Составитель: Р. Крайденко Национальный исследовательский Томский политехнический университет Кафедра химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных. - презентация

1 Составитель: Р. Крайденко Национальный исследовательский Томский политехнический университет Кафедра химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов

2 Получение металлического урана одна из завершающих стадий технологии урана. Металлический уран различной степени имеет две основные области применения: Металлический уран является источником плутония и ядерным топливом для уран-графитовых промышленных реакторов. В этом случае из металлического урана изготавливают тепловыделяющие элементы. Металлические ТВЭЛы представляют собой цилиндрические урановые блоки диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Урановый блок снаружи покрыт оболочкой из алюминия. Промышленные уран-графитовые реакторы предназначены для наработки в них плутония. После кампании атомного реактора урановые блоки извлекаются, растворяются и поступают на радиохимический завод для выделения из них плутония. Металлический уран с высокой степенью обогащения по изотопу U 235 (более 90 %) может использоваться в качестве боезаряда ядерного оружия. В этом случае из металлического урана изготавливают детали оружейной сборки. Составитель: Крайденко Р.И.

3 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УРАНА Для получения металлического урана можно использовать следующие способы: 1.Электролиз галоидных солей в расплавленных средах. 2.Восстановление оксидов урана кальцием. UO 2 +2Ca=U+2CaO U 3 O 8 + 8Ca=3U+8CaO 3.Восстановление галоидных солей урана кальцием и магнием. UF 4 + 2Ca = U+2CaF 2 UF 4 + 2Mg = U+2MgF 2 Выбор метода обуславливается термодинамикой и физико-химическими свойствами исходных веществ, восстановителей и продуктов реакции. Основная масса урана в настоящее время получается в виде слитков восстановлением тетрафторида урана кальцием или магнием. В результате восстановления оксидов, а также при электролизе галогенидов в расплавах солей получается порошкообразный металл, который отделяют от солей и оксидов обработкой водой или кислотами. При металлотермическом восстановлении тетрафторида уран получается в виде слитка, хорошо отделяющегося от шлака, что является большим преимуществом и объясняет более широкое применение этих методов в производственной практике. Составитель: Крайденко Р.И.

4 Так, исходное соединение и металл-восстановитель должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Должна наблюдаться достаточно большая разница в величинах свободных энергий образования соответствующих соединений урана и восстановителя. 2. Восстановитель не должен в значительных количествах растворяться в уране и не должен образовывать с ураном химических и интерметаллических соединений. 3. Восстановитель должен обладать малым сечением захвата тепловых нейтронов и не содержать нейтронно-опасных примесей. 4. Продукты реакции должны легко разделяться, лучше всего это происходит в том случае, когда оба продукта – жидкости, различающиеся по плотности. 5. Восстановитель и исходные соединения не должны создавать неудобства и опасности при работе. Составитель: Крайденко Р.И.

5 На рисунках приведены свободные энергии образования оксидов и фторидов при различных температурах. Металл, у которого линия изменения свободных энергий образования оксидов и фторидов лежит ниже, может восстанавливать оксиды и фториды, линия которых лежит выше. Так для восстановления оксидов урана принципиально возможно использовать алюминий, магний и кальций. Но алюминий образует с ураном интерметаллические соединения и поэтому не пригоден. Линия свободных энергий образования оксидов магния и урана пересекаются при температуре 1623 К (1350 ° С). Это значит, что ниже 1350 ° С магний восстанавливает оксиды урана, а выше 1350 ° С уже уран восстанавливает оксид магния. Следовательно, для восстановления оксидов урана можно применить только кальций. Линия оксида углерода пересекает линию оксида урана при 2500 К. Значит, углерод может восстанавливать оксиды урана только выше 2500 К. Если же учесть, что углерод с ураном образует карбиды, то понятно, почему для восстановления урана углерод не применяется. Составитель: Крайденко Р.И.

