硝酸鈾酰百科知識
【概述】[1][2]
硝酸鈾酰，英文名稱為Uranium nitrate，中文別名為硝酸雙氧鈾，CAS號為36478-76-9，分子式為H2N2O8U，用作分析試劑、氧化劑及影片著色劑，是一種化工中間體。我國核燃料元件制造的主要工藝流程為陶瓷二氧化鈾粉末制備、芯塊制備和組件制造等。對于壓水堆燃料元件、重水堆燃料元件、高溫堆燃料元件和動力堆燃料元件等的生 產過程中，不可避免的要產生一些含鈾廢料，含鈾廢料的回收首先煅燒為U3O8，而后硝酸溶 解制取硝酸鈾酰溶液，再經沉淀分離、干燥還原制得二氧化鈾粉末；另外，高溫堆燃料元件生產過程中，主工序UF6制備二氧化鈾微球過程中，也需要將U3O8在硝酸中溶解，制備硝酸鈾 酰水溶液，硝酸鈾酰的物理性質直接影響溶膠液的物理性質，間接影響UO2微球的燒結性和 球形度，溶解操作是制備合格UO2核芯關鍵步驟；因此，物料溶解制取合格的硝酸鈾酰溶液 是含鈾廢料回收和高溫堆UO2核芯制備的關鍵步驟之一。
【應用】[1][2]
硝酸鈾酰可用作分析試劑、氧化劑及影片著色劑，可用于制備三氧化鈾等鈾氧化物。在核燃料生產領域中，U3O8、UO3和UO2是三種重要的、具有實用價值的鈾氧化物。其中，UO3作為鈾純化生產過程中的中間產品，其制備技術在核燃料循環過程中占有十分重要的地位。目前，在國內外鈾純化技術領域中，UO3的制備工藝可分為UNH(UNL)法、ADU法、AUC 法三種。UNH(UNL)法與ADU、AUC法相比具有明顯的優點。ADU、AUC法在生產過程中都會產生 沉淀母液或結晶母液，產生大量的廢水，處理廢水又產生大量的固體廢物。而UNH(UNL)法因 具有不消耗任何試劑，脫硝產生的工藝氣體可直接回收成硝酸，返回生產系統使用，所以基 本不產生廢水、固體廢物。因此，在規模化的UO3生產中，UNH(UNL)法得到普遍關注和重視，工藝技術已為國外多數鈾純化生產廠所采用，代表著國際鈾純化產業的一種先進發展方向。工業上采用的方法是沉淀法(濕法)或硝酸鈾酰直接脫硝法(干法)。濕法存在試劑消耗量大，需要 大量的設備和管線、工序較多、操作繁瑣，并且難以實現自動化和遠距離控制，廢液量大等 嚴重缺點。干法中常用的流化床法易出現“床振”、料塊、“濕床”、噴嘴堵塞和噴嘴處結疤等 現象，影響產品質量和設備的正常運行，廢氣量大，廢氣載帶易造成粉末的損失。微波脫硝法是一種新型的脫硝方法，通過物質內部的介電損耗進行加熱，實現整體加熱，加熱均勻、快速。可在一個容器內完成溶液的蒸發、濃縮、直接脫硝并生成氧化物；工藝流程短，不引入任何試劑，廢液量少，損失小即一個容器，物料不易損失，制得產品的活性高。另外微波脫硝工藝流程簡單，操作單純，易于控制。
應用舉例如下：一種微波加熱硝酸鈾酰 溶液生產三氧化鈾的方法，包括以下步驟：
1）輸送硝酸鈾酰溶液原料：將硝酸鈾酰溶液通過泵輸送至微波諧振腔內的脫硝容器中；
2）硝酸鈾酰溶液沸騰蒸發、濃縮：打開微波電源，設置微波功率，對步驟(1)送入到脫硝容器中的硝酸鈾酰溶液加 熱，控制硝酸鈾酰溶液溫度不高于110℃～130℃，硝酸鈾酰溶液沸騰蒸發、濃縮，蒸發過程 中的蒸汽冷凝回收；
