Лекция № 2. Концепции ядерного топливного цикла. Добыча урановый руды и извлечение из нее урана презентация

нее урана.

функционирования ядерных реакторов, включающий в себя стадии изготовления, использования и переработки ядерного топлива.

Изготовление ядерного топлива: а) получение уранового концентрата в виде U3O8; б) конверсия U3O8 в UF6; в) обогащение урана изотопом 235U; г) изготовление твэлов и ТВС.

3) Использование ядерного топлива в ядерных реакторах различного типа (промышленных, энергетических исследовательских).

4) Временное хранение облученных ТВС в приреакторных хранилищах АЭС.

замкнутого ЯТЦ: 52) Транспортировка и химическая переработка отработанных ТВС, с выделением из ОЯТ урана, плутония и радиоактивных отходов (РАО).

Открытый и замкнутый ЯТЦ

стадии конверсии и обогащения; 7а) Размещение плутония в специальных хранилищах. 8а) Окончательное захоронение РАО в геологических формациях Б. Замкнутый ЯТЦ с рециклом выделенного урана и плутония: 6б) Возвращение выделенного урана и плутония на стадию изготовления смешанного уран-плутониевого оксидного топлива (МОХ-топлива). 7б) Окончательное захоронение РАО в геологических формациях

политических проблем: -химическая переработка ОЯТ; -выделение, транспортировка и использование регенерированного урана и вторичных делящихся нуклидов для рефабрикации ядерного топлива; -возможность хищения расщепляющихся ядерных материалов для создания ядерных взрывных устройств. II. ОЯТ является ценным ядерным материалом, который содержит первичное и вторичное ядерное топливо. Последнее может быть использована для производства энергии.

Точки зрения на замыкание ЯТЦ

Однако на самом деле он принял за новый элемент оксид урана. В 1841 г. француз Пелиго впервые получил металлический уран. В 1869 г. Д.И. Менделеев приблизительно установил его атомную массу (240 а.е.м.) и расположил уран в конце своей периодической системы.

Уран

Содержание урана в земной коре составляет 2×10-4 %. Известно около 200 минералов урана, большинство из которых относится к оксидам переменного состава (уранинит UO2+x) и сложным уранатам (например, карнотит KUO2VO4•4H2O и отенит (UO2)2Ca(PO4)2)•10H2O)

воде, элемент подвержен активному переносу. Поэтому на земном шаре очень редко встречаются богатые залежи урановых руд. По оценкам геологов, в водах морей и океанов находится около 4×109 т урана (в среднем 3,3 мг/м3). Общие запасы урана в земной коре оцениваются в 1014 т.

Урановые руды различаются по содержанию в них урана на: 1) очень богатые руды – ω (U) > 1 %; 2) богатые руды – ω (U) 0,5-1 %; 3) средние руды – ω (U) 0,25-0,5 %; 4) рядовые руды – ω (U) 0,09-0,25 %; 5) бедные руды – ω (U) < 0,09 %;

содержанием около 0,1% урана Запасы урана оцениваются по двум стоимостным категориям: а) дешевый уран – менее 80 долларов за 1 кг U3O8; б) дорогой уран – более 80 долларов за 1 кг U3O8. Пороговая цифра в 80 дол./кг U3O8 разграничивает области конкурентоспособности АЭС по сравнению с угольными ТЭС.

запасы (разведанные месторождения); 2) вероятные запасы на флангах разведанных месторождений; 3) возможные запасы, получающиеся из геологических прогнозов; 4) предполагаемые запасы на породах схожих с урансодержащими. Объем достоверных запасов урана составляет 3,3×106 т, а вероятных 1,4×106 т (∑ 4,7×106 т). Из них 3,8×106 т являются «дешевым» ураном и 0,9×106 т «дорогим».

т. Таким образом, достоверных запасов «дешевого» урана хватит на 57, а «дорогого» на 13 лет. Около 90% достоверных и вероятных запасов урана находятся в 10 странах, расположенных в Америке (США, Канада, Бразилия), Австралии, Африке (ЮАР, Намибия, Нигер) и Евразии (Россия, Казахстан, Узбекистан).

Мировые запасы урана

урана (40-41 тыс. т) не покрывает потребности мировой ядерной энергетики (67 тыс. т). Дефицит природного урана покрывается за счет ранее добытой руды.

Производство урана

урана. Однако не все из них обладают развитой энергетикой.

Мировая ядерная энергетика

добыча; 3) подземное выщелачивание; 4) добыча из морской воды. Промышленная технология извлечения урана основана на хорошей растворимости оксидов урана в кислотных и щелочных растворах. Технологические процессы перевода и концентрирования металлов, содержащихся в измельченной рудной массе, в растворы (выщелачивание) и последующее селективное извлечение металлов из этих растворов называют гидрометаллургическими процессами.

Добыча урана

(растворение) урана из рудной массы с помощью кислот или щелочей; 3) селективное (избирательное) выделение урана из растворов или пульп методами сорбции, экстракции или химического осаждения; 4) получение сухого уранового концентрата (~95 % U3O8) 5) получение чистых соединений природного урана (аффинаж)

Последовательность действий при извлечении урана из рудной массы

разности плотностей урановых минералов (6,5-10,5 г/см3) и минералов пустой породы (2,5-2,7 г/см3). Измельчение руды до частиц порядка 1 мм. 3) Флотационное обогащение. Измельчение руды на частицы в доли миллиметра (0,07-0,15 мм).