6

7 Для восстановления тетрафторида урана принципиально можно применить кальций, магний и натрий. Но натрий имеет низкую температуру кипения (833 ° С) и поэтому создает очень большое давление паров в аппаратуре. Для восстановления тетрафторида урана используются только кальций и магний. С точки зрения термодинамики уран можно получить и из тетрафторида урана, и из тетрахлорида урана. Но последний создает опасные моменты в работе. Тетрахлорид урана гигроскопичен, а выделение водорода при реакции влаги с кальцием или магнием может привести к взрыву. Кроме того, тетрахлорид урана кипит уже при 792 ° С, создавая очень высокое давление пара. Поэтому в промышленности уран получают из тетрафторида урана. Составитель: Крайденко Р.И.

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21 ПОЛУЧЕНИЕ УРАНА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ В водных растворах потенциал ионов урана отрицательнее водородных. Поэтому при электролизе водных растворов на катоде разряжаются катионы уранила и выделяется гидратированный диоксид урана. Металлический уран может быть выделен на катоде только из расплава солей. Испытывалось большое количество электролитов, состоящих из галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов. Фирма Вестингауз (США) использовала электролит, содержащий 80 % CaCl 2 и 20 % NaCl. Электролиз проводился при 900 ° С в графитовых тиглях диаметром 25 см и высотой 55 см. Тигель служил анодом, катодом – молибденовый стержень. В расплавленном электролите растворяли UF 4 и KUF 5. В полученном расплаве содержатся ионы 4+ U, 2+ Ca, + Na, + K, Cl, F. По величине потенциалов выделения на катоде первым разряжается 4+ U, а на аноде Cl. При обеднении расплава хлором на аноде будут выделяться F 2 и CF 4. Для очистки электролита от примесей (в частности от бора), выделяющихся ранее урана, вначале проводится электролиз на так называемом «холодном» катоде при концентрации фторидов урана 0,5–3 %. При этом концентрация бора в электролите снижается от 3·10 4 % до 5·10 5 % масс. Затем «холодный» катод заменяется рабочим, концентрация фторидов урана повышается до 5–15 %. Составитель: Крайденко Р.И.

22 Электролиз проводился при напряжении 8 вольт, при плотности тока 150– 500 А/дм 2. Выход по току составил 50–68 %. Поскольку температура процесса на 230 ° С ниже точки плавления урана, то последний выделялся в твердом состоянии, образуя дендритные кристаллы. На катоде образовывалась так называемая «груша» – губка из урановых нитей, пропитанная расплавом. Она содержала 30 % урана, 70 % электролита. После удаления «груши» в электролит добавлялся KUF5, вносился новый катод и начинался новый цикл. Катод с «грушей» для охлаждения вносился в контейнер с поваренной солью. После охлаждения катод с «грушей» промывался водой, затем разбавленными кислотами, «груша» отделялась от катода, размалывалась до 0,15–0,3 мм. После сушки получились серо-белые корольки урана. Для перевода в компактное состояние корольки брикетировались и проходили рафинировочную плавку в вакууме. Металл имел чистоту 99,9 % и был достаточно чист в отношении нейтронно-опасных примесей. Электролитический метод имеет ряд преимуществ: 1. Не требует дорогостоящих восстановителей. 2. Позволяет производить дополнительную очистку от примесей. Недостатки метода: малая производительность аппарата, сложность обработки катодного осадка, низкий прямой выход урана (до 40 %). В силу этого данный метод использовался крайне редко. Составитель: Крайденко Р.И.

23 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ УРАНА КАЛЬЦИЕМ При восстановлении оксидов урана кальцием образуется весьма тугоплавкий шлак – оксид кальция (t пл =2627 ° С). Выделяющегося тепла недостаточно для расплавления оксида кальция. Первичным продуктом восстановления являются мельчайшие капельки расплавленного урана, покрытые пленкой из оксида кальция, которая препятствует их слиянию. Для укрупнения зерен в шихту добавляется хлористый кальций. Растворимость оксида кальция в расплаве хлорида кальция – 36 % масс. Пленка оксида кальция частично растворяется в расплаве хлорида кальция, что дает возможность слияния нескольких соседних первичных капелек в одну. Уран получается в форме шарообразных зерен диаметром примерно 7 мкм. Тепла, выделяющегося при реакции, недостаточно для самопроизвольного протекания реакции, необходим внешний подогрев тигля с шихтой. Составитель: Крайденко Р.И.

