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

Температуры плавления и кипения

 

элемент	Температура плавления, ^0С	Температура кипения, ^0С
металл	окисел
U
Ca
Mg

 

Для снижения температуры плавления шлака в шихту пытались вводить низкоплавкие флюсы, но это увеличивало количество шлаков и тепла становилось опять-таки недостаточно для их расплавления. Наилучший исходный материал из всех окислов урана – UO₂, так как при ее использовании шлаков получается меньше и уран хорошо выплавляется в виде мелкой дроби.

Восстановление UO₂ кальцием осуществляют в тигле, футерованном окисью кальция. Футеровка производится следующим образом. В тигель вставляют шаблон, в зазор набивают окись кальция, уплотняют вибратором, сушат при 60—80° С, прокаливают при 900—1000° С. Такой тигель вставляют в цилиндрический сосуд из жароупорной стали. Двуокись урана тщательно смешивают с измельченным металлическим кальцием (16+20 меш) или стружкой (1—2 мм) в шаровой мельнице. Кальций берут в 30% -ном избытке по отношению к стехиометрическому количеству. Шихту загружают, из сосуда откачивают воздух и заполняют его аргоном. Затем нагревают, сначала (при 800° С) реакция протекает спокойно, затем очень бурно, по всей шихте. Максимальная температура достигает 1600° С. Множество мелкий капель металлического урана вкраплено в шлак.

Содержимое тигля выдерживают 2 ч при 1200—1250° С и затем охлаждают. Плав измельчают и выщелачивают слабым раствором уксусной кислоты при комнатной температуре. В результате классификации на столах получают продукты: порошок металлического урана, шлам (окислы урана + мельчайшие частицы и), направляемый в оборот; сливнойраствор ацетата кальция.

Металлическую дробь урана промывают спиртом и эфиром и затем сушат в вакууме. В табл. 50 приводится состав порошка урана, получаемого на одном из заводов Англии.

Таблица 50

Состав порошка урана, получаемого восстановлением двуокиси урана металлическим кальцием

 

элемент	содержание	элемент	содержание	элемент	содержание	элемент	содержание
B	1.6^.10^-5	P	2^.10^-4	Al	8^.10^-3	Sn	2^.10^-4
Fe	4^.10^-31	F	1.5^.10^-3	Ba	5^.10^-6	Ca	10^-3
Si	3^.10^-3	Cd	1.5^.10^-3	Co	2^.10^-4	Li	10^-5
W	5^.10^-5	Mg	3^.10^-4	Cu	10^-3	Cl	5^.10^-5
Zn	6^.10^-4	N	6.5^.10^-3	Mo	10^-4	C	2^.10^-1
Ti	2^.10^-4	Cr	5^.10^-4	Ni	10^-3	O	10^-1

 

При магниетермическом способе шихту составляют с 15 %-ным избытком магния. Важно следить, чтобы температура не превышала 1400⁰С, так как при этом начинается обратное течение реакции, а давление паров Mg резко повышается (кипит при 1107⁰С). Оптимальный технологический режим восстановления UO₂ с помощью Mg – температура –1200⁰С и выдержка при этой температуре 1-2 часа (для сливания капель металла). В остальном процессы кальциетермического и магниетермического восстановления очень похожи. Характеристики получаемых продуктов приведены в табл. 51.

Таблица 51

Характеристика порошков металлического урана, получаемого из двуокиси урана калие- и магниетермией