Характеристика диоксида урана ядерной чистоты

Производство оксидов урана

Общие сведения

Оксиды урана – диоксид, закись-окись и триоксид – представляют важнейшие в технологическом отношении соединения урана. Диоксид применяется для изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ядерных реакторов.

Огнеупорность диоксида урана, устойчивость к действию радиационного излучения и относительная инертность являются главными факторами, обусловливающими его применение как ядерного горючего. Применение обогащенного изотопом ²³⁵U диоксида в виде зерен в металлической или керамической матрицах позволяет создавать ТВЭЛы, способные работать при высоких температурах в реакторах с большим удельным теплосъемом. Основным недостатком диоксида урана является низкая теплопроводность, которая ограничивает величину изделий.

Диоксид урана имеет важное значение как промежуточный продукт при производстве тетрафторида и далее гексафторида урана. Достоинство диоксида урана в данном случае перед другими оксидами заключается в том, что в этом соединении уран четырехвалентен, как в тетрафториде, в связи с чем не требуется дополнительных операций по его восстановлению. Диоксид урана совместно с закисью-окисью может использоваться в качестве исходного продукта в производстве металлического урана. Шихту в этом случае готовят из оксидов урана, металлического кальция и флюсующих добавок (например, хлорида кальция). После восстановления порошкообразный уран отмывают от примесей, прессуют и обжигают при высоких температурах до компактного металла или переплавляют.

Технологическое значение других оксидов урана – закиси-окиси и триоксида – несколько меньше. Эти соединения не применяются в качестве ядерного горючего, но служат промежуточными продуктами в производстве диоксида, тетрафторида, гексафторида и металлического урана. Кроме того, благодаря высокой стабильности при обычных условиях закись-окись и триоксид урана могут использоваться для хранения.

К оксидам урана в соответствии с указанными областями их применения предъявляют определенные требования, связанные прежде всего с их чистотой. При самостоятельном использовании диоксида урана в ядерных реакторах содержание примесей в ней должно соответствовать требованиям ядерной чистоты (ASTM стандарт). Требования к обогащенному диоксиду урана приведены в табл. 1.2.1.

Если оксиды используются для производства тетрафторида или других соединений урана, требования по чистоте могут быть несколько иными. В частности, содержание примесей определяется методом получения тетрафторида; так, при получении тетрафторида урана из водных растворов достигается хорошая очистка от примесей, в то время как при сухом процессе возможно даже загрязнение урана продуктами коррозии. Поэтому в зависимости от принятого метода получения тетрафторида оксиды урана могут содержать большее или меньшее количество примесей.

Таблица 1.2.1

Характеристика диоксида урана ядерной чистоты

Далее тетрафторид, полученный из оксидов, можно перерабатывать либо до металла, либо до гексафторида. В первом случае тетрафторид должен быть ядерночистым и даже несколько чище на случай возможного загрязнения урана при плавке. Во втором достигается хорошая очистка урана от примесей нелетучих фторидов, в связи с чем к исходному тетрафториду, а следовательно, и к оксидам предъявляются менее жесткие требования по содержанию примесей.

Особенно большое значение имеют физические свойства оксидов урана: насыпной вес, размер кристаллов и агрегатов, пористость и т. д. Изделия из диоксида урана, используемые в качестве тепловыделяющих элементов, должны обладать высокой плотностью, близкой к теоретической (10,96 г/см³). Изделия такой высокой плотности можно получить лишь из определенных порошков диоксида урана. Пригодность диоксида для последующего прессования и спекания в изделия обусловливается способом его получения (табл. 1.2.2).

Таблица 1.2.2

Плотность образцов диоксида урана, полученного различными методами

* Образцы прессовали на холоду под давлением 2,8 т/см² и спекали в течение 30 мин в атмосфере при 1700 °С.

Как видно из этих данных, более удобен для получения диоксида керамического сорта метод термического разложения с одновременным восстановлением полиураната аммония. Образцы плотностью выше 10 г/см³можно получить и из худшего по спекаемости порошка, но тогда потребуются более высокие давления прессования и большее время спекания. Размер кристаллов диоксида керамического сорта колеблется в пределах десятых долей микрона.

Если оксиды урана используются в качестве промежуточных продуктов в производстве тетрафторида и других соединений урана, их физические свойства в существенной степени определяют эффективность операций восстановления и фторирования. Реакционная способность оксидов урана зависит от метода их получения, в частности наиболее активные образцы получают разложением солей при низкой температуре; при осуществлении тех же операций при более высокой температуре реакционная активность оксидов снижается.

Однако не только температура, но и вид исходного соединения урана влияет на физические свойства полученных из него оксидов (табл. 1.2.3).

Таблица 1.2.3