24 Шихта в массовом соотношении U 3 O 8 : Ca : CaCl 2 = 1 : 0,5 : 0,5 загружается в тигель, футерованный оксидом кальция. Тигель герметизируется, производится откачка воздуха, наполнение тигля аргоном. Тигель нагревается в печи до 900 ° С. После начала реакции температура поднимается до 1600 ° С. После получасовой выдержки избыточное давление сбрасывается через клапан. Тигель извлекается из печи и охлаждается. Плав дробится до 0,8 мм, обрабатывается водой, подкисленной уксусной кислотой, затем раствором азотной кислоты (рН=5,8), потом кратковременно 5–7% раствором азотной кислоты для снятия оксидных пленок, затем водой, подкисленной до рН=6,4. Отделение урана от непрореагировавшего оксида урана производится на концентрационных столах. Порошок урана сушится под вакуумом при комнатной температуре. Выход урана 95–97%. Метод малопроизводителен, отличаются сложностью обработки плава. Поэтому он применяется чрезвычайно редко, когда требуется порошок урана. Составитель: Крайденко Р.И.

25 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТЕТРАФТОРИДА УРАНА МАГНИЕМ Магний, как восстановитель, имеет следующие преимущества перед кальцием: он дешевле, легче измельчается на воздухе, не реагирует с азотом. Недостатки – меньший тепловой эффект реакции и меньшее изменение свободной энергии процесса. Для реакции константа равновесия при 1690 равна 6·10 9. Тепла реакции недостаточно для расплавления шлака (t пл MgF 2 = 1263 °С ). Теоретическая температура процесса для стехиометрической смеси UF 4 и магния в зависимости от температуры шихты перед возбуждением реакции приведена на рисунке. Составитель: Крайденко Р.И.

26

27 Для полного расплавления шлака необходимо сообщить системе дополнительное количество тепловой энергии. Поэтому всю шихту нагревают в газовой печи до температуры возбуждения (600–700 ° С). Кроме того, магний кипит при 1105 ° С, а процесс проходит при 1400–1500 ° С. Поэтому пары магния развивают в аппарате большое давление, что требует герметичности аппарата и повышенную прочность корпуса. Толщина стенок тигля составляет 12 мм, на корпусе помещают кольца жесткости, а на дне и крышке – ребра жесткости высотой до 50 мм. Внутри корпус футеруется плавленым фторидом магния, футеровка делается только на одну операцию. Считается, что для лучшей ликвации расплавов урана и шлака диаметр металлоприемника должен быть равен его высоте. Для плавки в 1650 кг урана h=d=450 мм. В тигель загружается шихта, включающая 2175 кг тетрафторида урана (97 % UF 4, 0,8–1,3% FU 2 O 2, 0,2–0,6% UO 2 ) и 338 кг магния (избыток 0,5– 1%). Шихту закрывают графитовым диском, забалчивают крышку. Тигель вносят в газовую печь с тремя зонами нагрева. Составитель: Крайденко Р.И.

28 Схематический разрез реактора для магнийтермического восстановления тетрафторида урана. Сначала все зоны нагреваются в течение 5 часов до температуры 621 ° С. Затем верхняя и средняя зоны отключаются, нижняя работает при этой температуре до зажигания или в течение 9 часов. Если реакция не «зажглась», то температуру нижней зоны поднимают до 677 ° С на 4 часа или до возбуждения. Если возбуждение не произошло, то температура нижней зоныподнимается до 732 ° С. После возбуждения реакции процесс длится менее минуты. Тигель выдерживается для ликвации 9 часов при включенной нижней зоне печи. Затем тигель извлекается из печи и охлаждается на воздухе до 100 ° С, после чего тигель обрызгивается водой для ускорения охлаждения. Составитель: Крайденко Р.И.

