Желтый кек


УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи
УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Уран – это основной энергоноситель ядерной энергетики, вырабатывающей около 20% мировой электроэнергии. Урановая промышленность охватывает все стадии производства урана, включая разведку месторождений, их разработку и обогащение руды. Переработку урана в топливо для реакторов можно рассматривать как естественную отрасль урановой промышленности.

Ресурсы.

Общемировые достаточно надежно разведанные ресурсы урана, который можно было бы выделить из руды по себестоимости не выше 100 долл. за килограмм, оцениваются приблизительно в 3,3 млрд. кг U3O8. Примерно 20% этого (ок. 0,7 млрд. кг U3O8, см. рисунок) приходится на Австралию, за которой следуют США (ок. 0,45 млрд. кг U3O8). Значительными ресурсами для производства урана располагают ЮАР и Канада.

Урановое производство.

Основные этапы производства урана – это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U3O8, называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л.

Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек. См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ.

Переработка урана в ядерное топливо.

Концентрат природного урана – желтый кек – это исходный компонент ядерного топливного цикла. Для превращения природного урана в топливо, соответствующее требованиям ядерного реактора, нужны еще три этапа: преобразование в UF6, обогащение урана и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).

Преобразование в UF6.

Для преобразования оксида урана U3O8 в гексафторид урана UF6 желтый кек обычно восстанавливают безводным аммиаком до UO2, из которого затем с помощью плавиковой кислоты получают UF4. На последнем этапе, действуя на UF4 чистым фтором, получают UF6 – твердый продукт, возгоняющийся при комнатной температуре и нормальном давлении, а при повышенном давлении плавящийся. Пять крупнейших производителей урана (Канада, Россия, Нигер, Казахстан и Узбекистан) вместе могут давать 65 000 т UF6 в год.

Обогащение урана.

На следующем этапе ядерного топливного цикла повышается содержание U-235 в UF6. Природный уран состоит из трех изотопов: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) и U-234 (0,01%). Для реакции деления в ядерном реакторе необходимо более высокое содержание изотопа U-235. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. (Энергия, затрачиваемая на обогащение урана, измеряется в единицах разделительной работы, ЕРР.)

При газодиффузионном методе твердый гексафторид урана UF6 переводят понижением давления в газообразное состояние, а затем прокачивают по пористым трубкам из специального сплава, сквозь стенки которых газ может диффундировать. Поскольку масса атомов U-235 меньше, чем атомов U-238, они легче и быстрее диффундируют. В процессе диффузии газ обогащается изотопом U-235, а газ, прошедший по трубкам, обедняется. Обогащенный газ снова пропускают по трубкам, и процесс продолжается до тех пор, пока содержание изотопа U-235 в отборе не достигнет уровня (3–5%), необходимого для работы ядерного реактора. (Для оружейного урана требуется обогащение до уровня свыше 90% U-235.) В отходах обогащения остается лишь 0,2–0,3% изотопа U-235. Газодиффузионный метод характеризуется высокой энергоемкостью. Заводы, основанные на этом методе, имеются только в США, во Франции и в КНР.

В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF6 приводится в очень быстрое вращение. Благодаря различию в массе атомов, а следовательно, и в центробежных силах, действующих на атомы, газ вблизи оси вращения потока обогащается легким изотопом U-235. Обогащенный газ собирается и экстрагируется.

Изготовление твэлов.

Обогащенный UF6 поступает на завод в 2,5-т стальных контейнерах. Из него гидролизом получают UO2F2, который затем обрабатывают гидроксидом аммония. Выпавший в осадок диуранат аммония отфильтровывают и обжигают, получая диоксид урана UO2, который прессуют и спекают в виде небольших керамических таблеток. Таблетки вкладывают в трубки из циркониевого сплава (циркалоя) и получают топливные стержни, т.н. тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют примерно по 200 штук в законченные топливные сборки, готовые для использования на АЭС.

Отработанное ядерное топливо сильно радиоактивно и требует особых мер предосторожности при хранении и удалении в отходы. В принципе его можно переработать, отделив продукты деления от остатков урана и плутония, которые повторно могут служить ядерным топливом. Но такая переработка дорого стоит и соответствующие коммерческие предприятия имеются лишь в некоторых странах, например во Франции и Великобритании.

Объем производства.

К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе.

Мировая потребность в уране в середине 1990-х годов составляла ~75 млн. кг. Примерно по 30% этого количества приходилось на США и Европейский союз, а около 15% – на Восточную Азию. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

К концу 20 в. все большее влияние на урановую промышленность стали оказывать военные запасы урана. В конце 1992 Россия согласилась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США согласились приобрести этот материал по рыночным ценам. К 2000 ядерный материал конвертированного оружия составил не менее 20% предложения на мировом рынке урана. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ; ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ; УРАН.

