Металлический уран и его свойства

Металлургия урана

Металлический уран и его свойства

 

Значение металлургии урана, т. е. получения чистейшего (ядерной чистоты) металлического урана, в том, что благода­ря ей за короткое время в различных странах мира (СССР, США, Англия, Франция и др.) было организовано производство ядерного топлива и осуществлена цепная ядерная реак­ция, началось использование ядерной энергии.

В настоящее время масштабы мирового производства урана сравнимы с масштабами производства других цветных и редких металлов, и период наибольшего подъема производ­ства его получали примерно 40000 т ежегодно (без СССР).

Рассмотрим некоторые свойства металлического урана. Уран представляет собой очень тяжелый металл плотностью 19,05 г/см³. По внешнему виду уран напоминает сталь. Све­жеотполированная поверхность его серебристого цвета, но на воздухе она тускнеет и становится сначала золотистой с сине­ватым оттенком, а затем темной, напоминающей свинец.

Металлический уран существует в трех кристаллических модификациях: a-, b-, g-структурах. Низкотемпературная форма урана (a-фаза), стойкая до 662° С, обладает некоторой ковкостью. Среднетемпературная модификация (b-фаза), устойчивая в пределах от 662 до 769° С, хрупка, а высокотем­пературная (g-фаза), существующая от 769° С до температуры плавления 1130° С, пластична. Кипит уран при 3813° С. Уран - довольно плохой проводник электричества и тепла. Тепло­проводность урана в 13 раз меньше теплопроводности меди. В интервале температур 20—350° С уран слабо парамаг­нитен.

Основной особенностью a-фазы является ее анизотропность. В b-фазе анизотропные свойства металла выражены намного слабее, чем в a-фазе. g - фаза в противоположность a- и b-фазам характеризуется изотропными свойствами. Механические свойства урана вследствие его анизотропности существенно за­висят от предварительной механической и термической обра­ботки, а также от содержания примесей, влияющих на раз­меры зерен и их ориентацию.

Некоторые термодинамические характеристики для метал­лического урана приведены в табл. 48.

Таблица 48

Некоторые термодинамические характеристики металлического урана

параметр	Значение величины, ккал/моль
Теплота превращения a-фазы в b-фазу	0,68 – 0,71
Теплота превращения b-фазы в g-фазу	1,14 – 1,17
Теплота плавления	4,74 – 4,76
Теплота парообразования
Теплота сублимации
Энтальпия при 25^0С	1,521
Энтропия при 25^0С	11,99 кал/(град^.моль)

 

Металлический уран химически очень реакционноспособен. Он легко взаимодействует со всеми неметаллами, а также образует многочисленные интерметаллические соединениясомногими металлами. Химическая активность урана, особенно его легкая окисляемость, взаимодействие с углеродом, азотом и другими веществами определяют и особенности его металлургии. Отметим некоторые из них: исходное сырье должно быть ядерно-чистым; применяемый восстановитель должен быть мощным и не загрязняющим уран; материал аппаратуры должен быть инертен по отношению к урану; среда (атмосфера) должна быть также инертна по отношению к урану.

 

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УРАНА ИЗ ЕГО ОКИСЛОВ

 

Восстановление различных окислов урана кальцием и магнием описывается уравнениями:

 

UO₂ + 2Ca ® U + 2CaO, DH⁰₂₉₈ = -46,8 ккал;

U₃O₈ + 8Ca ® U + 8CaO, DH⁰₂₉₈ = -122,8 ккал;

UO₃ + 3Ca ® U + 3CaO, DH⁰₂₉₈ = -163,5 ккал;

UO₂ + 2Mg ® U + 2MgO, DH⁰₂₉₈ = -36,2 ккал;

U₃O₈ + 8Mg ® U + 8MgO, DH⁰₂₉₈ = -107,5 ккал;

UO₃ + 8Mg ® U + 3MgO, DH⁰₂₉₈ = -146,7 ккал;

 

(DH⁰ реакций даны на 1 г-атом урана при 0⁰С).

Теплоты реакции во всех случаях достаточно, чтобы перевести металлический уран в расплавленное состояние, но окислы кальция и магния остаются в твердом виде вследствие высокой температуры их плавления, что видно из данных, приведенных в табл. 49.

Таблица 49

РАФИНИРОВОЧНАЯ ПЛАВКА

 

При восстановительной плавке большинство примесей тетрафторида урана переходит в металлический уран. Например, если в тетрафториде урана содержится 50 млн^-1 Fе, то в металле его будет не менее 46 млн^-1. Полностью остаются в металле марганец, бор и большинство других примесей.

Вот примерное содержание примесей в черновом металле, полученном после восстановительной плавки, млн^-1: С 500, N 500, О 350, Fе 1100, Мg 20, Аl 30, Са 20, Сг 100, Мn 30, Ni 40, Si 100.

Для снижения содержания этих примесей проводят окончательную очистку — рафинировочную плавку. Ее осуществляют обычно в вакуумной печи (индукционной или сопротивления). В течение 1 ч расплавленный уран выдерживают при 1300—1400° С в вакууме 0,5 мм рт. ст. После этого производят розлив в графитовые или чугунные изложницы, находящиеся также под вакуумом. Тигли изготовлены из графита, окиси магния или двуокиси урана (рис. 116).

