Современная металлургическая промышленность производит почти все известные металлы

Очистка концентратов
В рассмотренных выше процессах извлечения урана из руд получают концентраты в виде U₃О₈ или Nа₂U₂О₇. Они содер­жат 65 — 80 % U₃О₈ и ряд примесей. Для производства ура­на, используемого в ядерных реакторах, необходимы соеди­нения высокой чистоты. Особенно вредными являются примеси бора, лития, кадмия, лантаноидов, имеющих высокие значе­ния сечения захвата тепловых нейтронов.
На рис. 95 приведена распространенная схема очистки химических концентратов. Конечным продуктом является триоксид урана высокой чистоты, из которого получают тетрафторид урана.

Схема включает операции:

1) растворение концентрата в азотной кислоте с получением растворов UO₂(N0₃)₂ (200 - 270 г/л);
2) экстракционную очистку, в результате которой полу­чают растворы нитрата уранила.
Дальнейшую переработку очищенных растворов проводят по двум вариантам:
а) из очищенных нитратных растворов путем выпарки кристаллизуют нитрат UO₂(NО₃)₂ • 2Н₂О. Нитрат термически разлагают при 300 — 400 С, получая триоксид урана UO₃;
б) из нитратного слабокислого раствора, с целью допол­нительной очистки, осаждают пероксидом водорода пероксид урана UO₄ • 2Н₂О. Прокаливанием последнего при 400-500 °С получают чистый триоксид урана.
Для экстракционной очистки нитратных растворов широко используют ТБФ, образующий с уранилнитратом дисольват:
UO ₂ ²⁺ + 2NO^--₃ + 2ТБФ ↔ UO₂(NO₃)₂ • ТБФ.
Коэффициент распределения урана D_U уменьшается с уве­личением концентрации урана и возрастает пропорционально квадрату концентрации нитрат-ионов и ТБФ. Трибутилфосфат обладает высокой избирательной экстракционной способнос­тью по отношению к уранил-нитрату. Коэффициенты распреде­ления большинства примесей имеют малые значения. Экстрак­цию ведут из растворов с концентрацией урана 250 -400 г/л и концентрацией НNО₃ 3 - 5м/ л. Обычно используют 30 - 40 %-ный раствор ТБФ в керосине.
Уран реэкстрагируют из органической фазы слабыми рас­творами азотной кислоты. Экстракцию проводят в каскаде смесителей-отстойников или в колоннах экстракторах с на­ложением пульсаций.
Полученные реэкстракты, содержащие 70 - 100 г/л урана (в виде уранил-нитрата), далее, как указано выше, посту­пают либо на осаждение пероксида, либо на выпарку и крис­таллизацию уранил-нитрата.




Получение тетрафторида урана
В промышленной практике УР₄ получают фторированием ди­оксида урана фтористым водородом. Исходным соединением служит чистый триоксид урана, который восстанавливают во­дородом до диоксида:
^{450-600 оС}
UO₃ + H₂ → UО₂ + Н₂О + 98,3 кДж;
^{450-500 О}с
UO₂ + 4UF → UF₄ + 2Н₂О + 192 кДж
Известны варианты проведения процессов, описываемых реакциями. Они могут проводиться в трубчатых печах со шнековым перемещением материала или в печах кипящего слоя.
Трубы печей и шахту печи КС для стадии восстановления изготовляют из нержавеющей стали, а для стадии фторирова­ния - из сплавов никеля с медью (монель, инконель). Ниже приведен примерный состав получаемого фторида урана, %: UF₄ 96,2; UO₂F₂ 2,0; UО₂ 1,8. Содержание примесей в UF₄, следующее, %:
Fе 5,5 • 10^--3; Ni 3,5 • 10^-3; Сг 9 • 10^-4;Мn < 1 • 10^-3; Сd 1 • 10^-5; Мо < 1 • 10^-3.
Производство урана
Известны следующие методы получения урана:

1. 
   восстановление оксидов урана кальцием или гидридом
   кальция;
   
2. 
   восстановление тетрафторида или тетрахлорида урана
   Кальцием или магнием;
   
3. 
   электролиз галоидных солей в расплавленных средах.
   

