Получение металлического урана

 

Металлический уран получают восстановлением урановых галогенидов

(обычно тетрафторида урана) магнием в экзотермической реакции в «бомбе» - герметичном контейнере, обычно стальном, общая методика известна как «термитный процесс». Реакции в «бомбе» протекают при температурах, превышающих 1300°C. Прочный стальной корпус необходим, чтобы выдержать высокое давление внутри него. «Бомба» заряжается гранулами  и в избытке засыпается тонко диспергированным магнием и нагревается до 500-700°C, с этого момента начинается саморазогревающаяся реакция. Теплоты реакции достаточно для расплавления начинки «бомбы», состоящей из металлического урана и шлака - фторида магния, . Шлак отделяется и всплывет вверх. Когда «бомба» охлаждается, получается слиток металлического урана, который, несмотря на содержание в нем водорода, подходит для топлива АЭС.

Металл получается и при восстановлении оксидов урана кальцием, алюминием или углеродом при высоких температурах; или электролизом  или , растворенных в расплаве  и NaCl. Уран высокой чистоты можно получить термическим разложением галогенидов урана на поверхности тонкой нити. При завершении процесса обогащения урана, обычно в отходах остается 0.25-0.4% , так как извлекать этот изотоп до конца экономически невыгодно.

Восстановленные слитки переплавляют в вакууме и отливают заготовки необходимой формы, которые затем подвергают обработке давлением. Конверсия в металлический уран осуществляется посредством его восстановления магнием (крупные партии) или кальцием (малые партии). Реакция осуществляется при температурах выше точки плавления урана (1130°С).

Уран служит основным горючим в ядерных реакторах. В промышленных (военных) реакторах преимущественно используют металлический уран, легированный или нелегированный. Однако в энергетических типах реакторов применяют горючее в форме твердых соединений (например, UO2, карбиды или нитриды урана), а также водных растворов соединений урана или жидкого сплава урана в другом металле.

Америций

Металлический америций гораздо более электроположителен, чем уран, нептуний или плутоний, и может быть получен только при действии сильных восстановителей на безводные соединения америция при высокой температуре.

Впервые металл был получен в 1951 г. восстановлением трифторида америция парами металлического бария при температуре около 1200° С:

 

2AmF₃ + ЗВа -> 2Am + 3BaF₂.

 

Восстановление проводили в тиглях из окиси бериллия в высоком вакууме, используя аппаратуру, разработанную для получения других актинидов в металлическом состоянии. Этот метод получения металлического америция использовался позже и в других работах.

Металлический америций может быть получен восстановлением трихлорида америция парами бария или кальция. Однако при этом в процессе реакции в восстановленный металл вводятся дополнительные примеси, от которых в дальнейшем его трудно очистить. В качестве исходного материала для получения металлического америция использовали также полуторную окись Am₂0₃ или двуокись Аm0₂ (при получении миллиграммовых и граммовых количеств америция), а в качестве восстановителя — лантан. Процесс протекает при высокой температуре. Уэйд и Уолф после проведения пятнадцати последовательных восстановительных операций получили около 150 г высокочистого металла (99,9 %). В качестве восстановителей при получении металлического америция допытывались и другие металлы: цезий, калий, литий, натрий, однако этими восстановителями оказались барий и лантан.

Кюрий

Металлический кюрий, как и америций, получается восстановлением трифторида кюрия парами металлического бария при 1275° С. Предложен также метод приготовления металлического кюрия, состоящий в восстановлении двуокиси кюрия (Сm0₂) сплавом Mg — Zn в присутствии флюса MgCl₂ — В расплавленном состоянии при 800-900° С и 1050°С

Берклий

Кристаллическая структура металлического берклия была определена на образце весом 10 мкг. При низкой температуре металл имеет гексагональную структуру плотной упаковки, аналогичную структурам металлического америция и кюрия. При повышенной температуре существует модификация с кубической гранецентрированной сингонией, аналогичной модификации металлического америция, существующей при 600° С. Металлические радиусы в двух фазах берклия существенно различны. Данные относительно получения других ТПЭ в металлическом состоянии отсутствуют. Вероятно, методы получения тяжелых ТПЭ не будут существенно отличаться от методов получения америция, кюрия и берклия.

