Конспект лекций по курсу
Вакуумные методы
Электролитическое рафинирование
Методы электролитического рафинирования для этих элементов апробированы, но не нашли практического использования
Вакуумная дистилляция – основной метод очистки РЗМ (особенно легколетучих)
Вакуумный электродуговой переплав используют для выплавки компактных циркония, гафния и тория, а также их сплавов с легирующими компонентами (например, Zr-Nb)
Электронно-лучевой переплав тугоплавких Zr, Hf и Th считается наиболее перспектив-ным способом их очистки (внедрение).
«металлугия урана
и технология его соединений»
Предназначен для студентов очной формы обучения по специальности 240601 «Химическая технология материалов современной энергетики»
Екатеринбург
Авторы: А.Л. Смирнов (разделы 5 и 6),
В.А. Волкович (разделы 1 – 4 и 7 – 9).
Научный редактор: проф., д-р тех. наук, С.П. Распопин.
переработка облучённого ядерного топлива: Конспект лекций / А.Л. Смирнов, В.А. Волкович. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. 317 с.
В предлагаемом конспекте представлен материал лекций по курсу «Металлургия урана и технология его соединений», одного из профилирующих дисциплин специальности 240601. В конспекте представлены подробные сведения о свойствах урана и его соединений, областях применения, конъюнктуре рынка, рассмотрены и систематизированы теоретические и прикладные основы разнообразных процессов получения урана, его сплавов и соединений. Особое внимание уделяется способам получения и рафинирования металла. Конспект предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 240601 – «Химическая технология материалов современной энергетики».
© А.Л. Смирнов, В.А. Волкович, 2008
© ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2008
Конспект лекций подготовлен в рамках выполнения Инновационной образовательной программы.
Содержание
1. Введение в курс «Металлургия урана и технология его соединений» 8
История открытия урана. 9
Деление урана. 14
Классификация ядерных реакторов. 16
Основы работы ядерных реакторов. 18
Человек и энергия. 25
2. Сырьевые источники урана. 28
Распространённость урана в природе. 28
Изотопный состав урана. 29
Минералы урана. 30
Классификация собственных урановых минералов по химическому составу 30
Классификация урансодержащих минералов по химическому составу 33
Характерные особенности состава урановых и урансодержащих минералов 34
Классификация урановых минералов по происхождению (по генезису) 34
Классификация урановых руд по определяющим технологию признакам 36
Краткая характеристика месторождений урана. 37
Европа. 37
Азия. 38
Северная Америка. 38
Южная Америка. 39
Африка. 39
Австралия. 39
Российские месторождения урана, предприятия по его добыче и переработке 40
Сырьевая база урана. 41
3. Использование урана в технике. 44
Основные области применения урана. 44
Современное состояние атомной энергетики. 48
Атомная энергетика России, её потребности в уране. 49
Запасы урана и уранодобывающая промышленность. Современное состояние рынка урана. 52
Международный рынок урана. 53
Спрос на уран. 55
Поставки урана. 55
Перспективы производства в Казахстане. 56
Перспективы производства в Канаде. 56
Перспективы развития производства в Австралии. 57
Перспективы развития производства в других регионах мира. 57
Материальные запасы.. 58
Разведка месторождений. 58
Структура ядерного топливного цикла. 59
4. Обогащение урановых руд. 60
Принципиальные основы обогащения урановых руд. Оценка результатов обогащения. 60
Дробление руд. 63
Классификация. 68
Основные методы обогащения урановых руд. 75
Рудоразборка по цвету. 75
Рудоразборка с использованием флюоресценции. 75
Гравитационное обогащение. 75
Классификационное обогащение. 82
Флотационное обогащение. 83
Радиометрическое обогащение. 84
Магнитное обогащение. 84
Электрическое обогащение. 85
5. Вскрытие урановых руд и концентратов. 88
Поведение урана в водных растворах. 88
Трехвалентный уран U3+ 88
Четырехвалентный уран U4+ 89
Пятивалентный уран UO2+ 90
Шестивалентный уран UO22+ 90
Кислотное выщелачивание урановых руд. 97
Карбонатное выщелачивание урановых руд. 103
Кислотно-содовое выщелачивание. 107
Аппаратура процессов выщелачивания. 108
Подземное выщелачивание. 120
6. Очистка урана. 137
Выделение урана из растворов (пульп) – грубая очистка урана. 137
Химическое осаждение урана из растворов. 137
Осаждение урана из кислых растворов. 138
Осаждение урана из карбонатных растворов. 143
Технологические аспекты проведения процесса осаждения урана. 146
Щелочная репульпация фосфатных концентратов. 148
Выделение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена 149
Ионный обмен. Общие положения. 149
Извлечение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена 150
Разделение урана и молибдена с помощью ионообменных процессов 156
Аппаратура ионообменных процессов. 161
Расчет процесса ионообменного извлечения урана. 179
Извлечение урана из растворов экстракцией органическими растворителями 186
Классификация экстрагентов. 187
Извлечение урана из растворов с применением экстракции. 188
7. Технология соединений урана. 196
Оксиды урана. 196
Октаоксид триурана. 199
Свойства. 199
Способы получения октаоксида триурана. 199
Диоксид урана. 200
Свойства. 200
Способы получения диоксида урана. 201
Кондиционные требования к качеству порошка диоксида урана. 208