В результате восстановления оксидов, а также при элек­тролизе расплавленных сред получают порошкообразный ме­талл, который отделяют от оксидов и солей обработкой во­дой и кислотами. Между тем в результате металлотермического восстановления галоидных солей уран получают в форме слитка, хорошо отделяющегося от шлака, что представляет существенные преимущества и объясняет более широкое при­менение металлотермии галогенидов.
Хлорид урана UСl₄ в отличие от фторида весьма гигро­скопичен, что затрудняет работу с ним. Кроме того, хлорид кипит при 800 °С, что требует проведения восстановления в герметичном аппарате. Ввиду этого производство урана ба­зируется преимущественно на восстановлении тетрафторида урана.
Восстановление тетрафторида урана кальцием
При восстановлении тетрафторида урана кальцием по реакции:
UF₄ + 2Са = U + 2СаF₂ + 575 кДж
выделяется около 1465 кДж на 1 кг смеси UF₄ + 2Са. Тепла достаточно для самопроизвольного протекания реакции и поддержания температуры, при которой металл и шлак (СаF₂) находятся в расплавленном состоянии. Для этого необходима температура 1450 °С (СаF₂ плавится при 1418 °С). Восста­новление можно проводить при атмосферном давлении, так как температура кипения кальция сравнительно высока (1420 °С). Восстановление проводят в тиглях из нержавею­щей стали, футерованных чистым фторидом кальция. Для вос­становления применяют кальций, очищенный дистилляцией в вакууме, в виде стружки толщиной 2-3 мм. Восстановитель вводят в шихту с избытком ~20 % от стехиометрического. Смесь либо непосредственно засыпают в тигель и слегка утрамбовывают, либо предварительно брикетируют.
Шихту зажигают с помощью электрической искры или зажи­гают запальную смесь (например, пероксид натрия с магние­вым порошком), помещаемую в верхней части шихты. Реакция быстро распространяется по всей шихте. Металл стекает вниз, образуя слиток, хорошо отделяемый от шлака. Этим способом получают слитки урана массой 100 кг и больше.
Выход урана в слиток составляет 98 - 99 %. Содержание примесей в слитках следующее, %: Fе 0,02 - 0,005; Si 0,01 - 0,05; Са 0,002 - 0,005; Мn 0,001 - 0,0005; Н 3 - 5см³ на 100 г металла.
Восстановление тетрафторида урана магнием
Условия восстановления UF₄ магнием отличаются от опи­санных выше для кальциетермического процесса.
1. Тепловой эффект реакции
UF₄ + 2Мg = U + 2МgF₂ + 372 кДж
примерно на 205 кДж ниже, чем при восстановлении кальци­ем. На 1 кг смеси UF₄ + 2Мg выделяется 1028 кДж. Этого
тепла недостаточно для расплавления продуктов реакции, поэтому необходимо нагревать весь реактор с шихтой до температуры зажигания.
2. Точка кипения магния (1105 °С) ниже температуры
плавления шлака (МgF₂ плавится при 1260 °С). Поэтому не­
обходимо проводить восстановление в герметичном аппарате
(типа бомбы) под давлением паров магния.


Вместе с тем, магний обладает некоторыми преимущества­ми. Магний более устойчив на воздухе. Выпускаемый промыш­ленностью магний высокой чистоты содержит меньше вредных для урана примесей. Магний легче кальция и весовой расход его на 1 т урана в 1,6 раза ниже, чем кальция.
Восстановление проводят в стальных тиглях, изготовлен­ных из цельнотянутых труб диаметром 325 - 390 мм. Высота тиглей 915 - 1145 мм. Тигли футеруют фтористым магнием, их герметично закрывают крышкой. Порошок магния с разме­ром частиц ~2 мм смешивают с UF₄ (избыток магния 4-5 %). Тигель, заполненный шихтой и герметично закрытый, устана­вливают в газовой печи (снаружи оставляют только крышку). При нагревании шихты до 550 - 700 °С инициируется реак­ция, которая заканчивается примерно за 1 мин.
Слиток легко отделяется от шлака. Выход металла достигает 98 %. В тиглях диаметром 325 мм за одну плавку получают слиток массой 100 кг.
Освоен процесс магниетермического восстановления UF₄ одновременной загрузкой 2 т фторида урана. Получают слит­ки массой 1225 кг (диаметр слитка ~ 445 мм, высота 432 мм). Большая величина загрузки обусловливает медлен­ное охлаждение и хорошее отделение металла от шлака. Та­кие слитки не требуют вакуумной переплавки и могут не­посредственно направлять на обработку давлением.