Конспект лекций по курсу

Вакуумные методы

Электролитическое рафинирование

Методы электролитического рафинирования для этих элементов апробированы, но не нашли практического использования

Вакуумная дистилляция – основной метод очистки РЗМ (особенно легколетучих)

Вакуумный электродуговой переплав используют для выплавки компактных циркония, гафния и тория, а также их сплавов с легирующими компонентами (например, Zr-Nb)

Электронно-лучевой переплав тугоплавких Zr, Hf и Th считается наиболее перспектив-ным способом их очистки (внедрение).

«металлугия урана
и технология его соединений»

Предназначен для студентов очной формы обучения по специальности 240601 «Химическая технология материалов современной энергетики»

Екатеринбург

Авторы: А.Л. Смирнов (разделы 5 и 6),

В.А. Волкович (разделы 1 – 4 и 7 – 9).

Научный редактор: проф., д-р тех. наук, С.П. Распопин.

переработка облучённого ядерного топлива: Конспект лекций / А.Л. Смирнов, В.А. Волкович. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. 317 с.

В предлагаемом конспекте представлен материал лекций по курсу «Металлургия урана и технология его соединений», одного из профилирующих дисциплин специальности 240601. В конспекте представлены подробные сведения о свойствах урана и его соединений, областях применения, конъюнктуре рынка, рассмотрены и систематизированы теоретические и прикладные основы разнообразных процессов получения урана, его сплавов и соединений. Особое внимание уделяется способам получения и рафинирования металла. Конспект предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 240601 – «Химическая технология материалов современной энергетики».

© А.Л. Смирнов, В.А. Волкович, 2008

© ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2008

Конспект лекций подготовлен в рамках выполнения Инновационной образовательной программы.

Содержание

1. Введение в курс «Металлургия урана и технология его соединений» 8

История открытия урана. 9

Деление урана. 14

Классификация ядерных реакторов. 16

Основы работы ядерных реакторов. 18

Человек и энергия. 25

2. Сырьевые источники урана. 28

Распространённость урана в природе. 28

Изотопный состав урана. 29

Минералы урана. 30

Классификация собственных урановых минералов по химическому составу 30

Классификация урансодержащих минералов по химическому составу 33

Характерные особенности состава урановых и урансодержащих минералов 34

Классификация урановых минералов по происхождению (по генезису) 34

Классификация урановых руд по определяющим технологию признакам 36

Краткая характеристика месторождений урана. 37

Европа. 37

Азия. 38

Северная Америка. 38

Южная Америка. 39

Африка. 39

Австралия. 39

Российские месторождения урана, предприятия по его добыче и переработке 40

Сырьевая база урана. 41

3. Использование урана в технике. 44

Основные области применения урана. 44

Современное состояние атомной энергетики. 48

Атомная энергетика России, её потребности в уране. 49

Запасы урана и уранодобывающая промышленность. Современное состояние рынка урана. 52

Международный рынок урана. 53

Спрос на уран. 55

Поставки урана. 55

Перспективы производства в Казахстане. 56

Перспективы производства в Канаде. 56

Перспективы развития производства в Австралии. 57

Перспективы развития производства в других регионах мира. 57

Материальные запасы.. 58

Разведка месторождений. 58

Структура ядерного топливного цикла. 59

4. Обогащение урановых руд. 60

Принципиальные основы обогащения урановых руд. Оценка результатов обогащения. 60

Дробление руд. 63

Классификация. 68

Основные методы обогащения урановых руд. 75

Рудоразборка по цвету. 75

Рудоразборка с использованием флюоресценции. 75

Гравитационное обогащение. 75

Классификационное обогащение. 82

Флотационное обогащение. 83

Радиометрическое обогащение. 84

Магнитное обогащение. 84

Электрическое обогащение. 85

5. Вскрытие урановых руд и концентратов. 88

Поведение урана в водных растворах. 88

Трехвалентный уран U³⁺ 88

Четырехвалентный уран U⁴⁺ 89

Пятивалентный уран UO₂⁺ 90

Шестивалентный уран UO₂²⁺ 90

Кислотное выщелачивание урановых руд. 97

Карбонатное выщелачивание урановых руд. 103

Кислотно-содовое выщелачивание. 107

Аппаратура процессов выщелачивания. 108

Подземное выщелачивание. 120

6. Очистка урана. 137

Выделение урана из растворов (пульп) – грубая очистка урана. 137

Химическое осаждение урана из растворов. 137

Осаждение урана из кислых растворов. 138

Осаждение урана из карбонатных растворов. 143

Технологические аспекты проведения процесса осаждения урана. 146

Щелочная репульпация фосфатных концентратов. 148

Выделение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена 149

Ионный обмен. Общие положения. 149

Извлечение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена 150

Разделение урана и молибдена с помощью ионообменных процессов 156

Аппаратура ионообменных процессов. 161

Расчет процесса ионообменного извлечения урана. 179

Извлечение урана из растворов экстракцией органическими растворителями 186

Классификация экстрагентов. 187

Извлечение урана из растворов с применением экстракции. 188

7. Технология соединений урана. 196

Оксиды урана. 196

Октаоксид триурана. 199

Свойства. 199

Способы получения октаоксида триурана. 199

Диоксид урана. 200

Свойства. 200

Способы получения диоксида урана. 201

Кондиционные требования к качеству порошка диоксида урана. 208

Таблетирование диоксида урана. 209

Пример технологической схемы производства топливных таблеток 211

Триоксид урана. 213

Основные свойства. 213

Способы получения триоксида урана. 214

Сложные оксиды урана. 215

Тетрафторид урана. 217

Основные свойства. 217

Способы получения. 218

Гексафторид урана. Свойства. Способы получения. Применение гексафторида для разделения изотопов урана. 225