Литература

Чесноков Н.И., Петросов А.А. Системы разработки месторождений урановых руд. М., 1982Смирнов Ю.В. и др. Аппараты и оборудование зарубежных гидрометаллургических заводов. М., 1984

 

www.krugosvet.ru

Золотится желтый кек • Аналитика • Окно в Россию

Для развития атомной энергетики России требуется больше ядерного топлива

К 2020 году госкорпорация «Росатом» планирует построить в РФ 26 новых ядерных энергоблоков. Они должны будут обеспечивать четверть от всей производимой в стране электроэнергии. И, разумеется, для ввода в эксплуатацию этих мощностей понадобится дополнительное урановое топливо. По оценке ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский геолого-разведочный институт им. А. П. Карпинского» (ВСЕГЕИ), потребности России (включая ввоз тепловыделяющих сборок и низкообогащенного урана) составляют сегодня 19,3 тыс. тонн в год, а к 2020 году возрастут до 20,5 тыс. тонн. Но у нас производят лишь пятую часть уранового сырья, в котором нуждается энергетика.

Геологи считают, что в год мировой атомной энергетике необходимо около 70 тыс. тонн уранового сырья. «Суммарные мировые запасы урана составляют 5,5 млн тонн. Это не обеспечит сырьевую потребность атомной энергетики в перспективе, так что необходимо увеличение объемов геолого-разведочных работ – нужны новые месторождения», – говорит зав. отделом геологии урановых месторождений и геоэкологии ВСЕГЕИ Юрий Миронов.

Всего в мире в 2010 году добыто 53,35 тыс. тонн урана. По оценке специалистов, 3 из 14 крупнейших урановых месторождений мира находятся в Казахстане. При этом пять месторождений, расположенных на территории республики, разрабатывают совместно с РФ. Казахстан занимает второе место в мире по объему достоверных разведанных запасов урана и первое – по добыче этого сырья. По данным казахстанского АО «Волковгеология», сейчас на территории республики разведано около 1,3 млн тонн урана.

Эксперты ОАО «Атомредметзолото» (АРМЗ – холдинг в структуре госконцерна «Росатом», ответственного за обеспечение сырьем российской ядерной отрасли) подсчитали, что в 2010 году в Казахстане добыли более 17,8 тыс. тонн урана, что на 28% выше показателей 2009 года. И это треть от мировой добычи. По предварительным итогам, в 2011 году этот показатель достигнет 19,6 тыс. тонн.

В тройку стран – лидеров по объемам добычи урана помимо Казахстана входят Канада и Австралия, в которых за аналогичный период было произведено более 9,3 и 6,2 тыс. тонн урана, соответственно. Следом идет Намибия с 4,5 тыс. тонн. По разным причинам эти три страны показали в 2010 году падение добычи: от 4% до 22%. Россия занимает пятую позицию в списке уранодобывающих стран с неизменными 3,6 тыс. тонн.

Структуры ОАО «Атомэнергопром» (входит в «Росатом» и объединяет гражданские активы отечественной атомной отрасли) добывают уран на трех российских предприятиях. Это ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (Краснокаменск, Забайкальский край), ЗАО «Далур» (Далматовский район Курганской области) и ОАО «Хиагда» (Бурятия). А также на совместном российско-казахстанском предприятии «Заречное». Планирует «Атомэнергопром» разрабатывать и новые российские месторождения, в частности – Эльконское в Якутии, а также на совместном предприятии «Акбастау» в Казахстане. Впрочем, Россия стремится участвовать и в перспективных проектах других стран: Украины, Армении, Канады, Намибии, Монголии...

Существует три метода добычи урана, применяемых в мировой практике. Два из них – традиционные для горнодобывающей промышленности: подземный (шахтный) и открытый (карьерный). Третий – метод скважинного подземного выщелачивания (СПВ), который используется с 1960-х годов. К слову, Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) считает эту технологию самым чистым и безопасным способом выработки месторождений. Она как раз и используется на российских урановых месторождениях, где работают компании «Хиагда» и «Далур».

