции.

Отдельные ступени промывки расположены друг над другом, причем выходящее из кожуха первой ступени промывки отверстие для выпуска жидкости является выпуском для находящейся ниже первой ступени промывки или кожуха и герметично соединенной с ним второй ступени промывки.

Далее, снизу в нижней ступени промывки предусмотрена подача слабоаммиачного промывочного раствора, который протекает через все ступени промывки, чтобы сконцентрированным отводиться в головной зоне верхней ступени промывки.

За промывочной установкой предусмотрена по меньшей мере одна конвейерная печь, через которую промытые микросферы могут проводиться по транспортному устройству. При этом транспортное устройство может представлять собой бесконечную конвейерную ленту из ситовой ткани.

Однако имеется также возможность выполнить транспортное устройство из расположенных друг за другом в ряд металлических поддонов, каждый с перфорированным дном, в которые вводятся промытые микросферы. Размер ячеек перфорированного дна должен лежать в диапазоне от 300 мкм до 500 мкм.

Промытые микросферы через загрузочное устройство, как подающий хобот, подаются на транспортное устройство, как ленточный транспортер или металлические поддоны и после сушки или прокаливания отсасываются посредством разрежения. Это может также проводиться через отсасывающий хобот.

Вакуумированные высушенные или прокаленные частицы отделяются предпочтительно посредством циклона и затем собираются в накопительный резервуар.

Если сушка и прокаливание могут проводиться в разных конвейерных печах, то одно усовершенствование изобретения предусматривает, что конвейерная печь имеет несколько тепловых зон, причем по меньшей мере одна тепловая зона является зоной сушки, а другая тепловая зона является зоной прокаливания.

В частности, предусматривается, что конвейерная печь по меньшей мере местами может работать в режиме рециркуляции воздуха.

Следующие детали, преимущества и отличительные признаки изобретения выявляются не только из формулы изобретения, вытекающих из нее отличительных признаков, взятых по отдельности и/или в комбинации, но также из следующего описания чертежей к отобранным предпочтительным примерам осуществления.

Показано:

Фиг. 1 принципиальная схема сепаратора в разрезе и в виде сверху,

Фиг. 2 принципиальная схема участка старения,

Фиг. 3 промывная башня,

Фиг. 4 фрагмент промывной башни с фиг. 3,

Фиг. 5 устройство подачи на ленточное сито,

Фиг. 6 устройство отсасывания с ленточного сита,

Фиг. 7 первая конструктивная форма конвейерной печи,

Фиг. 8 вторая конструктивная форма конвейерной печи,

Фиг. 9 принципиальная схема третьей конструктивной формы конвейерной печи и

фиг. 10 технологическая схема получения топливных частиц.

На фигурах показаны конструктивные элементы установки или устройства получения сферических топливных частиц и/или частиц воспроизводящего материала с диапазоном диаметров до 800 мкм, в частности, урановых частиц в форме оксида и/или карбида с и без добавок тория, плутония или их смесей, но, в частности, с добавкой вспомогательных веществ, таких, как тетрагидрофуриловый спирт (THFA), мочевина, а также поливиниловый спирт (PVA). Процесс получения включает формирование капель (отливка) водных азотнокислых растворов, схватывание капель в газообразной атмосфере аммиака и отверждение в водном растворе аммиака, а также последующее старение, промывку, сушку и термообработку.

В соответствующем процессе осаждения геля, называемом внешним гелеобразованием, образуется нерастворимый диуранат аммония (ADU), а также водорастворимый нитрат аммония как побочный продукт. Дополнительные добавки в заливочный раствор, как THFA и при необходимости мочевина, также нужно вымывать из гелевых шариков ADU путем промывки аммиачной водой. При получаемых согласно изобретению более крупных частицах с конечным диаметром от 300 мкм до 800 мкм в процессе осаждения геля дополнительно применяется органическое вспомогательное вещество поливиниловый спирт (PVA) в форме водного раствора, который при осаждении урана образует аддукт с образованным ADU. В процессе прокаливания на воздухе ADU термически разлагается с образованием UO₃. В процессе прокаливания при температурах выше 300°C также улетучивается и PVA.

