СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УРАНА
METHOD OF METAL URANIUM PRODUCTION

Изобретение относится к атомной промышленности и химической технологии урана и неорганических веществ и может быть использовано для получения металлического урана.
Уран можно получить электролизом расплава солей хлоридов щелочноземельных металлов и диоксида урана.
Известен способ получения металлического урана, включающий электролиз диоксида урана в расплаве хлоридов лития и калия при температуре 500-600°С в электролизере с графитовым анодом и металлическим катодом и выделение металлического урана на катоде (патент РФ №2497979, МПК С25С 3/34 (2006.01) С22В 60/02 (2006.01), опубл. 10.11.2013). Недостатком этого способа является использование агрессивных реагентов (хлориды лития и калия) при высоких температурах и образованием при электролизе токсичного и агрессивного элементарного хлора, что в значительной мере усложняет аппаратурное оформление процесса.
Одним из основных способов получения металлического урана является способ кальциетермического восстановления тетрафторида урана.
Известен способ получения урана восстановлением тетрафторида урана, по которому в реактор загружают спрессованные брикеты из смеси тетрафторида урана и кальциевой стружки, реактор с шихтой промывают чистым аргоном, возбуждают реакцию электрическим запалом, и слиток охлаждают в среде аргона (Ю.Н. Сокурский, Я.М. Стерлин «Уран и его сплавы», М., Атомиздат, 1971 г. стр. 33). Недостатком указанного способа является необходимость дополнительной операции предварительного брикетирования смеси тетрафторида урана и кальциевой стружки и низкий выход по черновому урану.
Также известен способ получения металлического урана, по которому готовят смесь тетрафторида урана и кальция, заполняют смесь без брикетирования в тигель, который заполняют аргоном и инициируют плавку электрозапалом («Основы металлургии» т. 5, Москва, 1968, Металлургия, стр. 72). Этому способу присущи недостатки, характерные для способов металлотермической плавки с верхним электрозапалом. При верхнем запале полученные капли урана стекают вниз через холодную шихту, отдавая тепло и взаимодействуя с кислородом и азотом воздуха, находящегося в порах шихты, что приводит к увеличению содержания урана в шлаке (до 10%) и, соответственно, уменьшению выхода урана в слиток (менее 95%).
Известен способ получения металлического чернового урана, включающий смешение тетрафторида урана и урановой стружки с металлическим кальцием, инициирование плавки электрозапалом в среде аргона в графитовом реакторе, который предварительно нагревают до температуры 200-600°С (патент РФ №2154691, МПК С22В 60/2, 20.08.2000). Этот способ представляет интерес при переработке отходов урана в виде стружки, образовавшейся при токарной обработке чернового слитка урана.
Наиболее близким решением, выбранным за прототип, является способ кальциетермического восстановления тетрафторида урана, который включает смешивание тетрафторида урана с металлическим кальцием, взятым с избытком, загрузку в реактор и инициирование плавки нижним электрозапалом (Н.С. Тураев, И.И. Жерин «Химия и технология урана», Москва, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005, стр. 399-401). Недостатками способа являются низкий выход чернового металлического урана (менее 96%) и высокое содержание урана в шлаке - до 10%. Кроме того, после плавки возникает проблема механического (с помощью зубила) отделения шлака от металла.
Задача изобретения и достигаемый при использовании изобретения технический результат - получение слитков чернового урана без локальных включений шлака, увеличение выхода урана в слиток и упрощение процесса отделения слитка урана от шлака.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения металлического урана, включающем смешивание тетрафторида урана с металлическим кальцием, взятым с избытком от стехиометрического количества, загрузку смеси в реактор и инициирование плавки нижним электрозапалом, согласно изобретению загрузку смеси осуществляют послойно с уменьшением избытка кальция по высоте загрузки, который в нижнем слое загрузки составляет не менее 15% и в последнем поверхностном слое загрузки - не менее 5%, при этом в процессе загрузки смесь уплотняют.
В частных случаях осуществления изобретения:
- в качестве кальция используют гранулированный кальций с размером гранул 1,0-3,0 мм;
2
- смесь тетрафторида урана и кальция уплотняют в реакторе с удельным давлением 10-15 кг/см;
- в качестве электрозапала используют вольфрамовый стержень.
