9.2 Металдық уран алудың әдістері

Уран металлургиясының тарихы көрсеткендей, таза металдық уран алудың барлық жағдайында мынадай әдістерді қолданған:

1) уранның тотықтарын металлтермиялық жолмен бұрынғы қалпына келтіру;

2) уран галогенидтерін металлтермия жолымен бұрынғы қалпына келтіру;

3) уранның тұздары бар балқытылған құймаларды электролиздеу;

4) уранның кейбір қосылыстарын термиялық жолмен ыдырату.

Бұл әдістерді тереңірек қарастырайық.

Уран тетраиодиді UI₄ термиялық жолмен ыдырату әдісі көрсеткендей, оны кішігірім көлемде сынау аса күрделі және шым-шытырық, сондай-ақ қолданылатын аппарат та күрделі. Іс жүзінде бұл әдісті қолданбайды және оны өндіріске енгізу жобалары жасалынбайды.

Үлкен тарихи маңызы бар, металдық уран алудың электролиттік әдісі кең көлемде қолданылған. Нақ осы әдіс көмегімен 1942-1943 ж.ж. бірінші реакторға арналып АҚШ-тың «Манхэттендік жобасында» бірінші рет ядорлық таза уран алынды.

Электролиз кезінде CaF₂+NaF (сәйкес 80-20%), балқытылған күйде UF₄ немесе KUF₅ пайдаланылады. Балқытылған кұймада:

UF₄  U⁴⁺+4F^-,

диссоциациясы өтеді, электр тогының өтуі кезінде мынадай реакцияларды: катодта U⁴⁺+4e^-  U _металл; анодта 4Ғ~4е^- 2Ғ₂ жүзеге асыруға болады.

Дегенмен, өдетте балкымаға косылатын СаСL₂:

2Ғ₂+2СаСL₂2Са Ғ₂+2СL₂

арқылы реакцияның етуі салдарынан элементарлы фтор бөлініп шықпайды.

Үрдіс анод болып табылатын графитті тигельде жүзеге асырылады. Катод ретінде балқымаға батырылған молибден пластинкасы қолданылады (9.1-сурет).

9.1-сурет. Ерітілген фторидтерді электролиздеу арқылы металдық уран алуға арналған аппарат нобайы

Үрдіс температурасы 800-900°С. Уран, катодты алмұрт деп аталатын қатты дисперсті ұнтақ түрінде катодқа тұнады. Үрдіс аяқталған сон, алынған уранды ұнтақты жуып тазалайды, спиртпен, эфирмен кептіреді, кайтадан балқытады немесе күйдіреді. Осылайша ядорлық таза металл алынады.

Қазіргі уақытта бұл әдіс барлық жерде, өндірістік көлемде жүзеге асырылып жатқан едәуір арзан және жетілген металлтермиялық әдістермен ығыстырылып тасталды.

9.3 Уран металлтермиясының термодинамикалық негіздері

Уран металлургиясына катысты тотықсыздану металлтермиялық үрдістерінің жалпы принциптерін реакция түрінде қарастырайық:

UX+R RX+U+Q

Мұндағы, X- оттегі немесе галоген;

R- металл-тотықсыздандырғыш (К, Na, Ca, Mg, АІ);

RX-қалдық;

Q-реакцияның жылу эффектісі.

Үрдістер Гибсс энергиясының G азаю бағытында өтеді, сондықтан тотықсыздандырғыш металл ретінде, тек қана уранның ұқсас қоспаларының құрылуының реакцияларымен салыстырғанда тотығулары немесе галогендерінің құрылуы Гибсс энергиясының азаюымен қабаттасып жүретіндерін ғана пайдалануға болады. Температураға байланысты тотық түзілу реакциясы 9.2,а –суретте көрсетілген.

Диаграммадан көріп отырғанымыздай, уранның, оның өзінің тотықтарынан тотықсыздануы үшін Н₂-ні немесе Na-ді емес, Са, Mg, АІ-ді қолдануға болады. Бірақ, алюминий уранмен балқымалар қүрайды, бүл оның пайдалануға жарамсыз екенін аныктайды. Негізінде өте жоғары температурада С-ді қолдануға болады, бірақ ол уранмен бірге карбидтер түзеді.