Согласно изобретению предусмотрено, что промежуток времени между образованием в результате выкапывания или отливки частиц в осадительной ванне, то есть микросфер, и сбором в аммиачном растворе для старения одинаков или по существу одинаков. Согласно изобретению, это реализуется тем, что микросферы после осадительной ванны проводятся на сепаратор или действующий равным образом элемент, который служит устройством перегрузки на участок старения. Элементом, действующим равным образом, является, например, ленточное сито. Поэтому сепаратор также следует понимать и интерпретировать как синоним для соответствующих, действующих равным образом элементов.

Соответствующий сепаратор 10, который, как упоминалось, установлен за осадительной ванной, изображен на фиг. 1.

Сепаратор 10 состоит из круглого пробивного сита 12 из высокосортной стали, который снизу открывает разделенный на сектора металлический цилиндр 14. Металлический цилиндр 14 открыт со стороны осадительной ванны. Предпочтительно, металлический цилиндр 14 разделен на шесть секторов 1-6 равной площади, то есть имеет отходящую от оси вращения лопасть или перегородку 15, которая медленно поворачивается над пробивным ситом 12. При этом секторы 1-6, т.е. перегородки 15 между секторами 1-6 герметично посажены на пробивное сито 12.

Пробивное сито 12 может быть получено особым способом травления, причем размер ячеек, т.е. их диаметр должен лежать в диапазоне от 300 мкм до 800 мкм.

Гелевые микросферы, образованные в осадительной ванне, с помощью шлюзовой системы под отливной установкой дозировано подаются вместе с жидкостью осадительной ванны в сектор (позиция наполнения 1) сепаратора 10, затем перемещаются дальше от одной позиции к другой (позиции стекания 2-5), чтобы затем в шестой (в случае шести секторов) позиции (позиция передачи) через вырез, то есть отверстие 17 в металлическом ситовом полотне 12 проводиться, например, через трубу 16, на участок старения 18.

Участок старения 18 имеет установленный вертикально кожух 20, в котором на расстоянии от его внутренней стенки и в направлении его продольной оси проходит цилиндрическая ситовая ткань 22 или пробивное сито из высокосортной стали, посредством которой образуется цилиндрическое внутреннее пространство, в котором выданные сепаратором 10 микросферы могут стареть. Расстояние между ситовой тканью или пробивным ситом 22 и кожухом 20 необходимо, чтобы мог протекать раствор для старения, который проводится через подсоединения 24, 26 в контур циркуляции, где расположен по меньшей мере один теплообменник. Благодаря теплообменнику устанавливается желаемая температура раствора для старения.

Так, при передаче микросфер от сепаратора 10 раствор для старения должен иметь комнатную температуру. Если во внутреннем пространстве кожуха 20 микросферы собираются в необходимом объеме, то раствор для старения нагревают, например, до температуры 60°C-80°C, то есть до требуемой температуры старения. После необходимой продолжительности старения, например, 1 ч, раствор для старения охлаждают в этом или другом теплообменнике до комнатной температуры, причем одновременно с ним охлаждаются имеющиеся на участке старения 18 микросферы.

Согласно изобретению предусмотрено, что для равномерной обработки гелевых микросфер в аммиачном растворе для старения соблюдаются условия равновесия в отношении нитрата аммония и/или гидроксида аммония, а также добавок, как THFA и мочевина, чтобы достичь равномерной усадки микросфер при тепловой обработке. Что касается THFA, предпочтительно происходит обмен максимум 15 масс.% THFA, в частности, от 10 масс.% до 15 масс.% с H₂O. Это благоприятствует усадке.

