Получение ядерно-чистых соединений

Природного урана

Уран – это металл с высокой плотностью (более 19 г/см³ при комнатной температуре), температурой плавления 1130 °С, низкой тепло- и электропроводностью. Ввиду высокой химической активности в природе он в чистом виде не встречается.

Наиболее важные химические соединения урана:

двуокись (диоксид) – порошок тёмно-коричневого цвета, с температурой плавления около 2800 °С;

трехокись (триоксид) ;

закись-окись ;

карбиды и ;

Рис. 3.1. Разомкнутый (п. 1–7) и замкнутый (п. 1–9) ядерно-топливные циклы

фторид (твердое соединение) и (гексафторид урана – газообразное вещество при условиях, близких к нормальным).

Концентрация урана в земной коре в среднем составляет (по массе). В урановых месторождениях, имеющих промышленное значение, руда содержит от нескольких сотых до нескольких десятых долей процента урана.

Получение ядерно-чистых соединений природного урана осуществляется в такой последовательности:

а) добыча урановой руды в шахтах (рудниках) или открытым способом (в карьерах);

б) размельчение и механическое обогащение руды (при этом используются отличия свойств урановых минералов от остальной породы – по радиоактивности, плотности, а при измельчении до размеров менее 0,3 мм и по смачиваемости);

в) выщелачивание урана из измельченной руды (используется свойство окислов урана растворяться в водных растворах сильных кислот или в щелочных растворах; при этом можно вывести из руды в раствор практически весь уран);

г) селективное (избирательное) выделение урана из кислотных или щелочных растворов методом сорбции (на органических смолах) или экстракции (с помощью некоторых органических растворителей, не смешивающихся с водой, но способных образовывать растворимые комплексы с урановыми соединениями);

д) получение сухих концентратов, содержащих примерно 60–80 % урана (путем осаждения урана из концентрированных растворов с помощью перекиси водорода, аммиака и других реагентов – с последующей просушкой осадка);

е) аффинаж (тонкая очистка), то есть получение ядерно-чистых соединений природного урана из сухих концентратов методом экстракционной очистки с помощью водного раствора трибутилфосфата (ТБФ) – органической жидкости, способной выводить соединения урана из раствора без захвата сопутствующих примесей;

ж) получение гексафторида урана при взаимодействии фторирующих реагентов (, ) с оксидными соединениями урана.

В процессе разделения изотопов и используется именно , поскольку это газообразное вещество.

Определим производительность предприятий горнодобывающего (п. а) , т руды/год, гидрометаллургического (п. б–е) , т /год, и сублиматного (п. ж) , т /год, производств, необходимую для удовлетворения годовой потребности реактора с тепловой мощностью в

природном уране

(3.1)

где – средняя концентрация урана в добываемой руде, %

(3.2)

Формула (3.2) записана в предположении, что получаемым ядерно-чистым соединением урана является его закись-окись (для других соединений соотношение аналогичное), для которой коэффициент , отражающий массовую долю урана в этом веществе, рассчитывается следующим образом:

(3.3)

Здесь учтено то обстоятельство, что при вычислении можно пренебречь долей легкого изотопа , поскольку в природном уране она составляет примерно 0,71 %.

(3.4)