Специалисты национальной атомной компании «Казатомпром» рассказали о технологических особенностях этого прогрессивного метода добычи. Так, сперва необходимо пробурить скважины, ведущие к залегающей в глубине ураносодержащей породе. Затем в рудоносный горизонт через эти скважины подается раствор серной кислоты слабой концентрации. В результате и происходит выщелачивание, то есть уран переходит в так называемый продуктивный раствор серной кислоты, из которого и осаждают соединения урана. Затем осадок сушат до получения «желтого кека» – концентрата урановых соединений. Эта масса, действительно имеющая ярко-желтый цвет, перерабатывается в закись-окись урана на специальном аффинажном заводе.

В результате этого процесса собственно урановая руда из недр не извлекается. Следовательно, нет и необходимости рекультивировать месторождение, как при шахтном или карьерном методе, что значительно сокращает сопутствующие затраты на добычу сырья. Кроме того, не образуется горных отвалов, да и вообще минимизируется опасность воздействия продуктов распада урана на персонал. Такой метод щадит экологию, но абсолютно безвредным, разумеется, назвать его нельзя.

«Основным источником негативного воздействия на окружающую среду при сооружении технологических скважин являются буровые передвижные установки с буровыми станками, экскаваторы, бульдозеры, передвижные электростанции, водовозы, вахтовые машины, ремонтная мастерская. Все эти механизмы при движении уплотняют и срезают почву, образуется пыль. И, конечно, автомобили и электростанция выбрасывают в атмосферу отработанные газы», – говорит генеральный директор АО «Волковгеология» Сергей Сушко.

Впрочем, все эти проблемы можно решить, используя более современную технику, соответствующую экологическим стандартам Евро-4. Также, как показывает практика, при соблюдении всех технологических требований поврежденная почва может восстановиться полностью буквально за два-три года после рекультивации. И, разумеется, при эксплуатации месторождения необходимо постоянно контролировать степень загрязнения почв и грунтов производственными и бытовыми отходами, состояние растительности и подземных вод, а также выбросы газов и пыли в атмосферу.

Оригинал публикации: Санкт-Петербургские ведомости

windowrussia.ruvr.ru

13.2. Аффинажное производство

Ионообменные смолы синтезируются путем полимеризации с отщеплением воды. После полимеризации в смоле возникают функциональные группы, например, карбоксиловая (-COONa),сульфониловая(-SO3Na)или аминовая(–Nh3 HCl). Первые два примера соответствуют катионообменной смоле, ион натрия (Na+1) которой обменивается на положительно заряженный ион, содержащий ценный компонент; отрицательно заряженный ион хлора(Cl–1)анионообменной смолы с аминовой группой обменивается на отрицательно заряженный ион, содержащий ценный компонент.

Рис. 177. Жёлтый кек.

На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно. Методы ионного обмена и экстракции позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После экстракции из раствора или после ионного обмена, осадок, содержащий уран, имеет ярко желтую окраску ("yellowcake" – жёлтый кек). После высокотемпературной сушки окись урана (U3O8), теперь уже

зеленого цвета, загружается в специальные емкости объемом 200 литров. Мощность дозы облучения на расстоянии одного метра от такой емкости равна, приблизительно половине того, что человек получает во время полета на самолете.

Конечным продуктом первичной гидрометаллургической переработки является урановый концентрат, содержащий закись-окисьурана U3O8 или соли урана – диуранат аммония.

Замечание. Жёлтый кэк - концентрат урана – слегка устаревшее название: жёлтым он был при старых технологиях, на современных заводах температуры отжига таковы, что цвет «кекса» варьируется от тёмнозелёного до чёрного. Осторожно: в разных странах и в разных компаниях под термином «жёлтый кек» подразумеваются разные вещества. В состав жёлтого кека входят: уранилгидроксид, уранилсульфат,пара-уранатнатрия, и уранилпероксид, наряду с различными оксидами. Обычно продукт содержит 70%вес U3O8 (полагают, что U3O8 – смесь 2:3 оксидов UO2 и UO3), при этом UO2 – чёрный порошок, а диуранат аммония (полупродукт) как раз яркожёлтого цвета.

Руда перерабатывается вначале в концентрат (солевой или оксидный), затем направляется на экстракционно-сорбционныйаффинаж (с получением двуокиси высокой чистоты) и последующее фторирование (с получением тетрафторида урана (UF4)). После чего тетрафторид урана переводят в гексафторид урана (UF6) путем фторирования в пламенном реакторе (с помощью элементарного фтора).

Аффинаж (фр.Affiner- очищать) – металлургический процесс получения разными способами благородных металлов высокой чистоты путём их разделения и отделения от них загрязняющих примесей. Аффинаж является одним из видов рафинирования металлов.

