Аффинаж

На всех этапах переработки урановых руд проходит определённая очистка урана от примесей. Однако полной очистки получаемых химических концентратов достичь не удается.

Некоторые концентраты содержат всего 60-80 %, другие 95-96 % U₃O₈, а остальное - различные примеси. Такой уран не пригоден в качестве ядерного топлива, поэтому обязательна следующая стадия ядерного топливного цикла – аффинаж, в котором завершается очистка соединений урана от примесей и, особенно, от элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий, европий, гадолиний, самарий и т.д.).

Методы аффинажа урана разнообразны. Наибольшее распространение получили следующие способы очистки:

- пероксидный (выделение пероксида урана UO₄•H₂O из раствора уранилнитрата UO₂(NO₃)₂ под действием пергидроля H₂O₂);

- карбонатный (добавляют бикарбонат аммония NH₄HCO₃ ,уран осаждают в виде очень устойчивого комплексного соединения – уранилтрикарбоната аммония);

- экстракционный растворителями (урановая руда удаляется из щелока от выщелачивания подкисленной породы при помощи смеси растворителей).

Прокаливание полученных при аффинаже осадков урановых солей позволяет получить чистые оксиды урана. Важнейшие промежуточные продукты уранового производств – UO₃, U₃O₈.

Производство uf6: разделение изотопов

Современная ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах, за исключением канадских тяжеловодных реакторов CANDU, базируется на слабообогащенном (2—5%) ²³⁵U урановом топливе. В реакторах на быстрых нейтронах, а также в исследовательских и транспортных реакторах используется уран с более высоким содержанием ²³⁵U (до 93%). Следовательно, прежде чем изготавливать топливо природный уран, содержащий только 0,72% ²³⁵U, необходимо обогатить – разделить изотопы ²³⁵U и ²³⁸U. Химические реакции слишком малочувствительны к атомной массе реагирующих элементов. Поэтому они не могут быть использованы для обогащения урана; необходимы физические методы разделения изотопов.

Основные используемые методы разделения изотопов:

• Электромагнитное разделение.

• Газовая диффузия.

• Жидкостная термодиффузия.

• Газовое центрифугирование.

• Аэродинамическая сепарация.

• AVLIS (atomic vapor laser isotope separation) - испарение с использованием лазера.

• Химическое обогащение.

• Дистилляция.

• Электролиз.

Эффективности различных методов разделения:

Метод разделения U-235/238

Химическое обогащение 1.0015

Дистилляция -

Газовая диффузия 1.00429

Центрифугирование (250 м/с) 1.026

Центрифугирование (600 м/с) 1.233

Электролиз -

В настоящее время основным, а до недавнего времени единственным, промышленным методом производства обогащенного урана был газодиффузионный.

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Вещество должно находиться в газообразном состоянии.

При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие обгонят более тяжелые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь - изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

Для некоторых легких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана - только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия – огромные по размерам, состоят из тысяч ступеней обогащения.

В 1980 г. на долю газодиффузионных заводов приходилось 98% всех мощностей по обогащению. В последние годы получает все большее распространение конкурирующий с ним центробежный метод, основанный на использовании высокоскоростных газовых центрифуг. В обоих методах применяют уран в виде гексафторида UF₆. Гексафторид урана обладает интересными и важными для технологии физическими свойствами. Во-первых, UF₆ — единственное урансодержащее вещество, существующее при обычной температуре, но при пониженном давлении в газообразном состоянии. Во-вторых, гексафторид урана при обычных условиях легко возгоняется, т.е. превращается в газ из твердого состояния, минуя жидкую фазу. При температуре 56,5 ˚C давление пара UF₆ над твёрдым продуктом составляет 760 мм рт. ст. и гексафторид «кипит». При повышенном давлении UF₆ может существовать в жидкой фазе. Его тройная точка соответствует температуре 64,05 ˚С при давлении пара 1134 мм рт. ст.