29 После разбалчивания тигля слиток металла легко отделяется от шлака с помощью отбойного молотка. Тигель выдерживает до 150 плавок. Верхняя часть шлака – фтористый магний. Нижняя корочка шлака представляет собой оксокарбонитриды урана, некоторое количество их содержится и в верхней части слитка. Чтобы не проводить рафинировочной плавки, в США черновые слитки направляются на дингот-процесс. Слиток закрепляется на карусельном станке. С верхнего торца, где содержится большая часть примесей, снимается стружка 19 мм, сбоку и с нижнего торца – 6,3 мм. После этого чистота поверхности проверяется при помощи пламенного травления. По поверхности слитка проводят пламенем газовой горелки. На поверхности урана вследствие окисления появляются так называемые цвета побежалости. Если появляются черные пятна, то процесс снятия стружки повторяется. Средний выход урана 85 %. После дингот-процесса чистота слитка лучше, чем после рафинировочной плавки. Исключение составляют растворенные газы, в частности водород, его содержание больше, чем после рафинировки (0,00045 % масс). Составитель: Крайденко Р.И.

30 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТЕТРАФТОРИДА УРАНА КАЛЬЦИЕМ Поскольку кальций является более сильным восстановителем, то уменьшение свободной энергии и тепловой эффект процесса больше, чем при восстановлении магнием. Константа равновесия при 1500 ° С равна 6·10 6. Тепла реакции достаточно для расплавления урана и шлака (tпл CaF 2 = 1418 ° C). Теоретическая температура процесса для стехиометрической смеси UF 4 и кальция в зависимости от температуры шихты перед возбуждением реакции представлена на рисунке. Составитель: Крайденко Р.И.

31 Требуемая температура (примерно 1450 ° С) достигается при комнатной температуре шихты перед возбуждением реакции. Для инициирования процесса достаточно нагреть до температуры возбуждения шихту в одной точке. Для этого используется запал, чаще всего, в виде нихромовой спирали. Процесс можно проводить при атмосферном давлении, так как температура кипения кальция 1495 ° С и он испаряется в малой степени. Что дает возможность использовать сменные изложницы для приема урана. Составитель: Крайденко Р.И.

32 Процесс осуществляется в шахтных печах футерованных графитом. Графит перед плавкой белится известью. В корпусе печи вблизи стыка с изложницей имеется летка, перед плавкой она забивается огнеупорной глиной. Шихта из тетрафторида урана крупностью 0,02–0,5 мм и свежей стружки кальция 2 × 10 × 20 – 100 мм (с избытком 10–20 %) готовится во вращающемся барабане в атмосфере аргона, ось вращения барабана проходит по диагонали цилиндра. Составитель: Крайденко Р.И.

33 Приготовленная шихта загружается в шахтную печь, затем включается электрозапал. Запал может быть верхним или нижним. С точки зрения лучшей чистоты металла благоприятнее нижний запал. При верхнем запале полученные капли урана стекают вниз через холодную шихту, при этом уран взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, находящегося в порах шихты, с образованием оксидов и нитридов урана. При нижнем запале уран остается внизу, кислород и азот вытесняется из шихты горячими парами металлического кальция. При этом уран защищается от окисления сначала парами кальция, а затем расплавом шлака. Недостатком нижнего запала является опасность выброса шихты при резком расширении газа, вызываемого присутствием в тетрафториде урана большого содержания воды и натрия. Одновременно с основной реакцией могут протекать побочные реакции. Составитель: Крайденко Р.И.

