CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002

DESARROLLO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE URANIO METÁLICO A PARTIR DE UF4, MEDIANTE METALOTERMIA, EMPLEANDO MAGNESIO COMO REDUCTOR W. Donoso1, P. Rojas 2, A. Garrao2, L. Catalán y H. Contreras2 1

Universidad de Santiago de Chile, Depto. de Ingeniería Metalúrgica, Avda. L. B. O’Higgins 3363 2 Comisión Chilena de Energía Nuclear, Depto. de Materiales Nucleares, Amunátegui 95 Santiago, Chile, e-mail: [email protected]

RESUMEN Se presenta el trabajo desarrollado para contar con un proceso de conversión de UF4 a uranio metálico utilizando magnesio como reductor. La reacción involucrada es muy exotérmica por lo que es necesario considerar en el diseño del equipo la presión máxima que podría alcanzar el reactor, >10 MPa (> 99 atm). Este importante factor de riesgo se debe a la presencia de volátiles, tales como, agua, ácido fluorhídrico y el exceso de magnesio sobre el estequiométrico, 10, 12 y 15 %, el cual se vaporiza puesto que se alcanzan temperaturas superiores al punto de ebullición del Mg. Dadas las características morfológicas del compuesto de uranio empleado como materia prima, fue necesario aplicar una molienda previa que se ajustara a cierta distribución de tamaño de partícula y un método de mezclado entre UF 4 y Mg. Con el objeto de minimizar las diferencias de temperaturas en el interior de la carga se realizaron determinaciones de perfiles térmicos con diferentes programas de calentamiento, obteniendose una diferencia de temperatura máxima en el interior de la carga de 67 K. En las experiencias se obtuvieron rendimientos de 82, 90 y 90 % y “regulus” de aproximadamente 5000 g. Palabras claves : Metalotermia, magnesiotermia, reducción, tetrafluoruro de uranio, uranio

1.

INTRODUCCIÓN

La obtención uranio metálico por metalotermia desde tetrafluoruro de uranio, UF 4, data desde mediados del siglo pasado, sin embargo son escasos los países donde se lleva a cabo este proceso y dado el carácter estratégico que tiene el dominio del ciclo del combustible del uranio, la literat ura disponible es aún más escasa, razón por la cual cada país debe desarrollarlo. En Latinoamérica este tema se lleva a cabo sólo en Argentina, mientras que en Brasil y Chile se encuentra en desarrollo. En la Comisión Chilena de Energía Nuclear, CCHEN, se fabrican, a nivel competitivo, elementos combustibles para reactores de investigación, utilizando como materia prima uranio metálico, enriquecido al 19.75 % en el isótopo U 235, adquirido en el extranjero. Obtener este metal en la CCHEN tiene diversas justificaciones: Genera capacidades tecnológicas para enfrentar nuevas actividades. Mejora el posicionamiento y como consecuencia la capacidad negociadora ante el mercado del uranio.

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Permite un ahorro aproximado a US$ 30000, sólo en el proceso de conversión, para una cantidad de 45 kg del metal, equivalente a una carga completa para un reactor de 36 elementos combustibles [1]. Fortalece la capacidad de fabricación de los elementos combustibles. El mercado oferente está marcando una tendencia en el sentido de reducir cada vez más la venta de productos intermedios, como es el uranio metálico.

El proceso consiste en producir la reacción: UF4 + 2Mg →U + 2MgF2

∆H= -82 Kcal/mol [2]

Si se iniciara, mediante un chispazo o un filamento incandescente, la reacción a temperatura ambiente, el calor generado no bastaría para fundir los componentes, condición indispensable para una separación de los productos. Por eso es requisito precalentar por medio de un horno hasta la temperatura de ignición espontánea, cercana a los 873 K. Se produce un violento aumento de temperatura por sobre los 1673 K, en alrededor de 1 s, lo que hace indispensable el empleo de un reactor cerrado para evitar el escape del Mg vapor

y otros gases lo que provocaría la expulsión de los materiales.

humedad, el agua de cristalización, si tuviere, y la presencia de HF, ácido que siempre está presente, en el proceso de obtención del UF4.

2. DISEÑO DEL EQUIPAMIENTO

Adicionalmente la presencia necesaria de un exceso de Mg también aporta una cuota al aumento de presión puesto que se supera su temperatura de ebullición. Todos estos gases ejercen una presión elevadísima que es imprescindible cuantificar, lo que se determina conociendo el volumen libre del reactor que para este caso es de 3066 cm3.