3）硝酸鈾酰分解脫硝：步驟(2)的硝酸鈾酰溶液完全加入到脫硝容器后，調節微波功率，控制物料溫度 不超過230℃～250℃，使硝酸鈾酰分解脫硝，分解過程中產生的氮氧化物氣體酸洗回收；
4）停止微波加熱：將步驟(3)中分解脫硝后的物料，在溫度250℃的恒溫條件下維持10min，停止微 波加熱；
5）將物料放入馬弗爐：將步驟4)的物料冷卻后，取出放入到馬弗爐中，在溫度350℃下，穩定2～4h；
6）球磨制粉：將步驟(5)馬弗爐中的物料穩定取出、冷卻后，將脫硝容器取出，加入研磨球，物 料密封后，放入球磨機中，進行球磨制粉；
7）制得三氧化鈾粉末：步驟(6)脫硝物料制粉后，取出、封裝，得到粉末狀三氧化鈾產品。
【固液分離方法】[3]
1. 靜置沉降過濾法
在重水堆核燃料元件制造過程中，最初采用國產U3O，粉末為溶解原料，經濃硝酸溶解后所得硝酸鈾酞溶解液呈亮黃色，靜置沉降24 小時以上，經過平板過濾器過濾后，即可作為下一工序的原料。在該方法處理溶解液的過程中，基本實現了密閉操作，具有較好的現場操作環境。但是，為保證生產的連續性，需要安裝多個沉降槽，配套相應的真空、壓空系統，揚液器及通風設備，涉及的設備數量較多，且僅適用于酸不溶渣含量較低且易沉降的原料。
2. 絮凝沉降法
采用國外U3O，粉末為原料時，經濃硝酸溶解后所得硝酸鈾酞溶解液呈棕紅色、混濁狀且含有的大量懸浮物不易自然沉降。采用靜置沉降過濾法不能得到以往的清亮溶解液，無法滿足后序崗位的要求。針對這種情況，對此種硝酸鈾酞溶解液進行絮凝，絮凝后靜置沉降一定時間，用濾布及濾紙過濾后所得溶解液能滿足后序要求。該方法解決了溶解液中不易自然沉降的懸浮物難題，使處理后的溶解液滿足工藝要求。但過濾速度比以往慢很多，過濾后的酸不溶渣量較以前多很多，且渣中的水分和鈾含量都較大，這給渣的存儲帶來很大不便。在過濾過程中還需定期的除掉濾布上的濾渣，給操作和環境帶來影響。此方法另一方面的缺點是加入的絮凝劑經過一段時間后在萃取塔中沉積下來，需要定期的洗塔和及時抽取出萃取污物，以保證萃取的穩定運行。
3. 離心分離法
以國外U3O8 粉末為原料的硝酸鈾酞溶解液，在固液分離處理方面給工藝帶來很大不便。為解決這一難題，我單位經過大量的工藝試驗、設備調研及選型，最終選用高速管式離心機作為硝酸鈾酞溶解液固液分離設備。處理該溶解液時，將管式離心機的重液口關閉，只留有中央輕液溢流口，固體在離心力場下沉積于離心機轉鼓壁上，達到一定數量后，停機人工清除。溢流出的清液可以直接作為萃取原料，且沉積的渣中水分含量較絮凝沉降法少很多，在一定程度上減輕了渣的存儲困難，也簡化了生產工藝。
【參考資料】
[1] 耿龍；任喜彥；孫玉鶴；牛玉印；魏剛；張慧忠；高興星；李立璟；王曉東；王俊.一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備UO3工藝. CN201710383468.7 ，申請日2017-05-26
[2] 趙剛；于震；劉慶凱；許文強.微波加熱硝酸鈾酰溶液生產三氧化鈾的方法. CN201610914074.5 ，申請日 2016-10-20
[3] 雷云霞, 郝繼東, 張永. 硝酸鈾酰溶解液固液分離工藝探討[C]//中國核學會核化工分會成立三十周年慶祝大會暨全國核化工學術交流年會會議論文集. 2010.