Рафинирование (нем.raffinieren, от фр.raffiner - очищать): Очистка от посторонних примесейкакого-либотехнического продукта. Рафинирование металлов - очистка «грязных» металлов от примесей. Существует три основных метода рафинирования металлов - электролитический, химический и пирометаллургический.

Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты подвергаются аффинажным операциям очистки с получением UO3 или U3O8.

Аффинажное производство начинается с очистки урана от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов – бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутилфосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2h3O) и начинают осторожно прокаливать.

Врезультате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

Впроизводстве тетрафторида урана применяют методы жидкостной экстракции (обычно трибутилфосфатом из азотнокислых сред), сочетая их с сорбцией на ионообменной смоле и осаждением в виде уранатов. В результате аффинажа уран получают в виде одного из таких соединений, как уранилнитрат.

UO2(NO3)2 6h3O, диуранат аммония, (Nh5)2U2O7, пероксид урана, UO4 2h3O, уранилтрикарбонат аммония, (Nh5)4[UO2(CO3)3]. Эти соединения или непосредственно фторируют, либо из них получают разные фториды, которые затем фторируют.

Рафинирование урана состоит из обычных химических операций, но поскольку примеси, поглощающие нейтроны, вредны даже в концентрациях, составляющих десятитысячные доли процента, применяются более жёсткие стандарты качества, чем в обычной металлургической практике. Сначала

концентрат растворяют в азотной кислоте для получения раствора уранил нитрата UO2(NO3)2. Это соединение растворимо в органических растворителях: диэтиловом эфире, метилизобутилкетоне (гексоне) и

трибутилфосфате, что позволяет его экстрагировать (потом его приходится извлекать реэкстракцией водой). Водный раствор концентрируют и упаривают до гексагидрата уранилнитрата, который разлагается прокаливанием до триоксида урана. Этот оксисд можно также получить прокаливанием осажденного из раствора уранил-нитрата(Nh5)2U2О7. В другой возможной последовательности операций производится непосредственное осаждение UО4 перекисью водорода. Затем UО3 или UO4 восстанавливают водородом или аммиаком до UO2 (коричневый оксид). Уран в виде UO2 используют как горючее, или же доксид урана обрабатываю фтористым водородом для получения UF4 (зеленая соль). В другом варианте процесса UО2 реагирует с Nh5UF2 и получается Nh5UF5, который разлагают на UF4 и Nh5F. Соединение UF4 используют для восстановления до металла или переводят в UF6 обработкой фтором и далее передают на разделение изотопов урана.

Процесс более прямого приготовления UF4 из концентрата позволяет избежать получение нитрата и UО3. Он включает следующие операции: восстановление до UО2, фторирование до UF4 и затем фторирование до UF6. На каждой операции реакция между твёрдым веществом и газом ведется в кипящем слое. Рафинирование достигается фракционной перегонкой UF6. Можно также осаждать UF4 непосредственно из водного раствора каталитическим восстановлением. Процессы с азотной кислотой и уранилнитратом применяются при регенерации скрапа.

13.2.1 Производство оксидов урана

Оксиды урана UO3, UO2 и U3O8 – важные промежуточные продукты уранового производства при получении фторидов урана и металлического урана. Некоторые из них к тому же могут непосредственно использоваться (после изотопного обогащения, естественно) как топливо АЭС. Например, применение огнеупорного, коррозионно- и радиационно устойчивого UO2 позволяет повысить рабочую температуру реактора, по сравнению с металлическими ТВЭЛами. Оксиды урана как наиболее устойчивые его соединения могут быть использованы для целей хранения урана и служить промежуточным звеном между урановорудным,аффинажно-металлургическими фторидными производствами. Поэтому к оксидам урана предъявляются совершенно определенные требования. Необходимо, чтобы они были кондиционными по содержанию примесей. В том случае, если предполагается применение оксидов урана в ядерных реакторах, содержание примесей в них должно быть весьма малым, соответствующим требованию ядерной чистоты продуктов (Табл.47).

Табл. 47. Спецификацияядерно-чистогодиоксида урана, изготовленного на заводеПорт-Хоуп(Канада)

Элемент

Максимально допустимое

 

содержание, части на миллион

 

частей урана

Ag

1

B

0,2

Cd

0,2

Cr

10

Cu

10

Fe

50

Mn

5

Mo

1

Ni

15

Si

20

Dy

0,1

Gd

0,05

Получение оксидов урана из уранилнитрата основано на процессе термической диссоциации соли (шестивалентного гидрата) при повышенной температуре.

