Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет Курс профессиональной переподготовки Технологии урановых добывающих и перерабатывающих предприятий Рафинирование металлического урана. Получение фторида урана (VI). к.т.н., доцент кафедры ХТРЭ Николай Степанович Тураев РАФИНИРОВОЧНАЯ ПЛАВКА Для удаления ряда примесей черновые слитки урана подвергаются рафинировочной плавке в вакуумных индукционных печах. Существуют два механизма удаления примесей. Первый – испарение легко кипящих компонентов. Примесь будет испаряться тогда, когда упругость пара данной примеси над расплавом больше парциального давления ее в газовой фазе. С учетом законов Рауля и Дальтона o Pi Ni Pоб n i здесь Pi – упругость пара чистого компонента при температуре плавки, Ni– мольная доля примеси в расплаве, Pоб – давление в газовой фазе над расплавом, ni– мольная доля примеси в газовой фазе. Для уменьшения Ni нужно уменьшать Pоб и увеличивать Pi. Плавка проводится при остаточном давлении 0,1 мм Hg и при температуре 1300–15000С. При этом удаляются растворенные газы (N2, O2, F2, H2) и растворенные металлы с низкой температурой кипения: Cd(767оС), Na(883оС), Zn(907оС), Mg(1105оС), Li(1336оС), Ca(1495оС). Важным обстоятельством является высокая температура кипения металлического урана (3813 оС), следовательно, при температуре плавки упругость его паров будет ничтожна и потерь урана за счет испарения не будет. Второй механизм удаления примесей – всплытие твердых включений оксокарбонитридов урана в расплаве урана. После расплавления слитка для лучшей ликвации расплав выдерживается в течение часа при 1450оС. Процесс рафинирования производится в вакуумной индукционной печи (рис. следующий слайд). Вакуумная индукционная печь для рафинирования чернового урана. 1-основание изоляции; 2-нижняя часть изложницы; 3-экраны; 4-держатель; 5держатель огнеупорного экрана; 6-кольцевое основание для тигля; 7-ползун для поднятия пробки; 8-кольцо для поднятия муфты из окиси циркония; 9-внутренняя изоляционная крышка; 10-опора тигля;11-индуктор; 12-смотровое окно; 13-верхняя изоляционная крышка; 14-тепловой экран из ZrO2 для защиты индуктора; 15-крышка тигля; 16-тигель; 17-пробка;18-изо-ляционное основание;19-верхняя часть изложницы; 20-рычажное соединение; 21-донная футеровка; 22-рубашка изложницы. Черновой слиток помещаетсяв массивный графитовой тигель, изнутри побеленный известью. Включается вакуумная система. После достижения рабочего давления включается индуктор. При этом вокруг индуктора образуется переменное магнитное поле, которое индуцирует в графитовом тигле вторичный ток, под действием которого графит раскаляется. От графита тепло передается урану, он расплавляется и выдерживается один час при 1450оС, после чего нагрев отключается. Уран разливается в изложницы, находящиеся под вакуумом. Для ускорения охлаждения впускается гелий. После охлаждения слитки направляются на механическую обработку для изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Содержание примесей в рафинированном уране (в % масс.) составляет: углерод – 0,04; водород – 10-4; хлор – 5∙10-4 ; азот – 0,005; марганец – 0,0013; бор210-5; кадмий 210-5; хром – 0,002; серебро110-4; никель – 0,004; кальций – 110-4; магний – 110-5. Для улучшения физико-механических характеристик в качестве легирующих добавок могут вноситься алюминий, железо, кремний, молибден в количествах, измеряемыми десятыми долями процента. Литой уран с крупнозернистой структурой (-фаза) непригоден для изготовления ТВЭЛов. Большей прочностью обладает -уран, существующий при 662–769оС. Он обладает мелкокристаллической структурой, достаточной твердостью, способностью к закаливанию; -уран (769–1130оС) – пластичен. Поэтому слиток урана нагревается выше 800оС, прокатывается в -фазе, закаливается водой в -фазе. Стержни разрезаются ножницами, полученные цилиндры на токарном станке доводятся до нужных размеров, закатываются в алюминиевую оболочку, нагреваются до 432оС для разрушения гидрида урана, после чего отверстие для выхода водорода заплавляется. Полученный ТВЭЛ направляется на «промышленные» реакторы с целью наработки плутония. В современных энергетических АЭС ТВЭЛы изготовляются из диоксида урана, обогащенного по изотопу U235 до 2,4–4,4%.