34 Чтобы не образовывалось гремучей смеси кислорода и водорода, техническими условиями предусматривается, чтобы содержание воды в тетрафториде урана не превышало 0,15% масс., для уменьшения давления паров восстановленного натрия технические условия ограничивают содержание натрия в тетрафториде урана 0,1%. После возбуждения реакции самоускоряющийся процесс восстановления заканчивается за полминуты. После выдержки в течение 1–2 часов для ликвации разбивается лётка и расплав фтористого кальция сливается в ковш. Затем этот расплав сливается в бассейн с холодной водой для растрескивания. После измельчения фторид кальция, обрабатывается раствором азотной кислоты для выщелачивания урана, а затем отправляется на завод получения фтористого водорода. После отделения изложницы печь готовиться к новой плавке. На верху изложницы остается нижний слой шлака черного цвета, содержащий до 10% урана в виде оксокарбонитридов. Шлак направляется на химическую обработку для извлечения урана. Шахтная печь заключается в отдельную кабину, снабженную местной вентиляцией и пылеуловителем. Это делается на случай выбрасывания шихты и образования летучих соединений урана. Составитель: Крайденко Р.И.

35 В качестве нейтральной среды используют вакуум, гелий, аргон и иногда расплавленные соли щелочных и щелочноземельных металлов. Опыт показал, что по отношению к расплавленному урану устойчивы MgF 2, CaF 2, BeO, MgO, ThO 2 и (при не очень высоких температурах) графит. Эти материалы применяются в качестве огнеупоров и покрытий металлургического оборудования. Обычные восстановители (H 2, C, Si, Al) оказались непригодными из-за своей неэффективности. По экономическим причинам наиболее пригодными восстановителями оказались кальций и магний. Восстановление оксидов урана кальцием в присутствии флюса (CaCl 2 ) или магнием даёт порошок из крупных частиц металла, этот метод практикуется в порошковой металлургии урана. Наиболее удобно восстановление тетрафторида урана. Тетрахлорид урана не используется вследствие своей высокой гигроскопичности. Бромиды и йодиды урана не только гигроскопичны, но также и дороги. Составитель: Крайденко Р.И.

36 Вещество Температура плавления, о С Температура кипения, о С U Ca Mg UF UF CaF CaCl MgF Температуры плавления и кипения элементов и соединений применяющихся при металлотермии урана Составитель: Крайденко Р.И.

37 Преимущества и недостатки использования магния и кальция при металлотермическом восстановлении тетрафторида урана: Удельный расход магния на единицу восстанавливаемого тетрафторида урана в 1,6 раз меньше чем кальция. Стоимость магния в 5 раз меньше, чем стоимость кальция. Восстановление магнием необходимо проводить в закрытой бомбе и подогревать шихту до начала реакции. Восстановление кальцием можно осуществлять в аппаратах открытого типа без предварительного подогрева шихты. Извлечение урана и очистка слитка извлечённого из шлаков CaF 2 осуществляется легче, чем из MgF 2. Составитель: Крайденко Р.И.

38 Реакция с кальцием идёт со значительно большим изменением свободной энергии и энтальпии, чем реакция с магнием. В адиабатических условиях уран и шлак полностью расплавляются. При восстановлении больших объёмов шихта воспламеняется при комнатной температуре, получаются большие выхода и хорошее разделение шлака и металла. При восстановлении кальцием в большом масштабе используются открытые реакционные аппараты. Реакция возбуждается электрически, поджиганием магниевой ленты. Реакция самоподдерживающаяся и идёт быстро. При получении обогащённого урана необходимо соблюдать ядернобезопасную геометрию. Тогда при восстановлении малых количеств урана тепловые потери превышают количество выделяющегося тепла и для получения расплава шихту необходимо дополнительно подогревать. Восстановление обогащённого урана проводится в закрытых бомбах. Остаточный воздух удаляется вначале промыванием инертным газом. Затем бомба нагревается с заранее заданной скоростью, пока не произойдёт воспламенения. Для увеличения количества тепла, выделяющегося при реакции, можно прибавлять йод, дающий более легкоплавкий и жидкотекучий шлак. Полученный слиток чернового обдирают от шлака и подвергают вакуумной переплавке в индукционных печах. Составитель: Крайденко Р.И.