UO2 (NO3 )2 6h3O200−450 oC →UO3 + NO2 + NO+O2 +6h3O

3UO2(NO3)26h3O 600−900 oC →U3O8+6NO2+2O2+18h3O

Несмотря на кажущуюся простоту, процесс достаточно тонкий, так как физические свойства получаемых оксидов сильно зависят от условий прокаливания (температуры, скорости ее подъема, вакуума и т. п.), а это важно для последующих стадий технологического передела. При низких температурах (200-450о)получается более реакционноспособный триоксид урана, легко превращаемый в диоксид и тетрафторид урана, поэтому процесс термической диссоциации уранилнитрата проводят при температурах, не

превышающих 400-450о.Обычно процесс осуществляется в печах кипящего слоя. Упаренный до70-100%гексагидрат уранилнитрата впрыскивается форсунками в печь кипящего слоя, который создается на основе гранул UO3 под действием воздушного дутья. Аппарат обогревают с помощью внешнего источника. Удаление триоксида урана из кипящего слоя осуществляется по переливным трубам. Отходящие газы фильтруют через металлокерамический фильтр. Оксиды азота улавливают и утилизируют для получения азотной кислоты. Остаточное содержание в триоксиде урана воды инитрат-ионаопределяется температурой кипящего слоя: в интервале температур 300450о содержание воды инитрат-ионав триоксиде урана не изменяется и составляет 0,1 – 0,2% и 0,4 – 0,5%. Процесс денитрации в аппаратах псевдоожиженного слоя характеризуется отсутствием местных перегревов, высокой скоростью термической диссоциации, а также хорошей регулируемостью процесса. К другим достоинствам процесса относятся невысокая коррозия аппарата, отсутствие загрязнений продуктов, сравнительная дешевизна операции.

Оксиды урана часто предпочитают получать из диураната аммония (Nh5)2U2O7, который не содержит в своем составе нелетучих компонентов, кроме урана. Достоинства диураната аммония как осадителя: простота получения аммиачным осаждением практически из любого раствора урансодержащего раствора; полнота перехода урана в осадок при таком осаждении; сравнительно низкая стоимость и недефицитность аммиака; возможность регенерации аммиака при прокаливании диураната аммония; получение сбросных по урану маточных растворов. В зависимости от температуры прокаливания диуранат аммония может быть переведен либо в триоксид урана, либо взакись-окисьурана. Составзакиси-окисиурана колеблется в зависимости от условий, и под U3O8 подразумевают продукт состава UO2,61 – UO2,64. Глубокая сушка диураната аммония – пастообразногокапиллярно-пористогоматериала – довольно сложна, поэтому на прокаливание обычно поступает влажный продукт. Уже при температуре 400о аммиак удаляется практически полностью, вода – в большей части. Прокаливание диураната аммония при 600о связано с полным удалением аммиака и воды; однако в этих условиях уже протекает разложение триоксида урана назакись-окисьурана и кислород. При соблюдении некоторых условий вместо получениязакиси-окисив результате диссоциации аммиака с образованием водорода идёт глубокое восстановление урана до UO2+x, для чего достаточно трети аммиака, имеющегося в диуранате аммония. В некоторых случаях прокаливание диураната аммония может быть связано с эффективной очисткой урана, например, от иона фтора.

Для получения оксидов урана методом прокаливания может быть использован пероксид урана UO4.2h3O, получающийся на одной из конечных стадий аффинажа урана и не содержащий нелетучих компонентов, кроме урана. При температуре около 400о разложение пероксида на воздухе протекает по реакции с образованием триоксида урана. Повышение температуры до 400 – 600о связано с разложением пероксида урана или полученного из него триоксида урана дозакиси-окисиурана. Так же, как и при прокаливании диураната аммония, примеси в большинстве своем концентрируются в оксидах урана. Количественно удаляются лишь вода, кислород и азот в результате сорбированного из азотнокислого раствора ионаNO3-.Размеры частиц, а следовательно, удельная поверхность и реакционная способность получаемых оксидов зависят от условий прокаливания. Оптимальная температура процесса 400 – 450оС.

Оксиды урана могут быть получены при термической диссоциации оксалата уранила, который в интервале температур 120-210о теряет свою кристаллизационную воду. При дальнейшем повышении температуры до 350о идет образование триоксида урана: При ещё более высоких температурах500-600о разложение оксалата уранила в вакууме или инертной атмосфере сопровождается образованием диоксида урана, что обусловлено восстанавливающим действием СО. Диоксид урана, полученный термической диссоциацией оксалата уранила, пирофорен, легко взаимодействует с газообразным фтористым водородом т плавиковой кислотой.

