Исследование иодидного процесса производства металлического циркония

Рэйнор недавно опубликовал отчет, посвященный работам по установлению факторов, ограничивающих скорость реакции, и оптимальных условий процесса, позволяющих получать максимальное количество продукции. Аппаратура, примененная в этих работах, показана на фиг. 12. Реактор был изготовлен из инконеля, оказавшегося первым пригодным конструкционным материалом. Аппарат имеет ввод для термопары, вмонтированный в дно реактора, так как было установлено, что температуру его наружной стенки нельзя считать показателем действительной температуры неочищенной циркониевой губки. Оптимальная температура металлической нити составляла 1200—1300°, а температура губки — 460°. Нa 1 кг губки расходовалось 53 г иода. Дальнейшие усовершенствования иодидного процесса в результате исследований, проведенных Комиссией по атомной энергии США, привели к изготовлению циркониевых прутков диаметром 43 мм и длиной 3,65 м. Однако производство прутков таких размеров считается неэкономичным вследствие высокой стоимости энергии в сочетании с утечкой тепла. Возможно, что промышленное производство будет развиваться в направлении изготовления кристаллических прутков большей длины, но меньшего диаметра, не превышающего 25 мм.
Иодидный процесс получения чистого циркония в настоящее время основывается на использовании в качестве исходного материала циркониевого порошка, получаемого путем восстановления окиси циркония кальцием, или металлической губки, полученной магниетермическим процессом (процессом Кролля). Использование дорогого и относительно чистого металла в качестве исходного материала является главной причиной, препятствующей этому процессу стать экономически выгодным. Предпринимаются попытки использовать другие исходные материалы. Использование карбида циркония открывает одну из таких возможностей, но этот исходный материал, подобно любому другому, не должен содержать элементов, испаряющихся вместе с четырехиодистым цирконием.
Многие трудности иодидного процесса обусловлены совмещением в одном реакторе двух операций — иодирования и разложения иодида. Доказано, что применение для этих операций отдельных камер не только упрощает контроль за процессом, но и позволяет превратить его в полунепрерывный.

Основательное изучение иодидного процесса или процесса «накаленной проволоки» осуществлено Холденом и Копельманом. Они подразделили процесс на четыре ступени: а) получение четырехиодистого циркония при температуре около 300°; б) доставку четырехиодистого циркония к накаленной металлической нити; в) термическое разложение иодида и г) возвращение освобожденного иода в процесс взаимодействия с неочищенным цирконием. Ступени (б) и (г) были объединены и названы ступенью перемещения (переноса) газов. Первая часть исследования была посвящена определению вероятности, с которой молекулы четырехиодистого циркония будут диссоциировать при соприкосновении с накаленной поверхностью.
Чистый четырехиодистый цирконий вводился в откачанный стеклянный аппарат, содержащий молибденовую проволочку или пластину, нагреваемые до различной температуры. Количество циркония, отложившегося в процессе опыта, определялось путем анализа пластинки на содержание циркония. Для контроля количества четырехиодистого циркония, приходившего в соприкосновение с пластинкой, кристаллы иодида содержались в закрытой камере, тщательно регулируемая температура которой определяла давление паров. Пары пропускались через диффузор специальной конструкции, позволявший вычислить часть четырехиодистого циркония, приходившую в соприкосновение с пластинкой.
Опыты показали, что вероятность диссоциации молекул четырехиодистого циркония при соприкосновении с поверхностью, нагретой До 1300—1500° в вакууме, близка к единице.
Дальнейшие опыты показали также, что ступенью, определяющей скорость иодидного процесса, является перемещение газообразных реагентов. Это справедливо, когда реакционная способность исходного циркония примерно такая же, как и у кристаллического прутка, применявшегося в этих опытах. Результат показал, что скорость иодидного процесса может быть увеличена путем повышения скорости движения газов.
Интересным и неожиданным открытием было то, что иодид циркония образуется из неочищенного циркония и иода очень медленно, если проволочка не нагрета, и что процесс этот быстро развивается, как только проволочка нагреется до такой степени, что начнет светиться. Предполагается, что это следствие фотохимического воздействия на иод света, излучаемого проволочкой.