Получение оксидов урана

       Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

       НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

       Физико-технический  институт

       Ядерная физика и технологии

       Кафедра электроники и  автоматики физических установок 
 
 
 
 

       Реферат по спецхимии на тему: 

       Производство  оксидов урана 
 
 
 
 
 
 
 

Студентка гр. 0792    ______________________   Корчуганова Т.А. 

                              _________________ 

Доцент  каф. ХТРЭ  _______________________  Крайденко Р.И. 

                               _________________ 
 
 

       Томск - 2011 

       Содержание

  1 Оксиды урана 4

       1.1 Система «уран–кислород» 4

       1.2 Монооксид урана 5

       1.3 Диоксид урана 5

       1.4 Оксиды U₄O₉ и U₃O₇ 6

       1.5 Закись-окись урана U₃O₈ 6

  2 Технологическая характеристика оксидов урана 8

  3 Методы получения оксидов урана 10

       3.1 Производство оксидов урана из уранилнитрата 10

       3.2 Получение оксидов урана из диураната аммония 11

       3.3 Получение оксидов урана из его пероксидов 14

       3.4 Получение оксидов урана из оксалата уранила 14

       3.5 Получение оксидов урана из аммонийуранилтрикарбоната 15

       3.6 Восстановление высших оксидов урана до диоксида 15

  4 Аппаратурное оформление процессов восстановления оксидов урана 19

       4.1 Требования к качеству диоксида урана 20

  Заключение 21

  Список литературы 22

        

 

        Введение

             В результате аффинажа самыми различными способами уран получают в виде одного из таких соединений, как уранилнитрат, диуранат аммония, пероксид урана, уранилтрикарбонат аммония.

         Операции превращения этих соединений в конечные продукты показаны на схеме на рисунке 1 :

       Рисунок 1. Схема превращения уроносодержащих соединений

       в конечные продукты 

       Следовательно, оксиды урана UO₃, UO₂ и U₃O₈ – важнейшие промежуточные продукты уранового производства при получении фторидов урана и металлического урана.

       Кроме того, основой ТВЭЛов современных ядерных реакторов многих типов служит диоксид урана, который обладает высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Применение огнеупорного UO₂ дает возможность получать в реакторах значительно более высокие температуры, чем при использовании обычных металлических ТВЭЛов. К диоксиду, обогащенному изотопом уран-235, предъявляются повышенные требования как по чистоте, так и по структуре и физическим свойствам [1].

1. Оксиды урана
1. Система «уран–кислород»

       Система «уран – кислород» представляет собой одну из самых сложных двойных  систем. Три оксида урана – диоксид  UO₂, закись-окись U₃O₈ и триоксид UO₃ известны уже более ста лет. Исследования последних лет показали, что возможно существование монооксида UO, а также таких соединений урана с кислородом, как U₄O₉, U₃O₇, U₂O₅ и что эти соединения, как и три ранее известных оксида, не являются стехиометрическими, и в действительности существует разнообразие нестехиометрических форм. В Было показано существование в системе U–O нескольких фаз.

       Таблица 1. Возможные фазы в системе «уран–кислород»

         

       При изучении системы «уран–кислород»  обнаружено несколько гомогенных областей с переменным составом урана и  кислорода. Одна из таких областей лежит, например, между составами UO₂ – UO_2,25. Существование стабильной фазы монооксида урана не доказано.

 

       

2.  Монооксид урана UO

       Низший  оксид урана встречается только в виде тонких пленок на уране или  включений в металл. Это хрупкое  вещество серого цвета с металлическим  блеском. По различным данным, его  плотность составляет 13,6 – 14,2 г/см³. Монооксид имеет кубическую решетку типа NaCl. По мнению некоторых исследователей, при обычных условиях в свободном состоянии UO не существует. Основная трудность ее получения связана с тем, что она устойчива только при высоких температурах. [1]

3.  Диоксид урана UO₂

       UO₂ (точнее, UO_2±Х) – вещество темно-коричневого цвета с кристаллической структурой типа CaF₂. Это нестехиометрическое соединение может иметь состав от UO_1,6 до UO_2,25, причем дополнительные (сверх стехиометрии) атомы кислорода удерживаются в промежутках кристаллической решетки в результате внедрения атомов кислорода в решетку UO₂ типа флюорита.