Аммонийуранилтрикарбонат разлагается на воздухе при температуре 700-900о с образованием закисиокиси урана. В этом же интервале температур, но в инертной атмосфере или под вакуумом разложение аммонийуранилтрикарбоната сопровождается образованием диоксида урана. Роль восстановителя в данном случае играет диссоциирующий аммиак. Восстановление происходит вследствие диссоциации Nh4. При соблюдении определенных условий удается получить диоксид урана составаUO2,05-UO2,06,что удовлетворяет требованиям последующей операции гидрофторирования оксида для получения тетрафторида урана.

Все рассмотренные методы получения оксидов урана дают возможность получить высшие оксиды урана (триоксид и закись-окисьурана). Для их восстановления используется водород или расщепленный аммиак при повышенных температурах. Прокаливание ниже 1000о независимо от парциального давления кислорода приводит к образованию оксида урана составаUO2,61-2,64.При производствезакиси-окисиурана поддерживают температуру 800о.

Восстановление высших оксидов урана до диоксида часто проводят аммиаком. Технологическая целесообразность этого процесса обусловлена доступностью, взрывобезопасностью аммиака, а также удобством его транспортировки. Возможны два варианта процесса: (1) аммиак предварительно расщепляется

и затем полученная азотно-водороднаясмесь подаётся на восстановление; (2) восстановление проводится непосредственно в токе аммиака.

Оборудование для восстановления оксидов урана включает: лодочки, помещаемые в трубчатые неподвижные печи; вращающиеся барабанные печи с внешним подогревом; шнековые печи с наружным электронагревом; виброреакторы, где перемешивание и перемещение твердого материала производятся действием вибрации. В настоящее время наиболее распространены аппараты кипящего слоя, высокопроизводительные и полностью автоматизированные. Применение этих аппаратов позволяет получать особо реакционноспособный диоксид урана, который на последующих стадиях может гидрофторироваться малым избытком HF.

13.2.2 Производство фторидов урана

Очищенные соединения урана подвергают фторированию с целью получения тетрафторида урана, UF4. Растворы солей U(Vl) восстанавливают до U(IV), из них осаждают UF4.2,5Н2О, который сушат и прокаливают при температуре 450о в атмосфере плавиковой кислоты. По другому способу получают UO3, который восстанавливают водородом и при430-600о фторируют образовавшийся UO2 сухим газообразным HF при550-600о.По другой технологии тетрафторид урана получают при осаждении кристаллогидрата UF4•nh3O HF кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450oC в токе водорода.

UF4 – «зелень» - образует зелёные кристаллы. Гидроскопичен, образует кристаллогидраты. Температура плавления 1036°; кипения 1730°; возгонки 1000° (в вакууме), растворимость в воде менее 0,1 г/л, в кислотах растворяется лучше. Тетрафторид урана поступает либо на сублиматный завод, где его фторируют до UF6, либо на металлургический завод, где его восстанавливают до металла. UF4 используют также для получения чистых оксидов урана.

Хороший метод получения UF4 из перекиси урана осуществляется по схеме:

UO 2H Oo →UO

→UO

→NH UF→UF

 

 

 

 

 

h3

Nh5HF2

 

 

 

4

2

250

C

3

2

4

5

нагрев

4

 

 

 

600 oC

150 oC

 

 

Смеси NaF-UF4 иKF-UF4 по сравнению с тетрафторидом урана имеют низкие температуры плавления и могут быть использованы как электролиты для получения металлического урана электрохимическими методами.

Известно много методов получения гексафторида урана, которые в принципе основаны на прямом или косвенном применении элементарного фтора, на реакциях диспропорционирования. При фторировании различных соединений урана практический интерес приобретают методы, требующие минимального количества фтора. На Рис. 178 указаны условия превращения различных соединений урана в UF6 и

необходимые для этого количества фтора на моль UF6.

Рис. 178. Превращение соединений урана в UF6 (показано число молей фтора, требующееся для образования 1 моля гексафторида урана).

Гексафторид урана получают взаимодействием соединений урана (например, тетрафторида UF4, оксидов) с F2. или некоторыми другими фторирующими агентами(ClF3, ClF5 и др.), а затем очищают ректификацией. В

промышленности реакцию проводят в пламени смеси h3 и F2.