При загрузке смеси тетрафторида урана и кальция в реактор проводят послойное ее уплотнение. Это необходимо с целью обеспечения большего тепловыделения в единице объема реактора при последующей реакции кальциетермического восстановления тетрафторида урана:
2
При нижнем электрозапале смеси при послойном профилировании загрузки смеси по кальцию с уменьшением избытка кальция по высоте загрузки с не менее 15% в нижнем слое смеси до не менее 5% в последнем поверхностном слое загрузки и ее уплотнении, непрореагировавший избыток кальция расплавляется и, испаряясь, поднимается в верхние, еще не прореагировавшие, слои смеси, где взаимодействует с тетрафторидом урана. С другой стороны, пары кальция, поднимающиеся из нижних слоев, конденсируются и отдают тепло верхним слоям, что повышает температуру шлака (CaF), способствует более полному его отделению от расплава урана. Это позволяет уменьшить количество урана в шлаке и, соответственно, - увеличить выход урана в слиток. Кроме того уменьшается общее количество кальция, необходимого для кальциетермического восстановления тетрафторида урана. Уменьшение избытка кальция в верхних слоях и снижение его общего количества в смеси приводит к уменьшению содержания кальция в шлаке, что в значительной мере упрощает отделение слитка урана от шлака и так же повышает выход урана в слиток.
Выход за заявленный диапазон по содержанию кальция приводит к неполному кальциетермическому восстановлению тетрафторида урана по реакции (1).
2
Уплотнение смеси с удельным давлением 10-15 кг/см примерно соответствует утрамбовке вручную, например пестиком, что вполне достаточно для обеспечения необходимой плотности смеси и оптимального тепловыделения в единице объема загрузки при прохождении реакции (1).
Размер гранул металлического кальция 1,0-3,0 мм является оптимальным с точки зрения максимального выхода урана в слиток и упрощение процесса отделения шлака от слитка.
Использование вольфрамовой проволоки или стержня для инициирования реакции (1) упрощает организацию нижнего электрозапала, а также исключает загрязнение чернового слитка урана материалом электрода.
Благодаря профилированию загрузки смеси по содержанию кальция с уменьшением избытка кальция по высоте загрузки с 15% в нижнем слое смеси до 5%, ее уплотнению в процессе загрузки и инициированию плавки нижним электрозапалом достигается более полное отделение шлака и урана и, как следствие этого, увеличивается выход урана в слиток до 98%, и уменьшается количество кальция, используемого для восстановления тетрафторида урана. Предложенный способ прост в осуществлении - не предусматривает предварительного брикетирования шихты и использование аргона, упрощается отделение шлака и уранового слитка.
Способ осуществляется следующим образом.
3
2
Внутреннюю поверхность графитового реактора обмазывали технологической обмазкой (CaF2). В барабанном смесителе типа «пьяная бочка» перемешивали навески тетрафторида урана и кальция в течение 30 мин. Тетрафторид урана имел удельную насыпную плотность 2,6-2,7 г/см. В реактор послойно засыпали и трамбовали три навески по 2,5 кг (примеры №1, 2, 5, 7 таблицы) и по 3,5 кг (примеры №3, 4, 6) тетрафторида урана, смешанного с избытком по кальцию, приведенном в таблице. Перед засыпкой смеси по центру реактора помещали трубку для стержневого электрозапала. В качестве электрозапала использовали вольфрамовый стержень диаметром 1,2 мм. Смесь загружали небольшими порциями (10-20 г) и трамбовали вручную пестиком с усилием 10-15 кг/см. С целью предотвращения заклинивания трубки при уплотнении (трамбовании) шихты проводили периодическое ее вращение вокруг своей оси. Это облегчало удаление трубки из утрамбованной шихты перед инициированием нижнего электрозапала. После инициирования плавки вольфрамовый стержень сразу удаляли из реактора. После остывания реактора его опрокидывали и отделяли металл от шлака. В таблице приведены данные по содержанию кальция по слоям в смеси загрузок и результаты по выходу урана в слиток.
Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что увеличение выхода урана в слиток достигается при послойной загрузке с уменьшением избытка кальция по высоте загрузки с не менее 15% в нижнем слое смеси до не менее 5% в последнем поверхностном слое загрузки (примеры №1,4, 5).
Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать слитки чернового урана без локальных включений шлака, увеличить выхода урана в слиток и уменьшить количество кальция, необходимого для металлургической переработки тетрафторида урана. Получаемые предложенным способом слитки металлического урана имели более легкое отделение металла от шлака и содержали меньшее количество урана в шлаке (менее 3,0%).