а) б)

9.2-сурет. Кейбір металдардың тотықтары мен фторидтерінің түзілуінің Гибсс энергиясының температураға тәуелділігі

Фторидтерге қатысты диаграмма көрсетіп отырғандай, (9.2,б- суретке қараңыз) Ca, Mg және Na-дің пайдаланылуы негізінде уран тетрафторидінің тотықсыздануы мүмкін. Бірақ натрийді қолдану өте қауіпті, сонымен бірге натрийдің қайнау температурасы (880°С) уранның балқу температурасынан (1130°С) көптеген есе төмен, сондықтан бұл үрдісті іс жүзінде жүзеге асыру барысында қосымша қиындықтарды туғызады.

Хлоридтер диаграммасы да ұксас, дегенмен уран тетрахлориді өте берік, жеңіл тотығады, гидролизденеді, ауадағы ылғалды сіңіреді, өте ұшқыш (Т_кайнау =790°С), яғни тәжірибелік мақсаттарға өте қолайлы.

Сонымен, қоспаның физика-химиялық қасиеттерін есепке ала отырып, негізгі шикізат ретінде уранның тотықтарын немесе фторидтерін, ал тотықсыздандырғыш ретінде кальций немесе магний тандап алынады.

Айтылғандарға косарымыз, кальций және магний уранда ерімейді, олардың тотықтары мен фторидтері өте берік заттар, сондықтан оларды отқа төзімді материалдар ретінде тотықсызданатын балқыту аппараттары үшін пайдалануға болады.

Мына реакциялар:

UО₂+2Ca U+2CaO;

UО₂+2Mg U+2MgO;

UF₄+2Ca U+2CaF₂;

UF₄+2Mg U+2MgF₂;

металлтермиялық типке жатады. Осыған қатысты ертерек 1859ж. Н.Н.Бекетов ашкан алюмотермия реакциясын еске түсірейік:

2Fe₃О₄ +3А1 4Аl₂0₃ +9Fe + 795 ккал.

«термит»

Темір мен алюминийдің ұнтақ түрдегі тотықтарының қоспасын - термитті негізінен рельстерді дәнекерлеу үшін колданады. Толығымен ұқыпты араластырылған қоспа бір нүктеде тұтандырғышпен жандырылады және сол мезетте тізбекті химиялық реакция бойынша жүретін 3500°С-тан жоғары температураға артатын, көзді шағылыстыратын - жарық үрдісі басталады.

Сондықтан, металлтермиялық тотықсыздануды ойдағыдай жүзеге асыру үшін шихтаның әрбір нүктесінде әрекеттесетін заттардың стехиометриялық ара қатынаста болуы аса манызды орын алады, бұл бастапқы материалдардың толық араласуы мен жұқа дисперстігінің үйлесуін қамтамасыз етеді.

Реакция электрлі тұтандырғыш, химиялық тұтандырғыш (магнийдің селитрамен қоспасы) немесе аппарат ішіндегі заттармен пеште қыздыру көмегімен басталады. Реакция тез және толық адиабаттық түрде өтеді.

Металлтермиялық тотықсызданудың осындай реакциялары металдық уран алу үшін қолданылады.

Металдық уранның барлық өнеркәсіптік өндірісін, әдістерін екі типке бөлуге болады.

1. Уран тотықтарын кальциймен немесе магниймен тотықсыздандыру. Бұл жағдайда бөлініп шығатын жылу тек бір уранды ғана балқытуға жеткілікті. Шлак қатты күйде қалзды. Мұндай жағдайда уранды ұсақ бөлшекке ұқсас сфералық түрдегі түйір - ұнтақ түрінде алады, ураннан шлакты бөлу үшін оны әлсіз кышқылда еріту керек.

2. Уран тетрафторидінің магниймен немесе кальциймен тотықсыздануы. Бұл жағдайда бөлініп шығатын жылу металды да, шлакты да балқытуға жетеді. Алынған екі сұйық фазалар бір-бірінен едәуір жақсы бөлінеді, бұнда, салкындатқаннан жөне қаттыланғаннан кейін уранды тұтас құйма түрінде алуға мүмкіндік береді.