Технология фторирования в вертикальном плазменном реакторе состоит в производстве чистого фтора, измельчения тетрафторида (UF4) или оксида урана до состояния порошка с последующим его сжиганием в

факеле фтора. Затем производится фильтрация гексафторида урана и его конденсация в системе холодных ловушек. Оборудование включает промышленные аппараты-реакторыдля получения UF6 фторированием тетрафторида и оксидов урана, конденсаторы для выделения UF6 из потока газов конденсацией и аппаратуру для обращения с UF6. Существуют также установки для высокотемпературного (пирогидролизного) превращения UF6 в диоксид – основной вид ныне используемого ядерного топлива.

Предприятия России по преобразованию оксида урана в гексафторид расположены в Верхнем Нейвинске (Екатеринбургская обл.) и Ангарске (Иркутская обл.). Их совокупная производительность 20 – 30 тыс. т гексафторида урана в год.

studfiles.net

УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ - это... Что такое УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ?

 УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ Уран - это основной энергоноситель ядерной энергетики, вырабатывающей около 20% мировой электроэнергии. Урановая промышленность охватывает все стадии производства урана, включая разведку месторождений, их разработку и обогащение руды. Переработку урана в топливо для реакторов можно рассматривать как естественную отрасль урановой промышленности.Ресурсы. Общемировые достаточно надежно разведанные ресурсы урана, который можно было бы выделить из руды по себестоимости не выше 100 долл. за килограмм, оцениваются приблизительно в 3,3 млрд. кг U3O8. Примерно 20% этого (ок. 0,7 млрд. кг U3O8, см. рисунок) приходится на Австралию, за которой следуют США (ок. 0,45 млрд. кг U3O8). Значительными ресурсами для производства урана располагают ЮАР и Канада.См. также МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ.МИРОВЫЕ ЗАПАСЫ УРАНА.Урановое производство. Основные этапы производства урана - это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U3O8, называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л. Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек.См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ.Переработка урана в ядерное топливо. Концентрат природного урана - желтый кек - это исходный компонент ядерного топливного цикла. Для превращения природного урана в топливо, соответствующее требованиям ядерного реактора, нужны еще три этапа: преобразование в UF6, обогащение урана и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).ЦИКЛ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА.Преобразование в UF6. Для преобразования оксида урана U3O8 в гексафторид урана UF6 желтый кек обычно восстанавливают безводным аммиаком до UO2, из которого затем с помощью плавиковой кислоты получают UF4. На последнем этапе, действуя на UF4 чистым фтором, получают UF6 - твердый продукт, возгоняющийся при комнатной температуре и нормальном давлении, а при повышенном давлении плавящийся. Пять крупнейших производителей урана (Канада, Россия, Нигер, Казахстан и Узбекистан) вместе могут давать 65 000 т UF6 в год.Обогащение урана. На следующем этапе ядерного топливного цикла повышается содержание U-235 в UF6. Природный уран состоит из трех изотопов: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) и U-234 (0,01%). Для реакции деления в ядерном реакторе необходимо более высокое содержание изотопа U-235. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. (Энергия, затрачиваемая на обогащение урана, измеряется в единицах разделительной работы, ЕРР.) При газодиффузионном методе твердый гексафторид урана UF6 переводят понижением давления в газообразное состояние, а затем прокачивают по пористым трубкам из специального сплава, сквозь стенки которых газ может диффундировать. Поскольку масса атомов U-235 меньше, чем атомов U-238, они легче и быстрее диффундируют. В процессе диффузии газ обогащается изотопом U-235, а газ, прошедший по трубкам, обедняется. Обогащенный газ снова пропускают по трубкам, и процесс продолжается до тех пор, пока содержание изотопа U-235 в отборе не достигнет уровня (3-5%), необходимого для работы ядерного реактора. (Для оружейного урана требуется обогащение до уровня свыше 90% U-235.) В отходах обогащения остается лишь 0,2-0,3% изотопа U-235. Газодиффузионный метод характеризуется высокой энергоемкостью. Заводы, основанные на этом методе, имеются только в США, во Франции и в КНР. В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF6 приводится в очень быстрое вращение. Благодаря различию в массе атомов, а следовательно, и в центробежных силах, действующих на атомы, газ вблизи оси вращения потока обогащается легким изотопом U-235. Обогащенный газ собирается и экстрагируется.Изготовление твэлов. Обогащенный UF6 поступает на завод в 2,5-т стальных контейнерах. Из него гидролизом получают UO2F2, который затем обрабатывают гидроксидом аммония. Выпавший в осадок диуранат аммония отфильтровывают и обжигают, получая диоксид урана UO2, который прессуют и спекают в виде небольших керамических таблеток. Таблетки вкладывают в трубки из циркониевого сплава (циркалоя) и получают топливные стержни, т.н. тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют примерно по 200 штук в законченные топливные сборки, готовые для использования на АЭС. Отработанное ядерное топливо сильно радиоактивно и требует особых мер предосторожности при хранении и удалении в отходы. В принципе его можно переработать, отделив продукты деления от остатков урана и плутония, которые повторно могут служить ядерным топливом. Но такая переработка дорого стоит и соответствующие коммерческие предприятия имеются лишь в некоторых странах, например во Франции и Великобритании.Объем производства. К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе. Мировая потребность в уране в середине 1990-х годов составляла УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ75 млн. кг. Примерно по 30% этого количества приходилось на США и Европейский союз, а около 15% - на Восточную Азию.См. такжеЯДЕР ДЕЛЕНИЕ;АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. К концу 20 в. все большее влияние на урановую промышленность стали оказывать военные запасы урана. В конце 1992 Россия согласилась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США согласились приобрести этот материал по рыночным ценам. К 2000 ядерный материал конвертированного оружия составил не менее 20% предложения на мировом рынке урана.См. такжеЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ;ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ;УРАН.ЛИТЕРАТУРАЧесноков Н.И., Петросов А.А. Системы разработки месторождений урановых руд. М., 1982 Смирнов Ю.В. и др. Аппараты и оборудование зарубежных гидрометаллургических заводов. М., 1984