Заключение

 

За полвека, минувшие со времени получения первых микрограммов трансурановых элементов, границы периодической системы Д.И.Менделеева, которой в марте этого года исполняется 130 лет, расширились более чем на 20%. При этом количество многих из них измеряется уже не микро- или миллиграммами, а килограммами и даже тоннами. Например, в 1975 году в США было получено 200 кг нептуния, а в 1980 году — 500 кг; плутония — 10 и 30 т соответственно; америция — 70 и 200 кг, кюрия — 3 и 30 кг...

Многотоннажное производство плутония, составляющего основу ядерных боеприпасов, объяснялось гонкой вооружений в годы «холодной войны» и стремлением сверхдержав любой ценой достичь военного превосходства. Но не только военное применение побудило людей увеличивать запасы этого смертоносного элемента. Еще в декабре 1935 года в традиционной нобелевской лекции Ф.Жолио-Кюри произнес пророческие слова: «Если мы сможем осуществить подобные превращения (речь шла о вторичной радиоактивности и получении новых изотопов. — И.Р.), то удастся высвободить огромное количество энергии, которую можно будет использовать». А другой нобелевский лауреат, Гленн Сиборг, заявил в апреле 1968 года в докладе на симпозиуме Американского химического общества, посвященном микроскопическим исследованиям актинидов: «Промышленное производство актинидов и их практическое применение стало возможным после изобретения атомной бомбы, в которой был использован синтезированный плутоний».

А каким может стать практическое применение актинидов, и в особенности трансурановых элементов, теперь, когда запасы ядерного оружия стали сокращать?

Естественно, главная сфера мирного использования актинидов — энергетика. В ряде стран атомные электростанции (АЭС) обеспечивают значительную долю всех энергетических потребностей: например, в Литве — 85%, Франции — 76%, Бельгии — 56%, Швеции — 46%, Испании — 40%, США — 22%, России — 14%. Ядерные реакторы нашли также широкое применение в качестве энергетических установок на ледоколах, надводных и подводных кораблях военно-морских сил атомных держав. Однако трансураны можно использовать не только в энергетических установках большой мощности

Энерговыделение атомного ядра существенно зависит от типа его распада. Так, если использовать альфа-излучающий изотоп, то каждая альфа-частица (ион гелия), вылетающая при распаде его ядра, несет около 5 МэВ энергии; при делении же тяжелого изотопа высвобождается в 40 раз больше энергии (рис. 1).

1 г плутония-238 с периодом полураспада 86,4 лет, энергией альфа-частиц 5,5 МэВ и начальной энергией излучения 0,5 Вт/г за 10 лет эксплуатации способен произвести около 42 кВт-ч. энергии. Чтобы получить такое же количество энергии путем сжигания органического топлива (например, бутана), его потребуется 3,3 кг, да еще 12 кг кислорода в придачу, то есть всего свыше 15 кг вещества, в 15 тыс. раз больше массы плутония. Если же вместо чистого кислорода использовать воздух, то это соотношение возрастет в пять раз. Существенно и различие в объемах: для плутония это всего лишь 0,1 см³, а для бутана и кислорода — по меньшей мере два баллона высокого давления.

Правда, наряду с такой оценкой, отдающей бесспорное преимущество плутонию, следует учитывать еще и стоимость того или иного вида топлива, а также оборудования, необходимого для его безопасного использования. Четверть века назад один грамм плутония-238 стоил около 1000 долларов США (хотя впоследствии его цена существенно снизилась); в то же время цена сожженного бутана и кислорода составляла всего 10 долларов. Правда, за 10 лет эксплуатации изотопной установки будет израсходовано всего лишь 7% исходного плутония (рис. 2), то есть 0.07 грамм, стоимость которого равна 70 долларам, но сложность оборудования и специфические требования техники безопасности позволяют применять плутониевые источники энергии лишь в особых случаях.

Например, радиоизотопные источники тепловой энергии безусловно необходимы в космических аппаратах и на полярных станциях, а также везде, где обычные источники тепла невозможно использовать. Значительно чаще радиоизотопные источники энергии применяют в качестве генераторов электрического тока для автономного питания различных приборов, постоянное обслуживание которых и подключение к стационарной сети невозможно по тем или иным причинам. Это, например, автоматические метеостанции, некоторое оборудование военного назначения.

 

Используемая литература

 

1. Несмеянов А. Н., Радиохимия, М., 1972.

2. Мясоедов Б.Ф., Аналитическая химия элементов. Трансплутониевые элементы Am – Ku, М., 1972.