Механизм удаления примесей неодинаков для различных примесей и зависит от их природы. Более летучие примеси (в данных условиях), такие, как Nа, Са, Мg, испаряются и удаляются при отсасывании вакуум-насосом. В этом случае потери урана ничтожны. Однако примеси, летучесть которых невелика и сравнима с летучестью урана (например, Аl, Fe, Si, Ni), при этом не удаляются. Здесь на помощь приходят процессы шлакообразования и ликвации. Шлаковые включения: окислы, карбиды, нитриды, оксикарбонитриды, нерастворимые в расплавленном уране соединения, всплывают в верхний слой шлака, так как плотность их намного меньше плотности расплавленного урана. Условие хорошего отделения примесей — отсутствие перемешивания и возможно более низкая температура при выдержке, приближающаяся к температуре плавления урана. В этих условиях в результате целого ряда реакций образуются термодинамически устойчивые соединения, например:

для окислов UO₂ + 2Mg ® U + 2MgO, 3MgO + 3La ® 3Mg + La₂O₃;

для карбидов UC + Si ® U + SiC, CaC₂ + 2U ® Ca + UC;

для нитридов U₂N₃ + 3Zr ® 3ZrN + 2U.

Некоторые примеси реагируют с материалом тигля (UO₂)

Th + UO₂ ® ThO₂ + U;

4Ce + 3UO₂ ® 2Ce₂O₃ + 3U.

В результате этих превращений содержание примесей может понизиться: для С – в 4-6 раз, для N – в 6-10 раз, для Sr, РЗЭ, Cs – в 100 раз, для Те – в 10 раз (табл. 54).

 

Таблица 54

Содержание примесей в слитке урана после рафинировочной плавки

(r=18,98 г/см³)

 

элемент	Содержание, млн^-1	элемент	Содержание, млн^-1	элемент	Содержание, млн^-1
C	<300	Fe	<50	Cr
H		Mn		Mg
Cl		Ba	0,2	Ni	<30
Si	<50	Cd	0,2	Al	<1
N	<50

Слиток после охлаждения обрезают с концов и очищают от поверхностных загрязнений.

Совмещение процессов восстановительной и рафинировочной плавок в одном аппарате (дингот-процесс). Уже давно было ясно потенциальное преимущество исключения переплавки урана перед рафинированием и достижения тем самым простоты и экономии. Поэтому представляет интерес сообщение КАЭ США и других источников о применении на некоторых заводах так называемого процесса прямого слитка, т.е. получения слитка без переплавки (direct ingot – «дингот»), при этом становится возможным увеличение масштабов плавок до 2 т и более по урану. Слитки характеризуются отличным качеством.

Схема получения металлического урана (дингот-процесс) показана на рис. 117.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТВЭЛОВ

 

Тепловыделяющие элементы (твэлы) с цельнометаллическими урановыми сердечниками обычно изготавливают в виде стержней, пластин, труб, блочков. Принимают специальные меры для создания определенной (дезориентированной) структуры металла, чтобы уменьшить влияние радиационных воздействий. Урановые сердечники заключают в герметическую оболочку. Выбор материала оболочки зависит от условий работы реактора, но обычно это алюминий, магнокс, циркалой, нержавеющая сталь и др.

В целом общая схема технологических операций по изготовлению твэлов выглядит следующим образом: получение металлического урана восставнолением его соединений с помощью кальция или магния; получение слитков методом рафинировочной плавки в вакууме; изготовление сердечников требуемой конфигурации методами литья или обработки давлением (ковка, прокатка, прессование, волочение) при различных температурах; термическая обработка сердечников для создания желаемой микроструктуры металла; механическая обработка сердечников; изготовление защитной оболочки из конструкционных материалов; герметизация.

В настоящее время при производстве урановых блочков и других изделий с успехом применяется центробежное литье во вращающихся графитовых изложницах. Эффективно применение центробежной ликвации в целях дополнительной очистки металла от примесей.

Для изготовления изделий с дезориентированной структурой урана имеет значение порошковая металлургия.

 

Металлургия урана

металлический уран и его свойства

 

Значение металлургии урана, т. е. получения чистейшего (ядерной чистоты) металлического урана, в том, что благода­ря ей за короткое время в различных странах мира (СССР, США, Англия, Франция и др.) было организовано производство ядерного топлива и осуществлена цепная ядерная реак­ция, началось использование ядерной энергии.

В настоящее время масштабы мирового производства урана сравнимы с масштабами производства других цветных и редких металлов, и период наибольшего подъема производ­ства его получали примерно 40000 т ежегодно (без СССР).

Рассмотрим некоторые свойства металлического урана. Уран представляет собой очень тяжелый металл плотностью 19,05 г/см³. По внешнему виду уран напоминает сталь. Све­жеотполированная поверхность его серебристого цвета, но на воздухе она тускнеет и становится сначала золотистой с сине­ватым оттенком, а затем темной, напоминающей свинец.

Металлический уран существует в трех кристаллических модификациях: a-, b-, g-структурах. Низкотемпературная форма урана (a-фаза), стойкая до 662° С, обладает некоторой ковкостью. Среднетемпературная модификация (b-фаза), устойчивая в пределах от 662 до 769° С, хрупка, а высокотем­пературная (g-фаза), существующая от 769° С до температуры плавления 1130° С, пластична. Кипит уран при 3813° С. Уран - довольно плохой проводник электричества и тепла. Тепло­проводность урана в 13 раз меньше теплопроводности меди. В интервале температур 20—350° С уран слабо парамаг­нитен.

Основной особенностью a-фазы является ее анизотропность. В b-фазе анизотропные свойства металла выражены намного слабее, чем в a-фазе. g - фаза в противоположность a- и b-фазам характеризуется изотропными свойствами. Механические свойства урана вследствие его анизотропности существенно за­висят от предварительной механической и термической обра­ботки, а также от содержания примесей, влияющих на раз­меры зерен и их ориентацию.

Некоторые термодинамические характеристики для метал­лического урана приведены в табл. 48.

Таблица 48