Таблетирование диоксида урана. 209
Пример технологической схемы производства топливных таблеток 211
Триоксид урана. 213
Основные свойства. 213
Способы получения триоксида урана. 214
Сложные оксиды урана. 215
Тетрафторид урана. 217
Основные свойства. 217
Способы получения. 218
Гексафторид урана. Свойства. Способы получения. Применение гексафторида для разделения изотопов урана. 225
Основные свойства. 225
Способы получения. 226
Разделение изотопов урана. 228
Тетрахлорид урана. 234
Свойства. 234
Способы получения. 235
Карбиды и нитриды урана. Свойства. Способы получения. 236
Карбиды урана. 236
Нитриды урана. 240
8. Металлический уран и его сплавы.. 243
Физические и химические свойства металла. Зависимость их от чистоты. Примеси и загрязнения. Требования к урану и его сплавам. 243
Химические свойства урана. 251
Классификация способов получения урана. 255
Получение металлического урана. 257
Методы получения урана, применяемые в промышленных масштабах 264
Краткая характеристика промышленных способов получения металла 264
Способы рафинирования урана. 279
Индукционно-вакуумный переплав. 280
Электролитическое рафинирование металла. 284
Зонная перекристаллизация. 286
Легирование и литьё урана. Материалы изложниц и тиглей. 287
Механическая и термическая обработка урана. 292
Механическая обработка. 292
Термическая обработка. 294
Получение изделий из порошкообразного урана. Композитные материалы на основе урана и его соединений. 295
9. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. 297
Изготовление металлических ТВЭЛов. Механическая обработка. 300
Нанесение защитных покрытий, оболочек и герметизация ТВЭЛов. 303
Антикоррозионная защита ТВЭЛов и ТВС.. 303
Герметизация концов ТВЭлов. 305
Особенности службы ТВЭЛов в реакторах. 305
Основная литература. 309
Дополнительные материалы к разделу 1. 311
Мартин Генрих Клапрот (01.12.1743 – 01.01.1817) 311
Эжен Мелькьор Пелиго (24.02.1811 – 15.04.1890) 312
Антуан Анри Беккерель (15.12.1852 – 25.08.1908) 313
Мария Склодовская-Кюри (07.11.1867 – 04.07.1934) 314
Кюри Пьер (15.05.1859 – 19.04.1906) 315
Дополнительные материалы к разделу 3. 317
1. Введение в курс «Металлургия урана и технология его соединений»
Краткое содержание раздела
Название, цели и содержание курса.
История открытия урана, накопление знаний о свойствах металла, сплавов его соединений. Начало практического использования урана. Зарождение технологии и металлургии урана.
Открытие А. Беккерелем радиоактивности урановых препаратов. Открытие П. и М. Кюри в полиметаллических урансодержащих рудах полония и радия. Предвидения Д.И. Менделеева и В.И. Вернадского о роли урана в будущем.
Великие открытия тридцатых годов ХХ века, начавшиеся с открытия Д. Чедвиком нейтрона. Взаимодействие изотопов урана с нейтронами. Реакция деления урана-235. Реакции конверсии урана-238 в плутоний-239 и тория-232 в уран-233. Открытие возможностей использования реакций деления - урана-235, плутония-239 и урана-233 для создания ядерного оружия и развития ядерной энергетики (ЯЭ).
Классификация ядерных реакторов (ЯР) по назначению, характеристикам нейтронов, способам теплосъема, используемым в них делящихся материалов, составу ядерного топлива (ЯТ) и результатам работы. Оценка проблем, возникающих при использовании реакторов деления в ЯЭ.
Человек и энергия. Увеличение потребления энергии в истории человечества. Технико-экономическая оценка возобновляемых, невозобновляемых и ядерных энергоносителей. Социальные и экономические проблемы энергетики.
Курс «Металлургия урана и технология его соединений» является основным технологическим курсом при подготовке специалистов в области химической технологии материалов современной энергетики. Благодаря разнообразию технологических приёмов, используемых при производстве урана и его соединений, при изучении данного курса используются и закрепляются знания, полученные ранее при изучении таких дисциплин, как «Процессы и аппараты химических технологий», «Физическая химия», «Физико-химические основы технологии редких элементов».
Термин технология происходит от двух греческих слов: techno, означающего мастерство (искусство) и logos – наука.
Современное определение данного понятия может быть сформулировано следующим образом: технология – это наука о совокупности рациональных действий, необходимых для получения из сырья чего-либо качественно нового. Новое – это вещества, изделия, энергия, машины, сооружения, продукты питания и т.д., т.е. бесчисленное множество всего того, что нужно человеку и обществу. Цели и масштабы технологических процессов чрезвычайно разнообразны, возникает много различных по своей направленности отраслей и подотраслей промышленного производства. Например, технология ЯТ – ядерного топлива.
Металлургия является частным случаем определённой специфической технологии. Термин металлургия происходит от древнегреческого – «обрабатываю металл» или искусство обрабатывать металл. Современное определение: металлургия – это наука об извлечении металлов из руд и других источников, о получении металлов, их сплавов и композиционных материалов, а также о термомеханической обработке материалов на металлической основе. Конечная цель металлургии – это производство металлов, сплавов, композиций с заданным сочетанием свойств.