Устройство, эксплуатация и обслуживание технологического оборудования

Получение металлического урана

Получение металлического урана одна из завершающих стадий технологии урана.

Металлический уран различной степени имеет две основные области применения: металлический уран является источником плутония и ядерным топливом для уран-графитовых промышленных реакторов.

В этом случае из металлического урана изготавливают тепловыделяющие элементы.

Металлические ТВЭЛы представляют собой цилиндрические урановые блоки диаметром 25 мм и высотой 50 мм.

Урановый блок снаружи покрыт оболочкой из алюминия.

Промышленные уран - графитовые реакторы предназначены для наработки в них плутония.

После кампании атомного реактора урановые блоки извлекаются, растворяются и поступают на радиохимический завод для выделения из них плутония.

Металлический уран с высокой степенью обогащения по изотопу U²³⁵ (более

90 %) может использоваться в качестве боезаряда ядерного оружия.

В этом случае из металлического урана изготавливают детали оружейной сборки.

Существует несколько методов получения металлического урана:

1. Восстановление оксидов урана кальцием или гидридом кальция

UO₂ + 2Ca = U + 2CaO

U₃O₈ + 8Ca = 3U + 8CaO

2. Восстановление тетрафторида урана кальцием или магнием

UF₄ + 2Ca = U + 2CaF₂

UF₄ + 2Mg = U + 2MgF₂

3. Электролиз галоидных солей в расплаве

Основная масса урана в настоящее время получается в виде слитков восстановлением тетрафторида урана кальцием или магнием.

В результате восстановления оксидов, а также при электролизе галогенидов в расплавах солей получается порошкообразный металл, который отделяют от солей и оксидов обработкой водой или кислотами.

При металлотермическом восстановлении тетрафторида уран получается в виде слитка, хорошо отделяющегося от шлака, что является большим преимуществом и объясняет более широкое применение этих методов в производственной практике.

В качестве нейтральной среды используют

• вакуум

• гелий

• аргон и иногда

• расплавленные соли щелочных и щелочноземельных металлов.

Опыт показал, что по отношению к расплавленному урану устойчивы

• MgF₂,

• CaF₂,

• BeO

• MgO

• ThO₂ и (при не очень высоких температурах)

• графит.

Эти материалы применяются в качестве огнеупоров и покрытий металлургического оборудования.

Обычные восстановители (H₂, C, Si, Al) оказались непригодными из-за своей неэффективности.

По экономическим причинам наиболее пригодными восстановителями оказались кальций и магний.

Восстановление оксидов урана кальцием в присутствии флюса (CaCl₂) или магнием даёт порошок из крупных частиц металла, этот метод практикуется в порошковой металлургии урана.

Наиболее удобно восстановление тетрафторида урана.

Тетрахлорид урана не используется вследствие своей высокой гигроскопичности.

Бромиды и йодиды урана не только гигроскопичны, но также и дороги.

Таблица 1 Температуры плавления и кипения элементов и соединений, применяющихся при металлотермии урана

Преимущества и недостатки использования магния и кальция при металлотермическом восстановлении тетрафторида урана:

Удельный расход магния на единицу восстанавливаемого тетрафторида урана в 1,6 раз меньше, чем кальция.

Стоимость магния в 5 раз меньше, чем стоимость кальция.

Восстановление магнием необходимо проводить в закрытой бомбе и подогревать шихту до начала реакции.

Восстановление кальцием можно осуществлять в аппаратах открытого типа без предварительного подогрева шихты.

Извлечение урана и очистка слитка, извлечённого из шлаков CaF₂ осуществляется легче, чем из MgF₂.

Реакция с кальцием идёт со значительно большим изменением свободной энергии и энтальпии, чем реакция с магнием.

В адиабатических условиях уран и шлак полностью расплавляются.

При восстановлении больших объёмов шихта воспламеняется при комнатной температуре, получаются большие выхода и хорошее разделение шлака и металла.

При восстановлении кальцием в большом масштабе используются открытые реакционные аппараты.

Реакция возбуждается электрически, поджиганием магниевой ленты.

Реакция самоподдерживающаяся и идёт быстро.

При получении обогащённого урана необходимо соблюдать ядернобезопасную геометрию.

Тогда при восстановлении малых количеств урана тепловые потери превышают количество выделяющегося тепла и для получения расплава шихту необходимо дополнительно подогревать.

Восстановление обогащённого урана проводится в закрытых бомбах.

Остаточный воздух удаляется вначале промыванием инертным газом.

Затем бомба нагревается с заранее заданной скоростью, пока не произойдёт воспламенения.

Для увеличения количества тепла, выделяющегося при реакции, можно прибавлять йод, дающий более легкоплавкий и жидкотекучий шлак.

Полученный слиток чернового металла обдирают от шлака и подвергают вакуумной переплавке в индукционных печах.

Общая последовательность операций показана на рисунке 1

Рисунок 1 Функциональная схема кальций – термического восстановления тетрафторида урана и получения металлического уранового слитка

Высокие требования предъявляются к кальцию, используемому в металлотермии урана.