39 Высокие требования предъявляются к кальцию, используемому в металлотермии урана. Предварительно кальций подвергается вакуумной дистилляционной очистке, и последующему диспергированию в токе аргона. В результате кальций получается в виде шарообразных гранул размером около 1 мм. Обдирание шлака CaF 2 проводят вначале вручную с помощью зубила, затем на металлообрабатывающих станках. Составитель: Крайденко Р.И.

40 Восстановительная бомба с загрузкой шихты. 1- корпус бомбы, 2 - внутренняя футеровка, 3 – слой всплывшего шлака, 4 – расплав металлического урана Корпус бомбы изготавливается из нержавеющей стали. Срок службы корпуса около 150 плавок, после которых корпус претерпевает т.н. коробление т.е. изменение геометрической формы и его становится трудно футеровать. Футеруют корпус бомбы порошком фторида магния или кальция. В корпус бомбы вставляют металлический цилиндр меньшего диаметра а кольцевое пространство между стенкой корпуса и цилиндром заполняют порошком фторида магния или кальция, на цилиндрическую вставку подают вибрацию и порошок утрамбовывается в плотный слой футеровочной защиты. Толщина футеровки около 25 мм. Составитель: Крайденко Р.И.

41 Тетрафторид урана и магний или кальций поставляется в цех восстановления в упакованном виде во взвешенных барабанах., готовых для непосредственного использования. Обычно при магний термическом восстановлении используется смесь шихты состоящий из 202 кг тетрфторида урана и 32,1 кг магния. Этот вес магния рассчитан с условием 4% избытка. Шихта загружается в биконусный смеситель и смешивается не менее 3 минут. После приготовления шихты она засыпается в футерованную бомбу и утрамбовывается. Поверх утрамбованной шихты укладывают слой фильтровальной бумаги и засыпают футеровочным материалом, который также утрамбовывают. Операция восстановления состоит в нагреве бомбы до тех пор пока не произойдёт самопроизвольное воспламенение шихты, после чего идёт экзотермическое восстановление тетрафторида урана до металла. Нормальная температура воспламенения шихты – около 700 о С, хотя может колебаться в пределах – 670 – 760 О С. Время нагрева бомбы указанных размеров до воспламенения около 4 часов, на время достижения температуры воспламенения влияют различные факторы, в том числе толщина и равномерность футеровки и примеси находящиеся в исходном тетрафториде урана. Нормальный тетрфторид урана полученный в промышленных условиях содержит около 1% уранилфторида UO 2 F 2, и также около 1% оксидов урана UO 2, U 3 O 8. После операции восстановления бомбу охлаждают. В течении 1-2 часов бомба ожлаждается на воздухе до температуры 500 о С, После воздушного охлаждения бомба переносится в колодец с водяным охлаждением на 5-6 часов пока не охладится до комнатной температуры. Составитель: Крайденко Р.И.

42 После охлаждения изложницы она разбирается и из нее извлекаются слитки чернового урана. Содержание примесей в черновом уране: 0,4 % фторида кальция, 0,005–0,02 % железа, 0,01–0,05 % кремния, 0,002–0,005 % кальция, 0,0005–0,001 % марганца, 0,05 % углерода, 0,035 % кислорода, 0,01 % азота. Слитки чернового урана направляются на рафинировочную плавку Составитель: Крайденко Р.И.

43 Рафинировочная переплавка урана Для очистки урана от различных примесей используют т.н. рафинировочную переплавку. Переплавку урана осуществляют в индукционных печах. Принцип работы индукционной печи основан на прохождении через слиток урана токов Фуко, вызванных магнитным полем. Магнитное поле создаётся внешней обмоткой (катушкой индуктивности), частота тока 3000 Гц. Мощность индукционных печей достигает 200 кВт. Плавка проводится при остаточном давлении 0,1 мм рт. ст. и при температуре 1300 – 1500 ° С. При этом удаляются растворенные газы (N2, O2, H2, F2) и растворенные металлы с низкой температурой кипения: Cd(767 ° С), Na(883 ° С), Zn(907 ° С), Mg(1105 ° С), Li(1336 ° С), Ca(1495 ° С). Важным обстоятельством является высокая температура кипения металлического урана (3813 ° С), 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. Составитель: Крайденко Р.И.

