Гексафторид урана и его свойства

Легкий изотоп урана ²³⁵U, атомные ядра которого являются делящимися, представляет собой важнейшую часть топлива, используемого в ядерных реакторах. На урановом топливе, обогащенном изотопом ²³⁵U, работает большинство энергетических реакторов. Для этих целей требуется уран с концентрацией изотопа ²³⁵U всего до нескольких десятков процентов, тогда как высоко обогащенный уран используется в исследовательских реакторах и ядерном оружии.

Обогащение урана может быть выполнено различными методами. Однако во всех промышленно освоенных процессах технологии разделения изотопов урана используется только одно его химическое состояние – шестифтористый уран – гексафторид урана.

В 1990 г. Муассоном, открывшим в 1886г новый химический элемент - фтор, было замечено, что металлический уран энергично реагирует (горит) с фтором, образуя с ним летучее соединение – гексафторид урана (UF₆). Реакция идет с большим выделением тепла (9210 кДж/кг). В последствии оказалось, что фторирование урана и его соединений можно вести по различным технологическим схемам. При фторировании окислов урана обычно применяют двухстадийный процесс, в результате которого при некотором избытке фтора сначала получают уранилфторид (UO₂F₂). Вторая стадия – получение гексафторида.

UO₂ + F₂ = UO₂F₂ (t = 450÷ 500º C)

U₃O₈ + 3F₂ = 3UO₂F₂ + O₂ (t = 350÷ 370º C)

3 UO₂F₂ + 6F₂ = 3UF₆ + 3O₂ (t ~ 270º C)

При одностадийном пламенном процессе (метод прямого фторирования) реакции также идут в избытке фтора, но при более высокой температуре (до 900÷ 1000º C). Здесь главная проблема - надежный отвод тепла реакции. Большое значение имеет метод получения UF₆ из тетрафторида урана:

UF₄ + F₂ = UF₆ (t > 300÷ 400º C).

Газообразный элементарный фтор обычно получают непосредственно на предприятиях, где осуществляется производство гексафторида урана.

Гексафторид урана обладает очень важными для технологии физическими свойствами. Он может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Его тройная точка на диаграмме состояния соответствует температуре 64º C и давлению паров 1137,9 мм рт. ст. (~ 0,15 МПа). В твердой фазе UF₆ представляет собой кристаллы цвета слоновой кости плотностью 5,09 г/см³. Из твердого состояния UF₆ может возгоняться (сублимировать), превращаясь в газ, минуя жидкую фазу, при довольно широком диапазоне давлений. Теплота сублимации невысокая, при 50º С она составляет около 50 кДж/моль.

Обратный процесс – конденсация UF₆ из газообразного состояния в твердое кристаллическое – требует небольшого отвода тепла при соответствующем поддержании температуры и давления. Таким образом, можно легко сконденсировать весь газообразный продукт, превратив его в твердую фазу. Нагреванием в вакууме можно снова перевести твердую фазу в газообразную или жидкую.

Физические свойства гексафторида урана позволяют создать простую, удобную и компактную технологию обращения с ним. Это имеет большое значение для экономики современной атомной промышленности. Практически почти весь добываемый в мире природный уран должен проходить процессы фторирования и перевода в гексафторид, так же как и весь регенерируемый отработавший в реакторах уран после радиохимической переработки будет возвращаться в топливный цикл, пройдя снова фторирование и последующее дообогащение. Весь же обогащенный гексафторид должен обязательно проходить стадию дефторирования и перевода урана в металл, двуокись или иные соединения, используемые для изготовления ядерного топлива. Что касается отвального (обедненного ²³⁵U) урана от обогатительных заводов, то он удаляется в хранилища в виде твердых кристаллов UF₆, сконденсированных в герметичных сосудах (специальных баллонах или контейнерах), или в жидкой фазе. При необходимости из отвального гексафторида урана на металлургическом заводе всегда могут быть получены окисные соединения или металлический уран.

Малое давление паров UF₆ при температуре до 50−60 ºС дает возможность организовать его безопасное и сколь угодно длительное хранение в простых складских помещениях. Большие количества необлученного в реакторах природного, отвального и обогащенного урана в виде гексафторида можно хранить и перевозить в относительно недорогих, компактных и легко транспортируемых емкостях. Транспортирование необлученного гексафторида урана возможно практически всеми видами транспорта с соблюдением соответствующих инструкций и правил безопасности.

Необходимо отметить и те свойства UF₆, которые создают серьезные трудности при его промышленном использовании и требуют специальных технических решений в подборе материалов и в конструкциях оборудования. UF₆ реактивен. На воздухе он дымит (пирофорен), с водой и парами воды мгновенно взаимодействует, гидролизуется, образуя нелетучее соединение уранилфторид (UO₂F₂) и очень агрессивную плавиковую кислоту. Со всеми органическими соединениями UF₆ образует нелетучий тетрафторид (UF₄) и ряд промежуточных соединений. Из сказанного следует, что оборудование для работы с UF₆ должно быть надежно герметично, тщательно обезжирено, обезвожено и осушено, пропассивировано и в целом «хирургически чисто». В нем недопустимо присутствие не только влаги, но и каких-либо органических веществ (масла, ткани, древесины). Потери (коррозия) UF₆ при взаимодействии с поверхностями некоторых металлов велики, особенно с цинком, кремнием, свинцом, оловом, железом. Эти потери в заметных количествах недопустимы не только потому, что они вызывают образование металло-фторидных пленок на рабочих поверхностях, на подвижных деталях, что снижает надежность оборудования. Прореагировавший с влагой, органическими веществами и металлами гексафторид, отдав часть своего фтора, превращается в нелетучее соединение (порошок) – тетрафторид и, осаждаясь на внутренних поверхностях разделительных машин, выводится из технологического процесса. Возникают коррозионные потери рабочего газа, нарушается его баланс и снижается разделительная способность отдельных машин и завода в целом. Наиболее устойчивыми материалами при взаимодействии с UF₆ являются никель, алюминий, магний, медь и их сплавы; из синтетических материалов – тефлон, фторидная смазка.

Очень высокие технические требования предъявляются к чистоте гексафторида урана, поступающего на обогащение. Уран регенерированный, т.е. извлеченный из отработавшего ядерного топлива и достаточно очищенный от радиоактивных продуктов деления, должен строго удовлетворять определенным техническим условиям. Очень жесткие ограничения относятся к содержанию ²³²U, являющегося источником появления радиоактивных изотопов с жестким гамма-излучением.