Производство урана

Известны следующие методы получения урана:

1) восстановление оксидов урана кальцием или гидридом кальция;

2) восстановление тетрафторида или тетрахлорида урана кальцием или магнием;

3) электролиз галоидных солей в расплавленных средах.

В результате восстановления оксидов, а также при электролизе расплавленных сред получают порошкообразный металл, который отделяют от оксидов и солей обработкой водой и кислотами. Между тем в результате металлотермического восстановления галоидных солей уран получают в форме слитка, хорошо отделяющегося от шлака, что представляет существенные преимущества и объясняет более широкое применение металлотермии галогенидов.

Хлорид урана UCl₄ в отличие от фторида весьма гигроскопичен, что затрудняет работу с ним. Кроме того, хлорид кипит при 800 ^оС, что требует проведения восстановления в герметичном аппарате. Ввиду этого производство урана базируется преимущественно на восстановлении тетрафториде урана.

5.3.12. Восстановление тетрафторида урана кальцием

При восстановлении тетрафторида урана кальцием по реакции

UF₄ + 2 Са = U + 2 CaF₂ + 575 кДж (5.36)

выделяется около 1465 кДж на 1 кг смеси UF₄ + 2 Са. Тепла достаточно для самопроизвольного протекания реакции и поддержания температуры, при которой металл и шлак (CaF₂) находятся в расплавленном состоянии. Для этого необходима температура 1450 ^оС (CaF₂ плавится при 1418 ^оС). Восстановление можно проводить при атмосферном давлении, так как температура кипения кальция сравнительно высока (1420 ^оС). Восстановление проводят в тиглях из нержавеющей стали, футерованных чистым фторидом кальция. Для восстановления применяют кальций, очищенный дистилляцией в вакууме, в виде стружки толщиной 2 - 3 мм. Восстановитель вводят в шихту с избытком ~20 % от стехиометрического. Смесь либо непосредственно засыпают в тигель и слегка утрамбовывают, либо предварительно брикетируют.

Шихту зажигают с помощью электрической искры или зажигают запальную смесь (например, пероксид натрия с магниевым порошком), помещаемую в верхней части шихты. Реакция быстро распространяется по всей шихте. Металл стекает вниз, образуя слиток, хорошо отделяемый от шлака. Этим способом получают слитки урана массой 100 кг и больше.

Выход урана в слиток составляет 98 - 99 %. Содержание примесей в слитках следующее, %: Fe 0,02 - 0,005; Si 0,01 - 0,05; Са 0,002 - 0,005; Mn 0,001 - 0,0005; Н 3 - 5 см³ на 100 г металла.

5.3.13. Восстановление тетрафторида урана магнием

Условия восстановления UF₄ магнием отличаются от описанных для кальциетермического процесса.

Тепловой эффект реакции

UF₄ + 2 Mg = U + 2 MgF₂ + 372 кДж (5.37)

примерно на 205 кДж ниже, чем при восстановлении кальцием. На 1 кг смеси UF₄ + 2 Mg выделяется 1028 кДж. Этого тепла недостаточно для расплавления продуктов реакции, поэтому необходимо нагревать весь реактор с шихтой до температуры зажигания.

Точка кипения магния (1105 ^оС) ниже температуры плавления шлака (MgF₂ плавится при 1260 °С). Поэтому необходимо проводить восстановление в герметичном аппарате (типа бомбы) под давлением паров магния.

Вместе с тем, магний обладает некоторыми преимуществами. Магний более устойчив на воздухе. Выпускаемый промышленностью магний высокой чистоты содержит меньше вредных для урана примесей. Магний легче кальция и весовой расход его на 1 т урана в 1,6 раза ниже, чем кальция.

Восстановление проводят в стальных тиглях, изготовленных из цельнотянутых труб диаметром 325 - 390 мм. Высота тиглей 915 — 1145 мм. Тигли футеруют фтористым магнием, их герметично закрывают крышкой. Порошок магния с размером частиц ~2 мм смешивают с UF₄ (избыток магния 4 — 5 %). Тигель, заполненный шихтой и герметично закрытый, устанавливают в газовой печи (снаружи оставляют только крышку). При нагревании шихты до 550 - 700 ^оС инициируется реакция, которая заканчивается примерно за 1 мин.

Слиток легко отделяется от шлака. Выход металла достигает 98 %. В тиглях диаметром 325 мм за одну плавку получают слиток массой 100 кг.

Освоен процесс магнийтермического восстановления UF₄ с одновременной загрузкой 2 т фторида урана. Получают слитки массой 1225 кг (диаметр слитка ~ 445 мм, высота 432 мм). Большая величина загрузки обусловливает медленное охлаждение и хорошее отделение металла от шлака. Такие слитки не требуют вакуумной переплавки и могут непосредственно направлять на обработку давлением.