Методы механического обогащения урановой руды

концентратов, промежуточных продуктов, отходов производства) водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент. Для выщелачивания урана используются серная кислота и карбонатные растворы, в качестве дополнительных реагентов используются окислители: азотная кислота, пиролюзит (MnO2), кислород воздуха и другие. Выбор метода вскрытия урановой руды определяется минералогическим составом руды, причем должны учитываться как минералы урана, так и минералы вмещающих пород. Современная технология выщелачивания позволяет довести извлечение урана из руд до 95-99% и не ниже 85-90% для наиболее трудных условий.

Выщелачивание урановых соединений из руды.

не летучая:

Кислотное выщелачивание

Реакция ускоряется в присутствии растворимых соединений железа:

уранините уран окисляется и переходит в раствор в виде карбонатного комплекса: В ходе реакции рН раствора повышается, это может привести к осаждению гидроксида уранила. Поэтому рН раствора регулируют добавлением гидрокарбоната: Карбонатный комплекс разрушают подкислением до рН 3: В процессе карбонатного выщелачивания уран отделяют от значительного количества примесей: окислов железа, карбонатов щелочноземельных металлов, SiO2.

Карбонатное выщелачивание

с водой. 3) Химическое осаждение из растворов.

Селективное извлечение урановых соединений из кислотных или карбонатных растворов.

Сорбция осуществляется из осветленных растворов и из пульп. Экстракция и химическое осаждение – только из хорошо осветленных растворов. Осветление растворов производится преимущественно двумя способами: -отстаиванием в больших резервуарах; -фильтрацией отстоенного раствора через слой песка, силикагеля, активированного угля.

смол по отношению к урановым соединениям. Мелкие сферические гранулы смолы смешиваются с раствором и сорбируют на поверхности преимущественно урановые соединения. Так как смола легче раствора, она может быть собрана с поверхности раствора и удалена для десорбции урановых соединений с поверхности гранул. В качестве промывной жидкости используют нейтральные или щелочные содовые растворы.

образовывать с солями урана комплексные химические соединения. За экстракцией следует реэкстракция уран-содержащих химических соединений в избытке растворителя. В качестве реэкстрагентов используются обычная вода или слабый раствор азотной кислоты. Экстракционный метод с несколькими ступенями экстракции позволяет извлекать до 99,7 % урана.

реагентов Н2О2, NH3, NaOH, MgO. В результате образуются малорастворимые гидраты оксидов урана (UOx)•nH2O, которые выпадают на дно резервуара и могут быть отделены от жидкой фазы. Осажденный и отделенный от водной фазы просушенный концентрат урана представляет собой конечный продукт уранового гидрометаллургического завода. Таким образом, последовательность гидрометаллургических процессов переработки урановой руды, добытой шахтным или карьерным способом, включает: -транспортировку руды; -измельчение и механическое обогащение руды; -выщелачивание урановых соединений; -сорбция, экстракция или химическое осаждение; -десорбция, реэкстракция и опять химическое осаждение.

подземного выщелачивания: а) пласт урановой руды должен быть расположен между двумя водонепронецаемыми слоями, чтобы урановый раствор не уходил из зоны месторождения; б) пласт должен быть достаточно пористым, чтобы раствор мог глубоко проникать в толщу урановой руды.

месторождений; б) закачивание в пласты урановых руд жидких реагентов для растворения урановых соединений; в) откачивание полученных растворов через откачные скважины после определенной выдержки. В качестве растворителя применяются кислоты (при малом содержании карбонатов в руде), либо щелочные растворы (при высоком содержании карбонатов). Концентрация урана в откачных растворах не превышает 200мг/л. Затем проводится переработка урановых растворов (сорбция-десорбция, экстракция-реэкстракция, химическое осаждение)

химических реагентов и отходов. Стоимость добычи урана из морской воды оценивается в 450 дол./кг.

Добыча из морской воды

виде смеси оксидов урана (95-96%, в основном, U3O8) и различные примеси (4-5 %). Поэтому необходима тонкая очистка от примесей, главным образом от B, Cd, Hf, редкоземельных элементов (Eu, Gd, Sm).

Тонкая очистка уранового концентрата

Для этого используются аффинажные процессы. Аффинаж – это металлургический процесс получения высокочистых веществ путём отделения от них загрязняющих примесей.

жидкость с плотностью = 0,973 г/см3. Для снижения вязкости его растворяют в нейтральных органических соединениях, например в керосине. ТБФ способен селективно экстрагировать соединения урана. Один литр ТБФ способен удерживать до 440 г урана.

уранил-нитрата: 2) Смешивание раствора уранил-нитрата с ТБФ: 3) Разделение водной и органической фаз; 4) Реэкстракция чистого уранил-нитрата из органической фазы путем осаждения: а. применение Н2О2 при температуре 60-70 оС для получение пероксида урана UO4•2H2O; б. применение NH4HCO3; в результате образуется аммоний-уранил-карбонат (АУК, (NH4)4UO2(CO3)3) практически без примесей.

температуры получаются различные чистые оксиды урана: UO3 (при температуре 240-350 оС), U3O8 (при 580-620 оС) и UO2 (при 750-800 оС).