Обогащение урановых руд

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	6
Глава 1 Обогащение урановых руд	7
1.1 Общие сведения об  Уране	7
1.2 Особенности обогащения  урановых руд	9
1. 3 Методы обогащения  урановых руд	12
Глава 2 Технологии обогащения урана	15
2.1 Радиометрическое обогащение	15
2.2 Гравитационное обогащение	18
2.3 Флотационное обогащение урановых руд	21
2.4 Газовая диффузия	22
2.5 Газовое центрифугирование	27
2.6 Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов урана	30
2.7 Форсунка.( Аэродинамическая сепарация )	31
2.8 Химическое обогащение урана	33
2.9 Другие технологии	33
2.10 Влияние обогащенного  урана на окружающую среду	35
Глава 3 Изготовление тепловыделяющих  элементов	37
3.1 Строение и функции  тепловыделяющих элементов	37
3.2 Конструктивные особенности	40
3.3 Характеристики тепловыделяющих элементов и оценка воздействия изготовления твэл на окружающую среду	42
Глава 4 Вывод	44
Глава 5 Расчетная часть	45
Глава 6 Список используемой литературы	46

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Целью данного курсового  проекта является изучение технологий обогащения урана и изготовления тепловыделяющих элементов, а так же выявления воздействий этих технологий на окружающую среду. Для достижения цели необходимо рассмотреть ряд задач: 1) изучить процесс обогащения урана; 2)проанализировать технологии обогащения урана; 3)выявить оценку воздействия стадий обогащения на ОС; 4) рассмотреть процесс изготовления ТВЭЛов. Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U²³⁵ из природного урана — сложная технологическая проблема. В настоящий момент ²³⁵U является основным ядерным топливом, без него невозможно получение плутония, использующегося для создания ядерного и термоядерного оружия. Однако, из-за того, что доля изотопа ²³⁵U мала (0,72 %), подготовка ядерного топлива обязательно должна включать стадию обогащения урана. Возможности в области обогащения урана получили довольно широкое распространение и в атомной энергетике, и в создании ядерного оружия. На сегодняшний день основной технологией промышленного обогащения урана в перспективе для атомной энергетики и потенциального распространения ядерного оружия является  газовое центрифугирование. Способность к образованию комплексов и ряд специфических свойств урана позволяют находить большое количество достаточно гибких методов, пригодных для решения разнообразных аналитических задач, связанных с отделением и определением урана. Поэтому стала актуальна тема об использовании урана в технологии обогащения или ядерной энергетики, а так же оценка воздействия от предложенных технологий обогащения урана.

 

Глава 1 Обогащение урановых руд

 

 

1.1 Общие сведения об Уране

 

 

Только один элемент, который встречается в природе, является сырьем для создания атомных бомб. Это уран, химический знак "U". Отличительным свойством урана, которое необходимо для производства ядерного оружия и атомной энергии, является его способность к расщеплению или делению на две более легкие фракции с помощью облучения нейтронами и к высвобождению энергии в этом процессе. Природный уран (то есть тот, который добывается из недр земли) встречается в виде сочетания трех различных изотопов, то есть атомов с тремя различными атомными массами, обладающими фактически одинаковыми химическими, однако различными ядерными свойствами. Этими изотопами являются уран-234, уран-235 и уран-238. Уран-234 - это высокорадиоактивный микроэлемент, обнаруженный в природном уране. Уран-235 - это единственное расщепляющееся вещество, встречающееся в природе в значительном количестве. Уран-238 - этот изотоп превалирует в природном уране (99,284 % массы выборки природного урана составляет уран-238), но он не поддается расщеплению. Однако уран-238 можно разделить с помощью нейтронов с высокой энергией, высвобождая большие объемы энергии, и поэтому его нередко используют для увеличения взрывной силы термоядерных или водородных бомб.

 

Таблица 1.1 - Краткая информация об изотопах урана

Изотоп	Содержание в природном уране (в %)	Процент радиоактивности в природном уране	Период полураспада
Уран-238 (U-238)	99,284	47,9	4,46 миллиарда лет
Уран-235 (U-235)	0,711	2,3	704 миллиона лет
Уран-234 (U-234)	0,0055	49,8	245 000 лет

 