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

  • ЦИНКОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
  • БУМАГА И ПРОЧИЕ ПИСЧИЕ МАТЕРИАЛЫ

Смотреть что такое "УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ" в других словарях:

  • Урановая промышленность —         (a. uranium industry; н. Uranindustrie, Uranbergbau; ф. industrie de minerais uraniferes, industrie de l uranium; и. industrie de uranio) отрасль ядерной энергетики, занимающаяся добычей и переработкой урановых и др. радиоактивных руд c… …   Геологическая энциклопедия

  • Горная промышленность — (Mining industry) Горнодобывающая промышленность, история горной промышленности Горнодобывающие предприятия и компании, подземные горные породы, горное оборудование Содержание Содержание Раздел 1. История . Горнодобывающая промышленность —… …   Энциклопедия инвестора

  • Горная промышленность — Горная промышленность  совокупность отраслей производства, занимающихся разведкой и добычей полезных ископаемых, а также их первичной обработкой и получением полуфабрикатов[1][2]. Выделяют следующие группы отраслей горной промышленности[2].… …   Википедия

  • Горная промышленность —         (a. mining industry; н. Bergbau, Montanindustrie; ф. industrie miniere; и. industria minera) совокупность отраслей произ ва, занимающихся разведкой и добычей (горнодоб. пром сть) п. и., а также их первичной обработкой и получением… …   Геологическая энциклопедия

  • Горнодобывающая промышленность Австралии — Золотой рудник Супер Пит (Super Pit), Калгурли, Западная Австралия  крупнейшее в Австралии место открытой добычи полезных ископаемых …   Википедия

  • Урановые руды —         (a. uranium ores; н. Uranerze; ф. minerais uraniferes, minerais d uranium; и. minerales de urania, minerales uranicos) природные минеральные образования, содержащие уран в таких концентрациях, кол вах и соединениях, при к рых его пром.… …   Геологическая энциклопедия

  • Соединённые Штаты Америки —         (United States of America), США (USA), гос во в Cев. Aмерике. Пл. 9363,2 тыс. км2. Hac. 242,1 млн. чел. (1987). Cтолица Bашингтон. B адм. отношении терр. США делится на 50 штатов и федеральный (столичный) округ Kолумбия. Oфиц. язык… …   Геологическая энциклопедия

  • АКТИНОИДЫ — гомологи лантаноидов, элементов подгруппы IIIB. Они содержат 15 элементов с атомными номерами от 89 до 103: актиний Ac, торий Th, протактиний Pa, уран U и трансурановые элементы (нептуний Np, плутоний Pu, америций Am, кюрий Cm, берклий Bk,… …   Энциклопедия Кольера

  • УРАНИНИТ — минерал, диоксид урана UO2. Часть урана обычно окислена до U6+, состав некоторых разновидностей (вторичных продуктов типа урановых черней) приближаются к U3O8. Содержит многочисленные, но в незначительном количестве, примеси других элементов, а… …   Энциклопедия Кольера

  • УРАН — 1. в греческой мифологии в греческой мифологии, персонификация неба, супруг Геи (Земли), от брака с которой родились титаны, киклопы и сторукие великаны. Уран был свергнут и оскоплен своим сыном Кроном, отцом олимпийских богов. Из его семени… …   Энциклопедия Кольера

dic.academic.ru


Смотрите также