Предварительно кальций подвергается вакуумной дистилляционной очистке, и последующему диспергированию в токе аргона.

В результате кальций получается в виде шарообразных гранул размером около 1 мм.

Обдирание шлака CaF₂ проводят вначале вручную с помощью зубила, затем на металлообрабатывающих станках.

Подготовка реакционного сосуда.

Реакционный сосуд, в котором происходит реакция восстановления урана, называется бомбой.

Одна из разновидностей восстановительных бомб показана на рисунке 2.

Рисунок 2 Восстановительная бомба с загрузкой шихты

1- корпус бомбы

2 - внутренняя футеровка

3 - слой всплывшего шлака

4 - расплав металлического урана

Корпус бомбы изготавливается из нержавеющей стали.

Срок службы корпуса около 150 плавок, после которых корпус претерпевает коробление, т. е. изменение геометрической формы и его становится трудно футеровать.

Футеруют корпус бомбы порошком фторида магния или кальция.

В корпус бомбы вставляют металлический цилиндр меньшего диаметра, а кольцевое пространство между стенкой корпуса и цилиндром заполняют порошком фторида магния или кальция, на цилиндрическую вставку подают вибрацию и порошок утрамбовывается в плотный слой футеровочной защиты.

Толщина футеровки около 25 мм.

Приготовление шихты и загрузка бомбы.

Тетрафторид урана и магний или кальций поставляется в цех восстановления в упакованном виде во взвешенных барабанах, готовых для непосредственного использования.

Обычно при магнийтермическом восстановлении используется смесь шихты состоящий из 202 кг тетрафторида урана и 32,1 кг магния.

Этот вес магния рассчитан с условием 4% избытка.

Шихта загружается в биконусный смеситель и смешивается не менее 3 минут.

После приготовления шихты она засыпается в футерованную бомбу и утрамбовывается.

Поверх утрамбованной шихты укладывают слой фильтровальной бумаги и засыпают футеровочным материалом, который также утрамбовывают.

Восстановление.

Операция восстановления состоит в нагреве бомбы до тех пор, пока не произойдёт самопроизвольное воспламенение шихты, после чего идёт экзотермическое восстановление тетрафторида урана до металла.

Нормальная температура воспламенения шихты - около 700^оС, хотя может колебаться в пределах - 670–760^оС.

Время нагрева бомбы указанных размеров до воспламенения около 4 часов, на время достижения температуры воспламенения влияют различные факторы, в том числе толщина и равномерность футеровки и примеси находящиеся в исходном тетрафториде урана.

Нормальный тетрафторид урана, полученный в промышленных условиях, содержит около 1 % уранилфторида UO₂F₂, и также около 1 % оксидов урана UO₂, U₃O₈.

После операции восстановления бомбу охлаждают.

В течение 1–2 часов бомба охлаждается на воздухе до температуры 500^оС.

После воздушного охлаждения бомба переносится в колодец с водяным охлаждением на 5–6 часов пока не охладится до комнатной температуры.

Охлаждённый урановый слиток выбивается из бомбы и очищается от шлака.

Рафинировочная переплавка урана

Для очистки урана от различных примесей используют так называемую рафинировочную переплавку.

Переплавку урана осуществляют в индукционных печах.

Принцип работы индукционной печи основан на прохождении через слиток урана токов Фуко, вызванных магнитным полем.

Магнитное поле создаётся внешней обмоткой (катушкой индуктивности), частота тока 3000 Гц.

Мощность индукционных печей достигает 200 кВт.

Рисунок 3 Эскиз индукционной печи для переплавки урана

1- корпус печи

2 - рубашка водяного охлаждения

3 - катушка индуктивности

4 - графитовый тигель для чернового урана

5 - графитовая пробка

6 - графитовая изложница для рафинированного урана

7 - нож для срезания графитовой пробки

Индукционная печь состоит из графитового тигля 4 куда загружается черновой уран и графитовой изложницы 6 находящийся под тиглем.

После того, как печь загружена и герметизирована, она вакуумируется насосами.

Когда давление станет меньше 200 мм. рт. ст. начинается индукционный нагрев.

Откачка и нагрев продолжаются до тех пор, пока температура плавки не достигнет 1454^оС.

При этой температуре плавка выдерживается и обглаживается 45 мин.

Из расплава удаляются и отгоняются магний, шлак, водород, радиоактивные продукты распада и другие летучие примеси.

После обезгаживания рафинированный металл переливается в изложницу, расположенную под тиглем.

Перелив происходит в результате срезания графитовой пробки, расположенной в нижней части тигля.

Общее время плавки составляет 6 часов - 3 часа на нагрев и плавку и 3 часа на охлаждение.

Остывший слиток извлекают из изложницы и срезают верхнюю
часть на 25 мм, в верхней части слитка концентрируются остатки примесей.

После получение анализов на качество металла, слиток упаковывается и транспортируется на участок прокатки и прессования.

7