Благодаря небольшому количеству U-235, природный уран в определенных условиях может поддерживать цепную реакцию, и таким образом является топливом для определенных типов реакторов (графитовые ядерные и тяжеловодные ядерные реакторы - последние продает Канада в промышленном масштабе). В самом распространенном на сегодняшний день типе реактора (легководный ядерный), в котором обыкновенная вода служит охлаждающим и замедляющим средством, для поддержания реакции доля U-235 в топливе должна превышать 0,7% - уровень его содержания в природном уране. Комплекс производственных процессов, производимых для повышения процента U-235 в установленном количестве урана называется "обогащением урана". Здесь термин "обогащение" означает повышение процента расщепляющегося изотопа U-235. В легководных ядерных реакторах обычно используют от 3 до 5 процентов обогащенного урана, то есть доля U-235 в топливе составляет от 3 до 5%, а остальная часть фактически состоит из U-238. Вещество с таким уровнем содержания U-235 называется "низкообогащенным ураном" Атомные бомбы невозможно создать из природного или низкообогащенного урана. Доля U-235 слишком мала и не обеспечивает нарастающую "сверхкритическую" цепную реакцию за довольно короткое время, чтобы произвести взрыв. Для создания атомной бомбы содержание U-235 в уране должно быть как минимум около 20%. Однако бомба из урана, обогащенного в такой минимальной степени, была бы слишком объемна для доставки, поскольку потребовалось бы огромное количество урана и еще больше обычных взрывчатых веществ для его сжатия в сверхкритическую массу. На практике уран, в котором содержится не менее 90% U-235, уже использовался для создания ядерного оружия. Вещество с таким уровнем обогащения называется высокообогащенным ураном или ВОУ. Атомная бомба, уничтожившая Хиросиму 6 августа 1945 года, была создана примерно из 60 килограмм ВОУ. Высокообогащенный уран также применяется в исследовательских и морских ядерных реакторах - на авианосцах и подводных лодках. ВОУ, предназначенный для исследовательских ядерных реакторов. В отличие от облученного ядерного топлива для реактора, необлученный ВОУ не несет радиоактивной опасности.. Такой же процесс и производство можно использовать, обогащая уран для топлива в промышленных легководных реакторах, то есть для создания низкообогащенного урана, а также получения ВОУ для атомных бомб. Таким образом, все технологии обогащения урана являются потенциальными источниками распространения ядерного оружия.

 

 

1.2 Особенности обогащения урановых руд

 

 

Обогащением полезных ископаемых в общем случае называют совокупность процессов первичной обработки минерального сырья, цель которых—отделение полезных минералов от пустой породы, то есть от входящих в состав сырья минералов, не представляющих непосредственной практической ценности в данных технико-экономических условиях. Основой так называемого механического обогащения является различие физических и физико-химических свойств полезных минералов и пустой породы. При таком обогащении происходит не изменение состава минералов, а лишь их механическое разделение. Это метод получения рудных концентратов, который следует отличать от химического обогащения с получением химических урановых концентратов, связанного с большим расходом химических реагентов.). Вещественный состав урановых руд предопределяет необходимость гибкого использования различных методов обогащения и тщательного согласования операции обогащения и гидрометаллургии. При обогащении урановых руд обычно выделяют не минералы урана, а пустую породу, кроме того, механическое обогащение урановых руд является не обязательной стадией общей технологической схемы, а лишь желательной в тех случаях, если оно возможно технически и выгодно экономически. Поскольку все изотопы урана обладают фактически одинаковыми химическими свойствами, повышение доли урана-235 в выборке зависит от разницы атомных масс изотопов. Если уран обратить в газообразное состояние, тогда молекулы, содержащие более легкий U-235, в среднем будут двигаться с большей скоростью (при заданной температуре) по сравнению с более тяжелыми молекулами, содержащими U-238. В ходе обычного процесса обогащения, поток преобразованного в газ природного урана, содержащего U-235 и U-238, делится на два потока благодаря небольшой разнице в массах этих двух изотопов. Мощность урановой обогатительной установки по повышению процента U-235 представлена в единицах, которые называются килограммом Единицы разделительной работы (ЕРР). Количество ЕРР, обеспечиваемое обогатительной установкой, напрямую зависит от объема энергии, потребляемой этой установкой. Для современных газодиффузионных установок, как правило, требуется от 2400 до 2500 киловатт-час (кВ-ч) электроэнергии на ЕРР, тогда как газогенераторные центрифужные установки потребляют только 50-60 кВ-ч электроэнергии на

 ЕРР.

 

 

Таблица 1.2 - Затраты на получение одного килограмма низкообогащенного урана и одного килограмма высокообогащенного урана.

 

	Низкообогащенный уран  (НОУ)		Высокообогащенный уран  (ВОУ)
	Природный уран	Услуги по обогащению	Природный уран	Услуги по обогащению
Доля U-235 в обедненном  потоке составляет 0,3 %	8,2 кг	4,5 ЕРР	219 кг	193 EPP
Доля U-235 в обедненном  потоке составляет 0,2 %	6,7 кг	5,7 ЕРР	176 кг	228 ЕРР

 

НОУ = уран, содержащий 3.6% U-235, обычно используется в легководном  реакторе.