Условие равновесия в настоящем случае означает, что микросферы после удаления из раствора для старения имеют по существу одинаковые концентрации нитрата аммония, или THFA, или мочевины, или гидроксида аммония, причем сами концентрации этих компонентов могут быть разными. Вследствие этого раствор для старения составляют так, чтобы микросферы при выдерживании в растворе для старения подвергались одинаковому массообмену, чтобы микросферы после выведения с процесса старения имели одинаковую концентрацию соответствующего компонента. Этим обеспечивается, что каждая сфера сожмется в равной степени и после удаления из раствора для старения будет иметь желаемый диаметр и сферическую геометрию.

На типичном примере осуществления поясняется массообмен между образованными микросферами в момент их образования в результате действия гармонического колебании на струю жидкости заливочного раствора, последующий процесс сбора в осадительной ванне, усадка в растворе для старения, промывка чистой водой, сушка и прокаливание.

Раствором аммиака устанавливают pH раствора нитрата уранила на значение 2, затем примешивают водный раствор поливинилового спирта (PVA). Этот раствор разделяют: в случае A концентрацию урана в этом растворе устанавливают с помощью ультрачистой воды на значение 120 г U/л, и концентрацию PVA на 25 г/л (заливочный раствор A). В случае B вторую часть раствора смешивают с тетрагидрофурфуриловым спиртом (THFA) и небольшим количеством ультрачистой воды, причем в заливочном растворе B имеются следующие концентрации: 120 г U/л, 25 г PVA/л и 300 г THFA/л. Таким образом, заливочный раствор B содержит дополнительно водорастворимое вещество THFA.

Оба заливочных раствора A и B превращают в микросферы в одинаковых условиях. Из каждого раствора с применением сопел образуют струи жидкости, которые под влиянием гармонических колебаний с частотой 100 Гц образуют капли. При скорости потока 1,9 л/ч возникают капли диаметром 2150 мкм. Эти капли твердеют с поверхности на участке осаждения в газообразном аммиаке и отверждаются в аммиачной осадительной ванне. Отвержденные микросферы имеют гелевую структуру; они состоят из диураната аммония плюс поливиниловый спирт как аддукт (ADU+PVA) и содержат дополнительные растворимые вещества, как нитрат аммония и гидроксид аммония (в случае сорта A), а также дополнительно THFA (в случае сорта B).

Величину диаметра микросфер сорта A и B измеряли после каждого технологического этапа с помощью микроскопа.

Результаты показывают следующее: микросферы сорта A (без THFA) имеют как после старения, так и после промывки очень широкое распределение по диаметру, то есть они усаживаются очень по-разному, хотя состав основных компонентов, ADU+PVA, одинаков. Микросферы сорта B (с THFA) имеют очень узкий диапазон размеров и усаживается, в частности, после старения и промывки, предпочтительно в результате массообмена между THFA и раствором для старения или ультрачистой водой. Равным образом, после сушки и прокаливания диапазон диаметров микросфер лежит в узких границах.

Результаты показывают, что в ванне для старения однородная усадка микросфер происходит в результате массообмена между THFA и аммиачной водой. Этот массообмен распространяется также на другие компоненты, как NH₄NO₃, NH₄OH и в известных случаях мочевина.

После старения все микросферы имеют очень узкое распределение по диаметру. Равномерная усадка микросфер продолжается также и при промывке и ведет к микросферам с узким распределением по диаметру после промывки.

Если обмена не происходит, то помимо определенной потери аммиака, обусловленной нагреванием, в аммиачном растворе для старения не происходит никакого дальнейшего массообмена.

После того, как старение проведено, микросферы подаются с участка старения 18 на следующее перегрузочное устройство, чтобы подвергнуться процессу промывки. При этом перегрузочное устройство может имеет конструкцию, которая соответствует сепаратору 10. Таким образом, охлажденный раствор для старения вытекает снизу пробивного сита и собирается. Затем происходит концентрирование в газообразном аммиаке, который содержит гелевые микросферы после отделения аммиачной осадительной ванны, и возврат на участок старения 18.

