Лекция 23 - Томский политехнический университет

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; бор210-5; кадмий 210-5; хром – 0,002;
серебро110-4; никель – 0,004; кальций – 110-4; магний – 110-5.
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%.