 ВОУ = уран, содержащий 90% U-235, обычно используется для создания ядерного оружия.

ЕРР=Единица разделительной работы

кг = килограмм 

Для того чтобы обогатить уран для  атомной бомбы, эквивалентной той, что США сбросили на Хиросиму (это  примерно 60 кг ВОУ), потребовалось бы от 10,6 до 13,1 метрических тонн природного урана, а также от 11 600 до 13 700 ЕРР для обогащения. Однако для создания более сложных видов ядерного оружия потребовалось бы намного меньше половины этого количества. Для современного типа урановых бомб обычно требуется только 20-25 килограмм ВОУ. Можно привести известный пример резкого сокращения транспортных расходов на перевозку уранового сырья. Доставка уранового сырья, содержащего 1 % урана, из района добычи в Канаде около Полярного круга (Эльдорадо) на самолетах в США для приготовления первой атомной бомбы стоила огромных денег. После того как урановое сырье стали обогащать в районе добычи до 50%-ного содержания урана, транспортные расходы сократились в 50 раз. Применение механического обогащения позволяет сократить расход химических реагентов, при последующей гидрометаллургической переработке, получать более чистые гидрометаллургические растворы, удалять некоторые вредные примеси, расширить ресурсы сырья вследствие включения в переработку более бедных руд.

Продуктами обогащения являются концентраты, хвосты (отвальные, неотвальные) и промпродукты. Обычно в отвальные хвосты уходит 5—15% всего урана. Так, хвосты старых урановых обогатительных фабрик в настоящее время служат сырьем для извлечения из них урана.

Эффективность обогащения урановых руд  оценивают обычно по трем показателям:

Процент извлечение урана в концентрат;

выход концентрата (степень сокращения);

 концентрация урана в отвальных  хвостах.

Возрастающая стоимость рабочей  силы, материалов и оборудования обусловливает  все более широкое применение процессов предварительного механического обогащения урановых руд перед их выщелачиванием. Методы обогащения, применяемые в практике уранового производства, имеют свою специфику. Традиционные методы обогащения, широко используемые, например, в цветной металлургии, в большинстве случаев не могут быть использованы в технологии урана. В частности, флотация как метод уменьшения объема руды перед дальнейшей переработкой оказалась малоэффективной при переработке урана и применяется лишь для решения частных задач.

 

 

1.3 Методы обогащения урановых руд

 

 

Обогащение урана — физический процесс увеличения соотношения содержания изотопа урана 235U к 238U. Изотоп 238U, несмотря на радиоактивность, является крайне стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции на тепловых нейтронах, в отличие от редкого 235U, интенсивно использующегося в атомной промышленности и для создания ядерного оружия. В настоящий момент 235U является основным ядерным топливом, без него невозможно получение плутония, использующегося для создания ядерного и термоядерного оружия. Однако, из-за того, что доля изотопа 235U мала (0,72 %), подготовка ядерного топлива обязательно должна включать стадию обогащения урана. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF6 приводится в очень быстрое вращение и из-за разницы в массе молекул происходит разделение изотопов, которые затем переводятся обратно в металл. В отходах остаётся только 0,2–0,3 % 235U.В 1992 году австралийской компанией Silex разработана технология обогащения урана путем заряда молекул UF6 с изотопом 235U в луче лазера. С 2006 года работы по технологии Silex ведет компания General Electric, в конце 2011 года успешно завершившая испытания оборудования для обогащения урана. Технология Silex должна позволить существенно снизить стоимость топлива для энергетических реакторов. Предполагается строительство установки по технологии Silex в г. Уилмингтон, штат Северная Каролина. На площади 5,5 га может разместиться установка, обеспечивающая топливом четыре десятка ядерных энергоблоков. Некоторое значение в прошлом имели такие методы механического обогащения, как магнитная сепарация для отделения магнетита и ошламовывание—избирательное измельчение, основанное на различной твердости зерен кремнезема и промежуточных прослоек урановых минералов. При таком измельчении урановые минералы переходят преимущественно в более мелкие фракции. Однако использование этого метода порождает трудности при последующей обработке шламовых фракций: получаемые пульпы характеризуются большой вязкостью, плохой фильтруемостью и отстаиваемостью. Он применим только в некоторых конкретных случаях. В технологии урана более важны следующие три метода механического обогащения, хотя и они в силу специфичности урановых руд применяются в отличие от обогащения руд цветных металлов далеко не всегда: радиометрический, гравитационный, флотационный.

 

Глава 2 Технологии обогащения урана

 

 

2.1 Радиометрическое обогащение