       Диоксид урана может быть получен восстановлением  триоксида или U₃O₈ водородом или оксидом углерода при 500–600°С. Он образуется также при окислении урана на воздухе при 150 –170°С. Это – основной оксид, которому соответствует основной гидроксид U(OH)₄. Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме или в восстановительной атмосфере до 1600°С и возгоняется без разложения. При более высокой температуре он теряет кислород с образованием достехиометрического диоксида. В присутствии кислорода UO₂ способен растворять его в себе с сохранением кубической структуры, образуя фазу UO_2+x, где х зависит от температуры.

       Диоксид урана не реагирует с водой  и ее парами до 300°С, нерастворима в соляной кислоте, но растворима в азотной кислоте, царской водке и смеси HNO₃ и HF. При растворении в азотной кислоте происходит образование уранил-ионов UO₂²⁺. Известен один кристаллогидрат диоксида урана UO₂^.2H₂O – черный осадок, выпадающий при гидролизе растворов урана (IV). Диоксид урана входит в состав уранового минерала уранинита.

 

       

4. Оксиды  U₄O₉ и U₃O₇

       Оксиды  U₄O₉ и U₃O₇ образуют самостоятельные фазы нестехиометрического состава. Для оксида U₃O₇ характерно наличие метастабильных тетрагональных фаз. Существует по крайней мере пять таких фаз, которые при температуре выше 600°С распадаются с образованием соответственно UO₂ и U₄O₉ или U₄O₉ и UO_2,6. При температуре выше 600°С в системе U–O в области от U₄O₉ до U₃O₈ исчезают все метастабильные тетрагональные оксиды, и в равновесии находятся фаза U₄O₉ и фаза с ромбической структурой закиси-окиси.

5. Закись-окись урана U₃O₈

       Закись-окись  урана U₃O₈ – нестехиометрическое соединение, имеющее несколько модификаций в зависимости от условий приготовления. Цвет вещества – от зеленого до оливково-зеленого и черного. Закись-окись образуется при окислении на воздухе диоксида урана и при прокаливании на воздухе до красного каления (650–900°С) любого оксида урана, гидрата оксида или соли урана и летучего основания или кислоты.

       Оксид U₃O₈ рассматривают иногда как UO₂ ^. 2UO₃ на основании того, что при растворении его в растворе присутствуют U⁴⁺ и 2UO₂²⁺. Однако доказано, что все атомы урана в U₃O₈ структурно эквивалентны и несут равный средний положительный заряд .

       Закись-окись  урана нерастворима в воде и разбавленных кислотах, но медленно растворяется в  концентрированных минеральных  кислотах с образованием смеси солей  урана и уранила. В HCl и H₂SO₄ образуется смесь урана в степенях окисления четыре и шесть, а в HNO₃ – только уранил-ион. При неполном растворении U₃O₈ в серной кислоте образуется U₂O₅, которая не получается при восстановлении оксидов урана водородом при нагревании. Закись-окись имеет гидрат U₃O₈ ^. xH₂O, который не кристаллизуется и очень легко окисляется до гидрата триоксида урана. Значение триоксида велико и потому, что она входит в состав смоляной руды – настурана.

       Триоксид урана UO₃ – один из промежуточных продуктов в производстве чистых солей урана, встречающихся также в некоторых окисленных урановых рудах.

       UO₃ – оранжево-желтый порошок, существующий в одной аморфной и пяти кристаллических формах, плотностью 5,92 – 7,54 г/см³. Он термодинамически устойчив на воздухе до температуры 600°С. Триоксид урана получают окислением UO₂ или U₃O₈ кислородом при давлении 30 – 100 атм. И температуре около 500°С; прокаливанием гидрата перекиси урана UO₄ ^. 2H₂O; прокаливании уранилнитрата UO₂(NO₃)₂ ^. 6H₂O или