[拼音]:you
[外文]:uranium
元素符号U,原子序数92,天然放射性元素,锕系金属之一,复杂立方晶体,常见化合价为+6及+4。新切面呈银白色金属光泽。 天然铀是同位素238U(99.275%)、235U(0.720%)和234U(0.0054%)的混合物,是20世纪50年代以来原子能发电站的主要燃料。
资源已发现的含铀矿物约 480种,其中只有25~30 种具有实用价值,如沥青铀矿(非晶质铀矿x UO2·x UO3·2PbO)、铀石[或称水硅铀矿U(SiO4)1-x(OH)4x]、铀黑(又称水斑铀矿UO2·5UO3·x H2O)、晶质铀矿[p(U,Th)2qUO3·rPbO]、钛铀矿[(U,Ca,Fe,V,Th)3Ti5O16]、铀钒钙矿(CaO·2UO3·V2O5·2H2O)、钒钾铀矿(K2O·2UO3·V2O5·3H2O)、钙铀云母[Ca(UO2)2(PO4)2+8H2O]和铜铀云母[Cu(UO2)2(PO4)2·8H2O]等。
工业铀矿床的含铀品位为0.1~0.2%。但是一些含铀较低的资源,也受到重视。例如磷酸盐矿平均含铀0.01%,估计铀储量为600万吨;页岩中平均含铀0.015%,估计铀储量为1000万吨;花岗岩中平均含铀25ppm,估计铀储量为3000万吨;海水中估计含铀40亿吨。
1979年世界各国及地区(不包括中国及苏联)铀矿储量和铀产量见表:
金属铀有三种结晶变体,常温呈α 型,复杂立方晶体;667℃转变为β型,四方晶体;772℃转变为γ型,体心立方晶体。铀粉易燃,而且易被水氧化,生成UO2和氢。在空气中金属表面会形成一氧化物覆盖层,能溶于酸,但不易被碱腐蚀。铀矿石的品位很低(约为0.1%),矿物和围岩情况复杂,而对最终产品的纯度要求高,需要量大,因此冶炼过程比较复杂。通常包括矿石的化学处理、铀化合物的提纯和金属的制取三个主要部分,流程见图。
铀的冶金铀化合物的提取
将原矿或经过放射性选矿或重选富集的精矿,用酸法处理或碱法处理。含铀较低的矿石一般采用硫酸浸出(见浸取),矿石中的铀与硫酸反应,生成可溶的铀酰离子(UO娧)和硫酸铀酰离子
。浸出时常加入氧化剂氯酸钾或软锰矿,使四价铀变成六价铀,以利于浸出。分离不溶性残渣后,加氨沉淀出重铀酸铵。也可以将浸出液经过离子交换提纯后,再加氨沉淀。含碳酸盐或其他耗酸物质太多的铀矿石,采用碱法浸出。常用浸出剂有碳酸钠溶液或碳酸钠和碳酸氢钠的混合液。在鼓入空气的条件下,矿石中的铀与碳酸钠进行以下反应:
生成碳酸铀酰钠,溶于浸出液。固液分离后,向滤液加入氢氧化钠,得到较纯的重铀酸钠(Na2U2O7)沉淀物。
铀化合物提纯主要方法为硝酸盐体系或硫酸盐体系液-液萃取法(见溶剂萃取)。常用萃取剂有两大类:
(1)有机胺类如三辛胺、季铵、三脂肪胺等;
(2)有机磷类如磷酸三丁酯(TBP),二-2-乙基己基磷酸(D2EHPA)、三烷基氧膦(TRPO)等。
反萃取剂一般用硝酸盐、碳酸铵、氯化物等水溶液。从反萃取液得到“核纯”的六水硝酸铀酰[UO2(NO3)2+6H2O]或三碳酸铀酰铵和重铀酸铵等中间产品,经过高温煅烧 (如850℃)得到纯的三氧化铀。近年来又发展了从矿石浸出液直接萃取铀,制取高纯铀化合物的工艺,从而省去了粗铀化合物的制取工序。
金属铀的制取一般分为三个步骤:
(1)用氢气或氨裂解产生的氢-氮混合气,于650~800℃将三氧化铀还原为二氧化铀。
(2)用湿法沉淀或于500℃用氟化氢气把二氧化铀氟化为四氟化铀(UF4),俗称“绿盐”。
(3)用钙或镁把UF4还原为金属铀(见金属热还原)。镁还原在有氟化镁衬里的反应d内进行,当炉料温度达到650~700℃时,反应即自发地在瞬间完成,产物为铀锭。铀锭二次重熔,再放入真空感应炉或电子轰击炉中,在1300~1400℃、10-3~10-1托真空条件下进行熔炼和铸造,所得金属铀的纯度可达99.9%。
浓缩铀铀在某些反应堆或核d中应用时,需要提高其中235U的含量,称浓缩铀。一般是将四氟化铀与氟气在反应塔中于250~400℃反应,生成沸点很低的六氟化铀(UF6)(在56℃升华)。然后用气体扩散法或离心法经过多级分离,得到不同品级的235UF6浓缩物,再经过氢还原和镁还原,得到浓缩铀。
铀毒铀及其化合物有较强毒性,空气中可溶性铀化合物的最大允许浓度 (指化学毒性)为0.05毫克/米3;不溶性化合物的允许浓度为0.25毫克/米3;人体对天然铀的允许剂量 (指放射性毒性)为可溶性化合物0.2微居里,不溶性化合物为0.009微居里。
- 参考书目
- 梅里特著,《核原料》编辑部译:《铀的提取冶金学》,科学出版社,北京,1978。(R.C.Merritt,The Eхtra- ctive metallurgy of Uranium,Johnson,Boulder,1971.)科德芬克著,《核原料》编辑部《铀化学》翻译组译:《铀化学》,原子能出版社,北京,1977。
参考文章
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