Плавка радиоактивных металлов и их сплавов

Плавка радиоактивных металлов и их сплавов

Уран, торий и плутоний играют важную роль в атомной технике. Все они служат «горючим » для ядерных реакторов. По химическим свойствам они также имеют много общего. При обычной температуре на воздухе металлы медленно окисляются, окисная плёнка тормозит, но не останавливает окисления. С повышением температуры окисление прогрессирует. С водородом они образуют неустойчивые гидриды; при повышенных температурах гидриды разлагаются. С азотом уран, торий и плутоний образуют устойчивые натриды. При взаимодействии с углеродом образуются карбиды. Наибольшей химической активностью отличается плутоний, а наименьшей – торий.

В процессе металлургического восстановления окислов или фторидов урана, тория и плутония получают металлические слитки или губку, загрязнённые кальцием, магнием, фтором, а иногда водородом, кислородом и азотом. Для удаления этих примесей слитки переплавляют в вакууме.

Плавка урана

Для рафинировочной плавки могут быть использованы индукционные высокочастотные печи и дуговые печи с расходуемым электродом. В промышленных условиях, как правило, плавку ведут в индукционных высокочастотных вакуумных печах. Материалом для изготовления тиглей служат графит и магнезит. В большинстве случаев плавку ведут в графитовых тиглях.

Рафинировочную плавку производят при остаточном давлении воздуха в печи ниже 0,1 мм рт. ст. и перегреве расплава до 1400-1500℃. В процессе вакуумной плавки из урана удаляются избыток восстановителей и примеси щелочных металлов. Так, например, содержание кальция снижается до 0,0001%, а магния – до 0,00001%.

При выстаивании расплава ввиду значительной разницы в плотностях происходит очистка от неметаллических включений. Карбиды, окислы, нитриды, фториды кальция и др. всплывают и образуют на поверхности расплава малотеплопроводную корку толщиной 20-60 мм, остающуюся в тигле при разливке металла через донное отверстие.

Сплавы, используемые для ядерного горючего, делятся на две группы: со структурой α- фазы и со структурой γ- фазы.
Первую группу сплавов, содержащих небольшое количество легирующих присадок, используют в реакторах на тепловых нейтронах. К этой группе относятся сплавы урана с 0,4% Al, 0,5-2,0% Mo, 2% Zr, 0,1% Cr, 0,5% Ti.
Сплавы второй группы уран – молибден, уран – цирконий, уран – ниобий и тройные сплавы уран – цирконий – ниобий, уран – цирконий – молибден, уран – ниобий – молибден содержат высокий процент легирующих компонентов и применяются более широко. Для реакторов с воспроизводством ядерного горючего используют сплавы урана с торием.
К сплавам урана предъявляют высокие требования в отношении механических свойств, коррозийной и эрозийной стойкости по отношению теплоносителям, изменению размеров и формы заготовок под воздействием ядерного облучения. Они должны взаимодействовать с материалом оболочек стержней.

Урановые сплавы можно приготовлять в индукционных печах, в дуговых и вакуумных печах с расходуемым и нерасходуемым электродом и совместным восстановлением.

При индукционной плавке (в вакууме с остаточным давлением 1 • 10ˉ2 мм рт. ст. или в среде инертных газов, под слоем флюса) легирующие элементы вводят в тигель в виде кусков, прутков или порошка. В последнем случае при плавке выделяется большое количество адсорбированного газа. Тигель изготовляют из плотного графита; внутреннюю поверхность его покрывают краской из цирконата магния. Во избежание разложения краски расплав не перегревают выше 1425 С°.
При плавке урана в атмосфере аргона выход металла составляет 96%, если тигель графитовый, и 93,5%, если тигель магнезитовый. Загрязнение при плавке в аргоне составляет 0,043% углерода и 0,003 – 0,01% азота при графитовом тигле; при магнезитовом тигле наблюдается ещё более высокое содержание азота.

Заливку форм ведут чаще всего через донное отверстие в тигле, которое во время плавки закрывают специальной пробкой. В некоторых случаях формы заливают путём поворота тигля. Заливку ведут, начиная с температуры 1400 – 1430С°. Изложницы изготовляют из графита, чугуна и стали.

Наименее стойкие графитовые изложницы. Для облегчения извлечения слитка из чугунных и стальных изложниц поверхность их тщательно обрабатывают и окрашивают глинозёмом, замешанным на воде ( 1 объема Al2O3+2 объема H2O). Перед употреблением Al2O3 прокаливают при 1500С° в течение 24ч. Крупность частиц Al2O3 не должна быть больше 10 мкм. После окраски изложницу сушат горячим воздухом.

Технология дуговой плавки с расходуемым и нерасходуемым электродами аналогична описанной ранее для титана, циркония и других металлов.

Плавка тория

Индукционную плавку тория в отличие от плавки урана ведут в тигле, изготовленном из окиси бериллия. Для этой цели может быть использована и окись циркония, стабилизированная добавками окиси кальция и окиси магния. В остальном технология плавки, включая и конструкции печей, аналогична описанной ранее для урана.

Дуговую плавку с расходуемым электродом и изготовление расходуемого электрода производят по технологии, аналогичной описанной ранее для плавки титана. Плавку ведут в вакууме или в атмосфере инертного газа (аргон, гелий) на постоянном токе при отрицательной полярности на электроде.

Плавка плутония

Плавку плутония ведут в индукционных вакуумных печах с остаточным давлением не более 1 • 10ˉ5 мм рт. ст.

При меньшем разрежении на поверхности металла образуется прочная и плотная окисная плёнка, препятствующая объединению изолированных объёмов расплава в единое целое.

Для изготовления плавильных тиглей используют окиси магния и кальция, фторид кальция и сульфид церия. Если длительность контакта расплава не превышает 5 – 10 мин и допускается незначительное насыщение углеродом, для плавки могут быть использованы тигли из графита, тантала или вольфрама. Чаще же всего тигли и футеровку их изготавливают из окиси магния.

В качестве топлива реакторов используют сплавы плутония с алюминием (86%), железом (9,5%), кобальтом и церием (Co+Ce 12-80%).

Плутоний – расщепляющееся вещество. Поэтому при работе необходимо соблюдать особые меры предосторожности, чтобы случайно не получить критическую массу. При литейных операциях безопасная максимальная масса загрузки составляет 6 кг для сплавов с высоким содержанием плутония и 10 кг – для сплавов, бедных плутонием.

При наличии влаги максимальная масса загрузки 510 г.
Управление процессом плавки и литья осуществляется дистанционно. Технология плавки сплавов аналогично плавке чистого плутония. Разливка ведётся через дно тигля в металлические, подогреваемые до 410 – 450С° формы. Медленный топлоотвод позволяет всплывать включениям, попавшим в полость литейной формы.
Работу с радиоактивными металлами и их сплавами необходимо вести в соответствии с требованиями техники безопасности.