Некоторые свойства гексафторида урана создают трудности при его промышленном использовании и требуют специального подбора материалов в технологическом оборудовании. UF6—вещество химически активное. При взаимодействии UF₆ с водой, органическими веществами и металлами возникают нелетучие соединения урана (например, тетрафторид урана—зеленая соль), осаждающиеся на стенках оборудования.

Основной промышленный способ получения UF₆ -фторирование различных соединений урана. Наиболее часто отдают предпочтение методам, основанным на фторировании тетрафторида уранаUF₄. Предварительно тетрафторид урана получают из оксидов с помощью HF.

Процесс фторирования и значительной степени является аффинажным, поскольку попутно получаемый гексафторид урана дополнительно очищается от примесей других химических элементов, которые остаются в твердых осадках фторирования («золе», «огарках», «твердых отходах») вместе с непрореа-гировавшим UF. Количество твердых отходов около 0, 5%, но они радиоактивны, так как содержат продукты распада урана (изотопы тория и протактиния), и являются интенсивными источниками γ-излучения.

Обогащение урана методом газовой диффузии основано на явлении молекулярной диффузии через пористую перегородку с мельчайшими отверстиями. В замкнутом пространстве при тепловом равновесии все молекулы газовой смеси обладают одной и той же кинетической анергией. Менее тяжелые молекулы ²³⁵UF₆ обладают большей средней скоростью теплового движения и поэтому чаще ударяются о перегородку, чем более тяжелые молекулы ²³⁵UF₆ . В результате через отверстия перегородки чаще будут проникать (диффундировать) более легкие молекул ²³⁵UF₆ . Соответственно молекулы тяжелого изотопа будут концентрироваться перед перегородкой. Отношение концентрации легких и тяжелых молекул до и после перегородки (коэффициент обогащения)

α = √M1 / M2 = √352/349 = 1,0043,

где M1 и М2 — соответственно массы молекул ²³⁸U и ²³⁵U.

Установки по изотопному разделению газодиффузионными и центробежными методами состоят из набора элементов, в которых UF₆ разделяется на фракцию, обогащенную ²³⁵U, и отвальную фракцию (или просто отвал), обедненную ²³⁵U. Одни или несколько разделительных элементов, соединенных параллельно между собой, называют разделительной ступенью. Во всех элементах одной ступени исходный продукт, продукция и отвал имеют один и тот же изотопный состав. Необходимое обогащение урана достигается многократным соединением нескольких ступеней. Такая компоновка называется разделительным каскадом. На разделительных заводах и основном используются противоточные каскады, в которых отвал одной ступени используется как исходный продукт в предыдущей ступени. Поскольку при газодиффузионном методе коэффициент разделения одной ступени очень мал, для получения обогащенного урана требуется огромное число ступеней каскада. Например, для получения из природного урана смеси, обогащенной до 2,4 % по ²³⁵U, и концентрации ²³⁵U в исходном уране (отвале) 0,3 % требуется около 840 ступеней и 3000—5000 ступеней для получения высокообогащенного (90% ²³⁵U) урана.

Метод газовой диффузии чрезвычайно дорогостоящий, так как требует огромных площадей и большого количества достаточно сложного оборудования. Кроме того, газодиффузионные заводы потребляют очень много электроэнергии.

Как и в любом другом технологическом процессе, при обогащении урана существуют некоторые материальные потери продукта, В частности, несколько десятых частей процента общей массы обогащаемого урана остается внутри разделительного оборудования и трубопроводов, накапливаясь в виде твердых отложений. При остановках и ремонтах разделительных установок твердые отложения, конечно же, извлекаются из технологического оборудования. Эти потери неизбежны и их заранее предусматривают, Например, в контрактах на обогащение урана диффузионными заводами США оговариваются потери 0,5 %. Несмотря на то, что потери продукта малы, они существенны с точки зрения обеспечения радиационной безопасности на заводах.

В настоящее время отвал поступает для хранения на склады до того времени, когда его можно будет использовать как воспроизводящий материал в реакторах-размножителях для производства плутония.