Технология производства урана и его соединений .

Для очистки урановой руды (концентрата) используют экстракцию нитрата уранила и возгонку гексофторида урана.

Основными валентными состояниями являются U³⁺, U⁴⁺, U⁶⁺ .Эти валентные состояния реализуются на разных этапах получения урана. В водном растворе наиболее устойчив U⁶⁺ в виде иона UO₂²⁺ уранила .

Металлический уран химически активен и по многим свойствам сравним с Mg. Реагирует с азотом при высокой температуре , а с водородом образует гидрид, то есть UH₃, который разлагается при t=350°С.

Уран не взаимодействует с жидким натрием(Na) и калием(K). Скорость коррозии облученного U намного больше, чем необлученного.

Уран токсичен и поражает, главным образом, почки. Концентрация урана, считающаяся опасной для здоровья , К=0,05 мг/м³. Радиоактивность урана по a-излучению при его проникновении в костную ткань, печень, селезенку представляет собой дополнительную токсичность.

Методы получения урана.

1. Экстракционный метод.

Мелко измельченный урановый концентрат обрабатывают азотной кислотой HNO₃ так, что уран растворяется и переходит в водный раствор в виде нитрата уранила ( UO₂(NO₃)₂ ). Нитратный шлам попадает в верхнюю часть экстракционной колонны, через которую снизу вверх прокачивается под давлением органический растворитель трибутилфосфат (ТБФ) .

 

Нитрат уранила экстрагируется из нитратного шлама в ТБФ. Затем экстракт промывают разбавленной HNO₃ или водой для удаления остаточных примесей. Для реэкстракции урана используется реэкстракционный раствор UO₂(NO₃)*6H₂O. Затем раствор выпаривают для получения гексагидрата нитрата уранила. Если раствор нитрата уранила нагреть до 540°С в присутствии H₂, то можно получить нитридное топливо – нитрид урана UN :

2UO₂(NO₃)₂+10H₂=2UN+10H₂O

 

1. Метод возгонки гексофторида урана UF ₆ .

В этом методе на первой стадии измельчают и просеивают U₃O₈ , затем его обрабатывают по методу кипящего слоя в химическом реакторе. . Это позволяет увеличить площадь реакции.

В этом реакторе уран подогревается до 540-560°С в присутствии газообразного кислорода (O₂). Основной продукт UO₂, получаемый в ходе обработки, проходит проходит еще через 2 химических реактора для гидрофторирования в кипящем слое, где UO₂ реагирует с безводным HF при t=480-540°С и первом реакторе и t=540=560°С во втором реакторе. В результате образуется UF₄ – тетрафторид урана (на жаргоне – зеленая соль ) с температурой плавления t_пл=960°С.

UO₂+4HF=UF₄+2H₂O

Затем UF₄ реагирует с газообразным F при температуре t=340-480°C:

UF₄+F₂=UF₆

Твердый UF₆ сублимирует при нормальном давлении (испаряется) при t>56,4°C. Поэтому он выходит из химического реактора фторирования в виде пара. Очищенный UF₆ является как исходный материал в процессе разделения изотопов газодиффузионным методом.

1. Получение металлического и керамического урана .

Исходным является водный раствор нитрат уранила UO₂(NO₃)₂. Раствор нагревают в установке, называемой денитратор – установка для убирания N₂ при температуре t=550°C для удаления избыточной воды из водного раствора и разложения нитрата до образования триоксида урана UO₃. UO₃ восстанавливают (повышают валентность) в кипящем слое химического реактора при t=600°C с помощью UO₂.Аналогично UO₂ можно получить при разложениии U₃O₈ :

U₃O₈+2H₂=3UO₂+2H₂O

UO₂ после измельчения используется для приготовления топливных таблеток методом прессования и стекания при t=1700°C .

Для получения металлического урана UO₂ сначала гидрофторируют с помощью HF и получением UF₄ на выходе. Измельченную соль UF₄ нагревают в стальной изложнице вместе с Mg или Ca.

UF₄+2Mg=U+2MgF₂

UF₄+2Ca=U+2CaF₂

Шлак в виде MgF₂ или CaF₂ удаляют с поверхности металлического урана.

1. Преобразование обогащенного урана.

Преобразование гексафторида урана, обогащенного в ходе разделения изотопов по ²³⁵U, в UF₄ осуществляется следующим образом: в химический реактор сначала подается H₂, затем F₂ и, наконец, подаются пары UF₆ , обогащенного по ²³⁵U. Смесь нагревают для осуществления реакции UF₆ с H₂ .Образующийся при этом UF₄ непрерывно удаляют, а затем подают на процесс получения металлического урана.

Отработавшие твелы реакторов ВВЭР перерабатываются описанными методами возгонки или реэкстракции для получения оружейного урана и оружейного плутония .

1. Карбидное топливо UC .

Получают двумя методами, в которых исходным материалом является металлический уран и UO₂.

Первый метод (U): металлический уран получают в виде мельчайшего порошка путем преобразования гидрида в присутствии метана CH₄. Химическая реакция урана с метаном при 600°С приводит к образованию UC в порошковом виде.

Второй способ (UO₂): смесь UO₂ и графитового порошка C нагревается до температуры t=1600-1900°C в вакуумном контейнере.

Сплавы урана.

Существует 3 основных класса сплавов урана:

а) интерметаллические сплавы (UAl₂ ,UAl₃ – это сплавы, в которых не соблюдается стехиометрия соотношений);

б)сплавы с малыми добавлениями элементов (легирование)- предназначены для модификации кинетики распада b или g- фазы урана;

в)сплавы, в которых концентрация легирующих элементов достаточна для стабилизации объемно- центрированной кубической g-фазы.

Во всех случаях выбор элементов ограничен соображениями экономии нейтронов в АЗ. В качестве легирующих элементов для U сплавов применяются Al,Be,Ti,Sr,Vn,Mb,Ta,Cr,Mo,Mg.Наибольшее распространение получили сплавы UAl,UMg и UMo. Эти сплавы являются основными двойными или тройными системами уранового топлива.

Основные преимущества металлического топлива заключаются в:

1) высокой плотности делящегося и воспроизводящего материала;

2) хорошей экономией нейтронов в АЗ ;

3) высокой теплопроводности, хорошей обрабатываемости.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: