Неводные методы переработки обогащённого урана

УРОК 37-38 (4 ч)

Неводные и водные методы переработки обогащенного урана. АУК-, АДУ-процессы.

Цель: изучение водных и неводных методов переработки обогащенного урана.

План урока:

1. Водные методы переработки обогащенного урана.

2. Неводные методы переработки обогащенного урана. Восстановление урана водородом.

3. ВОУ-НОУ процесс.

1. Обогащение гексафторида урана является одной из ключевых стадий всей я.-х. технологии.

Методы переработки обогащённого гексафторида урана делятся на два стандартных типа:

Методы переработки обогащённого гексафторида урана (UF6)

Разработан и  ВОУ-НОУ процесс позволяющий переводить оружейный высокообогащённый уран (ВОУ) в энергетический низкообогащённый уран (НОУ).

Водные методы переработки

 1. Первая стадия переработки - гидролиз гексафторида урана водой до уранилфторида. Гидролиз происходит с большим выделением тепла по уравнению:

UF₆ + 2H₂O = UO₂F_{2(водн. р-р)} + 4HF +Q

Процесс осуществляется барботажем газообразного гексафторида урана через воду или смешением жидкого гексафторида под давлением с водой с отводом тепла.

2. Вторая стадия – экстракция

UF₆+ 3Al(NO₃)₂+2H₂O = UO₂(NO₃)₂+AlF₂NO₃+4HNO₃

                                                               _{уранилнитрат}

Экстракцию проводят в экстракторах ящичного типа противоточным методом. Реэкстракцию проводят слабым раствором азотной кислоты при рН=1.

3. Третья стадия – получение полиураната аммония осаждением.

UO₂(NO₃)₂ + NH₄OH → (NH₄)₂U₄O₁₃↓+ NH₄NO₃

4. Четвертая стадия - прокаливание  полиураната аммония до закиси-окиси урана. Прокаливание проводят в горизонтальных вращающихся печах. Температура в печи 690^о -730^оС.

(NH₄)₂U₄O₁₃ → U₃O₈ + NH₃ +N₂+H₂O

Триураноктооксид

(ТУОО)

5. Пятая стадия - восстановление избытком водорода в горизонтальных вращающихся печах при температуре 650^о -750^оС.                    U₃O₈ + H₂ →UO₂ + H₂O

АДУ-процесс

Своим названием АДУ-процесс обязан АммонийДиУранату ((NH₄)₂U₂O₇), являющемуся исходным продуктом для получения многих соединений, в том числе и керамического UO₂.

АДУ-процесс предназначен для переработки UF₆, содержащего повышенную концентрацию ²³⁵U, либо обедненного по изотопу ²³⁵U. Получаемый порошок UO₂ с содержанием до 5% U используется для изготовления таблетированного топлива энергетических реакторов типа ВВЭР, а порошок UO₂, обедненный по изотопу ²³⁵U - для топлива зоны воспроизводства реакторов на быстрых нейтронах.

Под АДУ-процессом подразумевают классическую схему получения керамического UO₂ из UF₆ (гидролиз UF₆ в воде или в растворе аммиака – осаждение полиураната аммония – сушка – прокалка - восстановление).

Осаждение полиураната аммония ведётся:

1.  с избытком аммиака по следующей схеме:

HF + NH₄OH = NH₄F + H₂O

2UO₂F₂ + 6NH₄OH = (NH₄)₂U₂O₇ ↓+ 4NH₄F + 3H₂O

2.  при недостатке аммиака.

UO₂F₂ + 3NH₄OH = (NH₄)₃UO₂F₅ + 3HF + 3H₂O

АУК-процесс

АУК-процесс берёт своё название от аммонийуранилкарбоната. Промышленный способ получения керамического UO₂ из UF₆ осуществляется через промежуточное соединение (NH₄)₄UO₂(CO₃)₃ .

1. Аммонийуранилкарбонат образуется по реакции:

UF₆ + 5H₂O + 10NH₃ +3CO₂ →(NH₄)₄UO₂(CO₃)₃ ↓+6NH₄F.

2. Термическое разложение (NH₄)₄[UO₂(CO₃)₃] с последующим восстановлением промежуточных продуктов разложения до UO₂.

(NH₄)₄[UO₂(CO₃)₃]→4NH₃ + 3CO₂+1,75 H₂O +UO₃∙0,25 H₂O

Конечным продуктом прокаливания является:

-  U₃O₈ (на воздухе)

- UO₂ (в водороде).

Разложение (NH₄)₄[UO₂(CO₃)₃] протекает ступенчато, сначала до моногидрата триоксида урана с постепенной потерей воды в дальнейшем.

Процесс дегидратации можно представить следующим образом:

UO₃∙H₂O→UO₃ ∙0,65H₂O → UO₃ ∙ 0,5H₂O → UO₃ ∙ 0,25H₂O.

Соединение UO₃ ∙ 0,25H₂O образуется в качестве промежуточного продукта при прокалке в атмосфере всех газов и существует вплоть до температуры 653К.

Термическое разложение в гелии (и на воздухе) и в водороде протекает по-разному.

В водороде образование октаоксида-триурана (ТУОО) - U₃O₈ из UO₃∙0,25H₂O протекает, минуя стадию образования безводного UO₃. Эта реакция экзотермична и начинается уже при 683 К.

3(UO₃ ∙ 0,25H₂O) + H₂ → U₃O₈ + 1,75 H₂O + 74,8 кДж.

Неводные методы переработки обогащённого урана

2.1. Восстановление UF₆ водородом:

1. восстанавление тетрафторидаUF₄ до Uметал. и дифторида кальция CaF₂ сплавлением с кальцием.

UF₄ + nMe→ (Me)n + U +∆F

для успешного проведения процесса необходим подвод тепла.

Лучшими металлами-восстановителями являются кальция и магний

2. Восстановление водородом гексафторида урана UF₆ до тетрафторида и фтороводорода.

UF₆ + H₂ = UF₄ + 2HF + 16,5 кДж/моль

Для реализации процесса существует два метода подвода тепла:

-  через стенку,

- впрыск в реактор небольшого количества фтора, который взаимодействуя с водородом выделяет достаточное количество тепла.

 Аппаратура для восстановления гексафторида урана водородом делится на два типа по способу подвода тепла:

- реактор с горячими стенками;

- реактор с холодными стенками.

В факеле возбуждается реакция восстановления гексафторида урана водородом.

Рис. 2. Аппарат с горячими стенками для восстановления гексафторида урана.

В газовых методах гидролиз UF₆ проводят при повышенных температурах (обычно при 473–973 К). Поэтому правильнее этот процесс назвать пирогидролизом. В реальных процессах в присутствии водорода приходится считаться с существованием двух многоступенчатых цепочек превращений UF6, ведущих к образованию твердых промежуточных соединений.