Es requisito previo determinar la máxima cantidad de reactantes, es decir la masa segura, desde el punto de vista nuclear, con el objeto de evitar se alcance una masa crítica. El cálculo realizado [3] asumió las siguientes consideraciones: masa de UF4 de geometría esférica densidad de UF 4 = 6.7 g/cm3 U enriquecido al 19.75 % en U235 masa rodeada de agua y moderación óptima 0.3 m de reflector de agua factor de seguridad = 0.5 Así, la masa segura de uranio es de 5000 g, como máximo, además suponiendo un 90% de eficiencia, en la reacción, la masa máxima de UF 4 resulta 7256 g y con un aporte de Mg de un 15 % de exceso sobre el estequiométrico se obtuvo un volumen de 0.003066 m3, quedando prácticamente definido el tamaño del crisol y reactor. Por otra parte, dadas las características de la reacción el reactor debe ser de un acero refractario resistente al choque térmico y soldable. Se seleccionó el Sandvik 253 MA, equivalente a ASTM A312, en forma de tubo sin costura, con 168.28 mm diámetro exterior, 0.154 m de diámetro interior y 7.11 mm de espesor. Por su parte el crisol debe resistir temperaturas sobre 1673 K, de modo que se utilizó grafito revestido interiormente con una delgada capa de CaF2. 2.2 Presión máxima que soporta el reactor La relación espesor/radio del reactor es 0.092 y siendo menor a 0.1 constituye un tubo de pared delgada [4], por lo que los esfuerzos tangenciales y longitudinales están descritos por:

στ =

Pd i 2e

y

σl =

Pd i 4e

P = presión interior del tubo reactor Di = diámetro interior del tubo e = espesor de pared La presión máxima que resiste el tubo es cuando el esfuerzo iguala al límite elástico, 140 MPa (140 N/mm2), a 873 K, que es la temperatura alrededor de la cual ocurre la reacción. Luego, en el primer caso P = 12.94 MPa (127.71 atm) y en el segundo P = 28.88 MPa (255.41 atm), de modo que la condición más restrictiva es la menor. 2.3 Influencia de los gases en la presión El proceso de calentamiento de la mezcla de UF4 + Mg, hasta la temperatura de reacción, se lleva a cabo en presencia de Ar y en el se elimina la

- Argón Desde 863 K (590 ºC) hasta 1673 K (1400 ºC) la presión subirá desde presión atmosférica hasta 197 kPa (1.94 atm). - H2O de cristalización Aunque no contiene agua de cristalización, por provenir de un proceso anhidro, pero suponiendo UF4 del tipo UF 4 ⋅ 0.75 H2O su contenido sería de 4.1 %, equivalente a 297.5 g (16.53 moles). - HF Su presencia se debe a que la obtención de UF4, en este caso, se lleva a cabo hidrofluorando el UO 2, y las partículas quedan impregnadas con HF en aproximadamente 1.5 % en peso. - Mg Para mejorar la eficiencia de la reacción de obtención de U metal es necesario un exceso de Mg, sobre el estequiométrico, pero parte de esta cantidad se vaporiza por la alta temperatura que alcanza el sistema. Existe información [5] de que con 25 % de exceso se ha producido explosión. Tabla I. Presiones máximas alcanzadas por cada gas en la reacción Gas

Remanente %

Masa Moles

Presión máx MPa

Ar

100 5 10 15 20 10 15 20 25 10 20 30 40

0.0434 0.83 1.61 2.47 3.31 0.54 0.82 1.09 1.36 0.69 1.39 2.09 2.79

0.197 3.76 7.47 11.18 14.99 2.45 3.71 4.94 6.16 3.12 6.29 9.44 12.59

H2O

HF

Mg

Las altas presiones que se podrían alcanzar involucran un alto riesgo el que se minimiza eliminando al máximo los gases presentes antes de la reacción e instalando una válvula de seguridad que alivie la presión superando cierto valor prefijado. Otro factor de seguridad es el disponer de un reactor de mayor tamaño de modo que

proporcione un volumen libre mayor con lo cual baja la presión máxima alcanzada.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.1 Caracterización de materias primas El proceso se inicia con la caracterización química y física de las m aterias primas. Tabla II. Composición del Mg Impurezas µ g/g Al B Cd

116 1.5 0.03

Co Cu Fe