Металлургия урана. 
Радиохимия в 2 т. Т.2 прикладная радиохимия и радиационная безопасность

Чем плотнее ядерный материал, тем легче достигается критическая масса атомной бомбы и тем быстрее реализуются критические размеры ядерного реактора. Поэтому ТВЭЛы первых промышленных реакторов изготавливались из металлического урана.

Уран — сильно электроположительный металл и в этом отношении подобен алюминию и магнию. Поэтому соединения урана — трудновосстанавливаемые вещества, так что металлический уран нельзя приготовить восстановлением соединений водородом. Существуют такие методы получения урана, как восстановление оксидов урана кальцием, гидридом кальция, алюминием или углеродом; восстановление UF₄ или UC1₄ литием, натрием, кальцием, магнием; термическое разложение галогенидов урана; электролиз галоидных солей в расплавленных средах (электролиз KUF₅ или UF₄, растворенных в расплаве СаС1₂ и NaCl).

Если нужно получить продукт в виде компактного металла, что желательно из-за пирофорности тонкоизмельченного металлического урана, то необходимо, чтобы вся реагирующая смесь находилась в жидком состоянии. UC1₄ очень гигроскопичен и склонен к окислению на воздухе, поэтому используют более устойчивый UF₄. Восстановителем служит магний. Кальций трудно получить достаточно чистым, а магний высокой степени чистоты вполне доступен, с ним можно работать на воздухе. Правда у магния хуже термохимические характеристики.

Особая проблема возникает при восстановлении делящихся изотопов урана, например ²³³U и ²³⁵U. Количество этих изотопов, подлежащее восстановлению в одной загрузке, не должно превышать критической массы.

В промышленности основным способом получения урана из U0₂ или UF₄ является его кальцийили магнийтермическое восстановление с выходом урана в виде слитков массой до 1,5 т (слитки рафинируются в вакуумных печах).

При этом протекают реакции:

Процесс восстановления UF₄ (рис. 4.10) магнием позволяет организовать в больших масштабах дешевое производство металлического урана с высокой степенью чистоты. Однако в отличие от процесса восстановления кальцием, проводящегося в открытом сосуде, реакция между UF₄ и металлическим магнием проводится в закрытом сосуде.

Существует процесс получения урана высокой степени чистоты электрорафинированием в электролите из UC1₃ или.

Рис. 4.10. Технологическая схема производства металлического урана путем восстановления UF₄ магнием.

UF₄ в эвтектическом расплаве LiCl—KF при 400 °C. Для получения урана высокой степени чистоты применяют термическое разложение йодида на накаленной нити. Мелкозернистый порошок урана удобно получать путем обратимого разложения гидрида UH₃. Металлический уран, получаемый с помощью термического восстановления металлами, является достаточно чистым. Тем не менее его подвергают дальнейшей очистке. Для удаления примесей черновые слитки урана подвергаются рафинировочной плавке в вакуумных индукционных печах при 1450 °C. Реализуются два способа удаления примесей: испарение легко кипящих компонентов и всплытие твердых включений оксокарбонитридов урана в расплаве урана.

При очистке урана методом электролиза расплава солей в качестве электролитов используют расплавы хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. В этих расплавах растворяют UF₄, UC1₄ и UC1₃. Очищаемый металл является анодом, а молибден или вольфрам — катодом; анод и катод разделены диафрагмой из спеченного пористого керамического материала. Средой для электрохимической очистки урана служит эвтектическая смесь 55% КС1 + 45% LiCl с температурой плавления 325 °C. Электролиз проводят при температуре 430 °C. Во время электролиза сначала образуется слой на катоде, а затем в сторону анода растут дендриты. Дендриты отмывают от электролита, ополаскивают разбавленной азотной кислотой, дистиллированной водой, ацетоном и спиртом. Затем проводят вакуумную плавку в тигле из урана и расплав выливают в медную литейную форму, охлаждаемую водой.

Литой уран с крупнозернистой структурой (a-фаза) непригоден для изготовления ТВЭЛов. Большей прочностью обладает p-уран, существующий при 662—769°С. Он обладает мелкокристаллической структурой с достаточной твердостью и способностью к закаливанию. Поскольку у-уран (769—1130°С) пластичен, то слиток урана нагревают выше 800 °C, прокатывают в у-фазе и закаливают водой в p-фазе. Стержни разрезают ножницами, полученные цилиндры на токарном станке доводят до нужных размеров, закатывают в алюминиевую оболочку и нагревают до 432 °C для разрушения UH₃. Полученный ТВЭЛ направляется на промышленный реактор с целью наработки оружейного плутония.

Для изменения свойств, мешающих использованию металлического урана в виде ядерного горючего, его легируют. Выбор легирующего элемента определяется его ядерными свойствами. Например, легирующие элементы (Al, Zr) должны иметь малые поперечные сечения поглощения нейтронов. Урановые сплавы, подвергнутые термической обработке, отличаются от чистого урана большими пределами прочности и ползучести, а также повышенной коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к формоизменению изделий при колебаниях температуры и под воздействием облучения.

Наибольшее практическое значение имеют двойные и тройные сплавы с Mo, Zr, Al, Nb и Сг. В сплавах, содержащих более 7% (но массе) Мо, фиксируется метастабильная при комнатной температуре у-фаза, имеющая объемно-центрированную кубическую решетку и изотропные свойства. Zr в количестве 1% приводит к упрочнению урана и понижает скорость ползучести, а добавка 2% Nb повышает радиационную стойкость сплавов U—Zr. Сплавы U—А1 используются для изготовления ТВЭЛов дисперсионного типа. Обычно они содержат менее 35% (но массе) U. Такие сплавы хорошо удерживают газообразные продукты деления и имеют высокую радиационную стойкость.