Состаренные микросферы состоят из нерастворимого аддукта диураната аммония (ADU) и поливинилового спирта (PVA) и водорастворимых веществ нитрат аммония, THFA и мочевина, если эти добавки имеются в исходном растворе. Для удаления этих водорастворимых веществ согласно изобретению применяется многоступенчатый каскадный промыватель, который обеспечивает непрерывный технический режим для многоступенчатого процесса промывки.

Соответствующую промывную башню 28 можно видеть на фиг. 3. Промывная башня 28 в примере осуществления состоит из 7 каскадов 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42. Каждый каскад 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 включен в один из контуров промывки, в которых микросферы постепенно, т.е. от ступени к ступени и, в конечном счете, почти полностью отмываются от нитрата аммония, THFA и мочевины. В качестве промывной жидкости применяется слабоаммиачная, примерно двухмолярная ультрачистая вода, которая вводится через отверстие 31 в дне промывной башни 28 и течет через каскады 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, чтобы отводиться через имеющееся в головной зоне отверстие 33. При этом состав промывной жидкости изменяется от ступени к ступени из-за массообмена между промывной жидкостью и сферами.

Далее, из фиг. 3 следует, что отдельные ступени, включая области промывной башни 28, через которые подается промывная жидкость, соединены с вентиляционной линией 35.

Состаренные микросферы опускаются из второго сепаратора, т.е. из его трубы, которая соответствует трубе 16 с фиг. 1, в верхнюю или первую ступень промывки, то есть каскад 42 каскадного промывателя и там моется, затем проходит через все следующие ступени промывки и на последней ступени промывки промывается подаваемой через отверстие 31 слабоаммиачной, примерно двухмолярной ультрачистой водой до достаточно низкого содержания нитрата аммония.

Аммиачная вода требуется, чтобы избежать гидролиза осаждаемых продуктов.

На фиг. 4 исключительно для примера показаны три следующих друг за другом каскада или ступени промывки 34, 36, 37. Каждый каскад 34, 36, 37 снизу имеет воронку 44, 46, по которым микросферы могут опускаться с одной ступени на другую. Снизу соответствующую воронку 44, 46 можно закрыть в желаемой степени кольцевым щелевым соплом с сопловой диафрагмой 48, 50. Кроме того, каждый каскад имеет линию 52, 53, по которой можно подавать промывочный раствор, циркулирующий в соответствующей ступени. В верхней части каждого каскада 34, 36, 37 имеется отверстие 54, 55 для выпуска жидкости. При этом выходное отверстие 54 среднего на фиг. 4 каскада 36 соединено со следующими, то есть нижним каскадом 37, чтобы таким образом можно было промыть внутренний объем контура циркуляции. Каждая воронка 46 ограничивает две промывочные камеры. Причина этому в том, что точка сопряжения между отдельными каскадами 34, 36, 37 проходит между воронками 44, 46. Соответствующие точки сопряжения обозначены позициями 56, 58. Кроме того, имеется непоказанный насос с измерительным и регулирующим звеном, который предназначен для каждой промывочной камеры и соединен с подсоединениями 52, 54. Контур циркуляции для каскада 34 или ограничиваемой им промывочной камеры включает, далее, линию 53, а также выпуск 54, которые соединены через содержащую насос и проходящую снаружи промывной башни 28 линию.

Имеющиеся на промывочной ступени микросферы благодаря промывочному раствору удерживаются в необходимой степени в состоянии взвеси, которая постоянно перекачивается с помощью упоминавшегося выше циркуляционного насоса. Скорость течения промывочного раствора в кольцевом зазоре воронки 44, 46 устанавливается с помощью сопловой диафрагмы 48, 50, положение которой можно менять по высоте посредством гибкого вала 60, например, снаружи маховиком 62. Кольцевое щелевое сопло выполнено так, чтобы промывочный раствор тек вверх со всех сторон стенок воронки 44, 46. В результате подъема сопловой диафрагмы 48, 50 кольцевой зазор расширяется, и скоро