44 Эскиз индукционной печи для переплавки урана 1- корпус печи, 2 –рубашки водяного охлаждения, 3 – катушки индуктивности, 4 – графитовый тигель для чернового урана, 5 – графитовая пробка 6 – графитовая изложница для рафинированного урана, 7 –нож для срезания графитовой пробки Составитель: Крайденко Р.И.

45 1-основание изоляции; 2-нижняя часть изложницы; 3-экраны; 4-держатель; 5-держатель 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 ZrO 2 для защиты индуктора; 15-крышка тигля; 16-тигель; 17-пробка; 18-изоляционное основание; 19-верхняя часть изложницы; 20-рычажное соединение; 21-донная футеровка; 22-рубашка изложницы. Составитель: Крайденко Р.И.

46 Индукционная печь состоит из графитового тигля4 куда загружается черновой уран, и графитовой изложницы6 находящийся под тиглем. После того, как печь загружена и герметизирована, она эвакуируется насосами. Когда давление станет меньше 200 мм.рт.ст. начинается индукционный нагрев. Откачка и нагрев продолжаются до тех пор, пока температура плавки не достигнет 1454 о С. При этой температуре плавка выдерживается и обезгаживается 45 мин. Из расплава удаляются и отгоняются магний, шлак, водород, радиоактивные продукты распада и другие летучие примеси. После обезгаживания рафинированный металл переливается в изложницу, расположенную под тиглем. Перелив происходит за в результате срезания графитовой пробки расположенной в нижней части тигля. Общее время плавки составляет 6 часов – 3 часа на нагрев и плавку и 3 часа на охлаждение. Остывший слиток извлекают из изложницы и срезают верхнюю часть на 25 мм, в верхней части слитка концентрируются остатки примесей. После получение анализов на качество металла, слиток упаковывается и транспортируется на участок прокатки и прессования. Составитель: Крайденко Р.И.

47 Содержание примесей в рафинированном уране (в % масс.) составляет: углерод – 0,04; водород – ; хлор – ; азот – 0,005; марганец – 0,0013; бор ; кадмий ; хром – 0,002; серебро ; никель – 0,004; кальций – ; магний – Составитель: Крайденко Р.И.

48 Металлический уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Самое известное применение обеднённого урана в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны. Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 "Абрамс".

49 Составитель: Крайденко Р.И. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично Mo и W; 4–8% урана заменяли вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана, содержащего до 30% (масс.) U. Однако такое применение урана продолжалось недолго. Урано-свинцовым способом датировки ученые измерили возраст древнейших минералов, а по возрасту метеоритов определили дату рождения планеты Земля. До пуска первых ядерных реакторов урановые руды добывали в основном для извлечения из них радия. Всего в относительно тонком, двадцатикилометровом, верхнем слое Земли заключено около т урана. Количество громадное, способное надолго удовлетворить все энергетические потребности человечества. Применение обедненного металлического урана обусловлено его высоким удельным весом, способностью задерживать ионизирующее излучение. По желанию заказчика из него могут быть изготовлены: слитки, прутки, плиты, диски, изделия сложной конфигурации.

50 Составитель: Крайденко Р.И. Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234 U. Из-за того, что основное использование урана производство энергии, обеднённый уран малополезный продукт с низкой экономической ценностью. В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин. Сердечники бронебойных снарядов. Наконечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана.

51 Составитель: Крайденко Р.И. Самое известное применение обеднённого урана в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость. Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

52 Составитель: Крайденко Р.И.

53

54

55

56

57

58

59

60 В основе презентации лежат труды авторов: - Андреев Г.Г.; - Бекман И.Н.; - Галкин Н.П.; - Дьяченко А.Н.; - Калин Б.А. - Кошелев Ф.П.; - Ран Ф.; - Синев Н.М.; - Тураев Н.С.; - internet Составитель: Крайденко Р.И.