Основные свойства. 225

Способы получения. 226

Разделение изотопов урана. 228

Тетрахлорид урана. 234

Свойства. 234

Способы получения. 235

Карбиды и нитриды урана. Свойства. Способы получения. 236

Карбиды урана. 236

Нитриды урана. 240

8. Металлический уран и его сплавы.. 243

Физические и химические свойства металла. Зависимость их от чистоты. Примеси и загрязнения. Требования к урану и его сплавам. 243

Химические свойства урана. 251

Классификация способов получения урана. 255

Получение металлического урана. 257

Методы получения урана, применяемые в промышленных масштабах 264

Краткая характеристика промышленных способов получения металла 264

Способы рафинирования урана. 279

Индукционно-вакуумный переплав. 280

Электролитическое рафинирование металла. 284

Зонная перекристаллизация. 286

Легирование и литьё урана. Материалы изложниц и тиглей. 287

Механическая и термическая обработка урана. 292

Механическая обработка. 292

Термическая обработка. 294

Получение изделий из порошкообразного урана. Композитные материалы на основе урана и его соединений. 295

9. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. 297

Изготовление металлических ТВЭЛов. Механическая обработка. 300

Нанесение защитных покрытий, оболочек и герметизация ТВЭЛов. 303

Антикоррозионная защита ТВЭЛов и ТВС.. 303

Герметизация концов ТВЭлов. 305

Особенности службы ТВЭЛов в реакторах. 305

Основная литература. 309

Дополнительные материалы к разделу 1. 311

Мартин Генрих Клапрот (01.12.1743 – 01.01.1817) 311

Эжен Мелькьор Пелиго (24.02.1811 – 15.04.1890) 312

Антуан Анри Беккерель (15.12.1852 – 25.08.1908) 313

Мария Склодовская-Кюри (07.11.1867 – 04.07.1934) 314

Кюри Пьер (15.05.1859 – 19.04.1906) 315

Дополнительные материалы к разделу 3. 317

1. Введение в курс «Металлургия урана и технология его соединений»

Краткое содержание раздела

Название, цели и содержание курса.

История открытия урана, накопление знаний о свойствах металла, сплавов его соединений. Начало практического использования урана. Зарождение технологии и металлургии урана.

Открытие А. Беккерелем радиоактивности урановых препаратов. Открытие П. и М. Кюри в полиметаллических урансодержащих рудах полония и радия. Предвидения Д.И. Менделеева и В.И. Вернадского о роли урана в будущем.

Великие открытия тридцатых годов ХХ века, начавшиеся с открытия Д. Чедвиком нейтрона. Взаимодействие изотопов урана с нейтронами. Реакция деления урана-235. Реакции конверсии урана-238 в плутоний-239 и тория-232 в уран-233. Открытие возможностей использования реакций деления - урана-235, плутония-239 и урана-233 для создания ядерного оружия и развития ядерной энергетики (ЯЭ).

Классификация ядерных реакторов (ЯР) по назначению, характеристикам нейтронов, способам теплосъема, используемым в них делящихся материалов, составу ядерного топлива (ЯТ) и результатам работы. Оценка проблем, возникающих при использовании реакторов деления в ЯЭ.

Человек и энергия. Увеличение потребления энергии в истории человечества. Технико-экономическая оценка возобновляемых, невозобновляемых и ядерных энергоносителей. Социальные и экономические проблемы энергетики.

Курс «Металлургия урана и технология его соединений» является основным технологическим курсом при подготовке специалистов в области химической технологии материалов современной энергетики. Благодаря разнообразию технологических приёмов, используемых при производстве урана и его соединений, при изучении данного курса используются и закрепляются знания, полученные ранее при изучении таких дисциплин, как «Процессы и аппараты химических технологий», «Физическая химия», «Физико-химические основы технологии редких элементов».

Термин технология происходит от двух греческих слов: techno, означающего мастерство (искусство) и logos – наука.

Современное определение данного понятия может быть сформулировано следующим образом: технология – это наука о совокупности рациональных действий, необходимых для получения из сырья чего-либо качественно нового. Новое – это вещества, изделия, энергия, машины, сооружения, продукты питания и т.д., т.е. бесчисленное множество всего того, что нужно человеку и обществу. Цели и масштабы технологических процессов чрезвычайно разнообразны, возникает много различных по своей направленности отраслей и подотраслей промышленного производства. Например, технология ЯТ – ядерного топлива.

Металлургия является частным случаем определённой специфической технологии. Термин металлургия происходит от древнегреческого – «обрабатываю металл» или искусство обрабатывать металл. Современное определение: металлургия – это наука об извлечении металлов из руд и других источников, о получении металлов, их сплавов и композиционных материалов, а также о термомеханической обработке материалов на металлической основе. Конечная цель металлургии – это производство металлов, сплавов, композиций с заданным сочетанием свойств.

Дата добавления: 2014-01-07