Производство гексафторида урана и его изотопное обогащение

Обратим внимание читателей на то, что гексафторид урана в промышленном масштабе в России и других ядерных странах мира получают из оксидов урана ядерной чистоты по различным технологическим схемам. На зарубежных заводах его получают классическим способом в несколько стадий:

UO_3(тв)(U₃O_8(тв)) + H_2(г) → UO_2(тв) + nH₂O_(г), (1.3.1)

UO_2(тв) + 4HF_(г) → UF_4(тв) + 2H₂O_(г), (1.3.2)

UF_4(тв) + F_2(г) → UF_6(г). (1.3.3)

В России гексафторид урана получают в одну стадию, минуя процесс восстановления оксидов урана водородом (1.3.1) и процесс гидрофторирования диоксида урана безводным фтороводородом (1.3.2) – прямым фторированием оксидов урана элементным фтором по реакции:

U₃O_8(тв) + 9F_2(г) → 3UF_6(г) + 4O_2(г). (1.3.4)

Для получения гексафторида урана при помощи газообразного фтора можно использовать практически любые соединения урана. Отличие заключается лишь в расходных коэффициентах по фтору. Так, при фторировании тетрафторида урана элементным фтором теоретический расходный коэффициент составляет 1 М F₂ на 1 М UF₄. Соответственно при фторировании уранилфторида (UO₂F₂) на 1 М UO₂F₂ необходимо 2 М F₂, а для получения UF₆ из UO₂, UO₃ или U₃O₈ стехиометрический расход элементного фтора составляет 3 М, 3 М и 9 М соответственно. Таким образом, для получения UF₆ из UF₄ расход элементного фтора минимален, поэтому данный процесс используют, как правило, для промышленного получения гексафторида урана. Однако, в этом случае, процесс синтеза гексафторида урана становится многостадийным – необходимо восстановить высшие оксиды урана (UO₃, U₃O₈) до четырехвалентного урана (UO₂), провести процесс гидрофторирования диоксида урана безводным фтороводородом до тетрафторида и затем профторировать полученный тетрафторид элементным фтором до гексафторида. Каждая из описанных стадий является технологическим процессом со сложным оборудованием, работающем при высоких температурах, в агрессивной, а значит и коррозионноопасной среде. Контроль и управление многими технологическими параметрами (температурой, давлением, расходом и соотношением твердого и газообразного компонентов), а также контроль качества исходных и промежуточных материалов представляет весьма сложную задачу. Осуществление многостадийных процессов приводит к дополнительным потерям урана на каждой стадии, при перегрузках продукта из одного реактора в другой и при транспортировке урансодержащих продуктов. Возникает необходимость организации переработки отходов, образующихся на каждой стадии технологического процесса. Многостадийное производство требует больших капитальных, эксплуатационных затрат при его создании и функционировании, а также существенно больших трудовых затрат по сравнению с одностадийными процессами. Поэтому сокращение количества стадий при производстве одного и того же продукта становится первостепенной задачей. Одностадийный процесс с более простым аппаратурным оформлением и использованием более дорогого химического реагента может оказаться более выгодным, чем многоступенчатый процесс с более дешевыми химическими реагентами. Так и случилось с производством гексафторида урана. Внедрение в промышленную практику одностадийного прямого фторирования ядерночистых высших оксидов урана (UO₃ или U₃O₈) элементным фтором в пламенных реакторах и многолетняя практика его осуществления на Российских сублиматных заводах полностью подтвердили все технические, экономические и экологические преимущества прямого фторирования высших оксидов урана элементным фтором. В связи с тем, что в России и других ядерных державах используют различные технологии получения гексафторида урана рассмотрим более подробно два способа его производства.