铀转化(II)

目前世界上的核电站,多数需要使用适当“浓缩”的铀来发电。这当然不意味着核电站“重口味”,而是因为铀浓度越高,核电站厂房就可以建得越小,有利于节约建设成本和方便管理。而为了浓缩铀,必须将开采出来的、含有许多杂质的铀氧化物通过一定的化工流程,转变成纯净的气态氟化物。

从铀矿中开采出来的铀并非亮晶晶的铀金属,而是含有杂质的氧化物,通常是八氧化三铀U3O8或过氧化物,不能直接使用;就如同晒干海水得到的盐巴,含有苦涩难吃的杂质。铀浓缩需要纯净的六氟化铀UF6气体作为原料,因而必须对含有杂质的铀氧化物进行一系列化工精炼,这一过程被称为“铀转化”。铀转化是纯粹的化工过程,目的是为铀浓缩做准备,最终产品是纯净的六氟化铀。

除了从铀矿中提取的铀以外,一些“二手”的铀原料,例如由核武器稀释得到的铀,可能本身就以我们想要的六氟化铀的形式存在,因而不需要执行以上的铀转化过程。另一些“二手”铀,例如通过后处理回收的铀,则需要被转化,从而被再次浓缩。

铀转化获得的六氟化铀将被压缩,“包装出售”。如果温度较低或人工加压,六氟化铀会变成液体,从而被灌装到特别设计的厚壁钢容器中,装满后整个容器重达15吨。进一步冷却容器,可以让容器中的六氟化铀变成白色结晶固体,在运输过程中它将保持这种状态。

需要指出的是,天然铀的辐射对人的健康影响很小,而铀转化过程需要用到氢氟酸和氟气,这些氟化物的危险性不见得比天然铀低。即便如此,氟化物在农药、橡胶、电镀、玻璃加工、冷冻剂、等离子蚀刻等诸多行业都得到了大量应用,可见我们有能力控制氟化物等有毒有害物质,更不用说比氟化物危险性更小的天然铀了。所以铀转化工厂的选址、环境管理与安全管理所遵循的法律法规与一般处理氟的化工工厂没有太大差别。当然,为了避免核事故,对铀转化工厂的一些工艺细节有独特的要求;如同核工业的其他环节一样,对这些工艺细节都制定了严格的操作规程。

如果你对铀转化的化工过程感兴趣,那么下面,我们将粗略地了解铀转化的基本步骤。

目前,美国、加拿大、法国、英国、俄罗斯和我国都有商业运行的铀转化工厂。美国使用的是无水氟化物挥发法,简称干法工艺;其他国家使用的是比较传统的湿法工艺。

铀转化的基本化工过程如下:

第一步,在干法工艺中,首先对含有铀氧化物的化学浓缩物进行高温煅烧,去除一部分杂质,得到稍微纯净一点的八氧化三铀。在此过程中八氧化三铀会结块,所以煅烧之后还要进行粉碎处理。

而湿法工艺稍微复杂一点:

(1)用硝酸HNO3溶解含有铀氧化物的化学浓缩物,得到含有硝酸铀酰UO2(NO3)2的水溶液。

(2)通过逆流溶剂萃取法,使用溶解在煤油或十二烷中的一种名叫磷酸三丁酯、简称TBP的物质,把硝酸铀酰从水溶液萃取到有机溶液中。

(3)溶解在有机萃取液中的铀又可以被稀硝酸提取出来。通过这样一对萃取—反萃取过程,可以有效地除去杂质。

(4)稀硝酸提取出的含铀溶液通过蒸发变可以得到浓缩液。

(5)将浓缩液在流化床中进行煅烧,便可以得到三氧化铀;如果温度合适,也能够直接获得二氧化铀。

第二步,由干法工艺获得的八氧化三铀或由湿法工艺获得的三氧化铀,在还原炉中与氢气H2反应,被还原成二氧化铀UO2。具体反应方程式如下:

U3O8 + 2H2 ===> 3UO2 + 2H2O     ∆H = -109 kJ/mol

UO3 + H2 ===> UO2 + H2O    ∆H = -109 kJ/mol

第三步,干法工艺让二氧化铀与气态氟化氢HF反应,被氟化生成四氟化铀UF4。湿法工艺不是让二氧化铀在炉子里与气态氟化氢反应,而是与氟化氢的水溶液发生反应。具体反应方程式如下:

UO2 + 4HF ===> UF4 + 2H2O    ∆H = -176 kJ/mol

第四步也是最后,四氟化铀在流化床或火焰反应炉中与氟气F2反应,生成六氟化铀UF6

UF4 + F2 ===> UF6

以上四个步骤,每个步骤都起到一定的除杂功能,最终便可以由含有许多杂质的“苦盐巴丑小鸭”,获得纯净的“精制盐白天鹅”。