Подготовка реакционного сосуда

УРОК 40 (2 ч)

Получение металлического урана

Цель: изучение процесса получения металлического урана.

План урока:

1. Применение металлического урана.

2. Методы получение металлического урана.

3. Технология получения металлического урана восстановлением кальцием.

4. Схема получения металлического урана методом металлотермического (Са-термического) восстановления тетрафторида урана.

5. Подготовка реакционного сосуда.

1. Получение металлического урана одна из завершающих стадий технологии урана. Металлический уран различной степени имеет две основные области применения:

1. является источником плутония и ядерным топливом для уран-графитовых промышленных реакторов - 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.

2. металлический уран с высокой степенью обогащения по изотопу U²³⁵ (более 90%) используется в качестве боезаряда ядерного оружия. В этом случае из металлического урана изготавливают детали оружейной сборки.

2. Методы получения металлического урана:

Восстановление оксидов урана кальцием или гидридом кальция.

UO₂+2Ca=U+2CaO;                                 

U₃O₈ + 8Ca=3U+8CaO

Восстановление тетрафторида урана кальцием или магнием.

UF₄ + 2Ca = U(порошок)+2CaF_2;                                             

UF₄ + 2Mg = U(порошок)+2MgF₂

Электролиз галоидных солей в расплаве.

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

В качестве нейтральной среды используют вакуум, гелий, аргон и иногда расплавленные соли щ. и щ.-з. металлов. По отношению к расплавленному урану устойчивы MgF₂, CaF₂, BeO, MgO, ThO₂ и графит, (при не очень высоких температурах).  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.

Таблица 1

Температуры плавления и кипения элементов и соединений применяющихся при металлотермии урана

Преимущества и недостатки использования Mg и Ca при металлотермическом восстановленииUF4:

1. Удельный расход Mg на единицу восстанавливаемого UF₄ в 1,6 раз меньше чем Ca.

2. Стоимость Mg в 5 раз меньше, чем стоимость Ca.

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

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

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

3. Технология получения металлического урана металлотермией с кальцием.

- Реакция с кальцием идёт с большим изменением свободной энергии, чем реакция с магнием.

- В адиабатических условиях уран и шлак полностью расплавляются.

- При восстановлении больших объёмов шихта воспламеняется при комнатной температуре, получаются большой выход 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. 

- Восстановление обогащённого урана проводится в закрытых бомбах.

- Остаточный воздух удаляется вначале промыванием инертным газом.

- Бомба нагревается с заранее заданной скоростью, пока не произойдёт воспламенения. Для увеличения количества тепла, выделяющегося при реакции, прибавляют йод, дающий более легкоплавкий и жидкотекучий шлак.

- Полученный слиток чернового урана обдирают от шлака и подвергают вакуумной переплавке в индукционных печах. Обдирание шлака CaF₂ проводят вначале вручную с помощью зубила, затем на металлообрабатывающих станках.

- 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.

- К используемому кальцию предъявляются высокие требования. Кальций подвергается вакуумной дистилляционной очистке, и последующему диспергированию в токе аргона. В результате кальций получается в виде шарообразных гранул размером около 1 мм.

Схема Ca-термического восстановления UF4 и получения металлического уранового слитка

Подготовка реакционного сосуда

 Реакционный сосуд, в котором происходит реакция восстановления урана называется бомбой. Одна из разновидностей восстановительных бомб показана на рис.2.

Рисунок 2. Восстановительная бомба с загрузкой шихты.

1- корпус бомбы, 2 - внутренняя футеровка, 3 – слой всплывшего шлака, 4 – расплав металлического U

Корпус бомбы изготавливается из нержавеющей стали. Срок службы корпуса около 150 плавок, после которых корпус претерпевает т.н. 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.