1. Цели и задачи дисциплины
"Металлургия урана и технология его соединений" - одна из профилирующих дисциплин специальности 240601 - Химическая технология материалов современной энергетики. Она раскрывает теоретические и прикладные основы разнообразных процессов получения урана, его сплавов и соединений; систематизирует эти процессы.
Профилирующая, специальная дисциплина базируется на знаниях предшествующих дисциплин: неорганической, аналитической и физической химии, атомной физики, процессов и аппаратов химической технологии, радиохимии, физико-химических основ технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины Студенты обязаны овладеть знаниями о рациональных способах извлечения урана из природных источников и вторичного сырья, его очистки, получения соединений, металла сплавов, производства тепловыделяющих элементов (ТВЭ) и топливных сборок (ТВС).
Они должны изучить: физико-химические характеристики, основные реакции, принципы аппаратурного оформления процессов; приобрести навыки безопасного обращения с ураном и его соединениями. Должны научиться грамотно проводить исследования, оформлять технологические схемы, оптимизировать режимы процессов, сравнивать альтернативные варианты технологических решений, давать технико-экономическую оценку, усвоить правила, обеспечивающие безопасную производственную деятельность людей и соблюдения природоохранной экологии.
3. Компетенции, формируемые в процессе изучения дисциплины В результате обучения у студентов формируются следующие компетенции: общенаучные компетенции (ОНК)
- компетенция самообразования и профессиональной мобильности; компетенция самоорганизации и способности к руководству исследовательской и инновационной деятельностью; компетенция квалифицированного пользования информацией; компетенция системного аналитического мышления; компетенция креативности (результативного творчества) в научно-исследовательской и инновационной деятельности; компетенция нестандартного мышления и самостоятельных действий в условиях изменений и неопределённости; компетенция адаптивности и социальной ответственности в принятии решений. инструментальные компетенции (ИК) владение навыками письменной и устной коммуникаций на уровнях, достаточных для профессионального общения; профессиональное владение навыками работы с исследовательским и испытательным оборудованием, приборами и установками в избранной предметной области; профессиональное владение методами планирования и проведения экспериментов и исследований, выполнения проектов и заданий в избранной предметной области. общепрофессиональные компетенции (ОПК) готовность к самостоятельным исследованиям; готовность к количественному описанию явлений и процессов; готовность к математическому и физическому моделированию явлений и процессов; готовность к обобщению и презентации результатов исследований; готовность к дальнейшему использованию результатов исследований; готовность к участию в разработке и создании новых объектов техники и технологии (в сфере высоких и наукоёмких технологий) в качестве одного из ведущих разработчиков или в качестве руководителя малого коллектива исполнителей; готовность к участию в оптимизации производственно-технических процессов (в сфере высоких и наукоёмких технологий) в качестве участника команды или руководителя малого коллектива; готовность к участию в разработке и реализации проекта (научной или инновационной программы) в качестве исполнителя, ответственного за самостоятельный участок работы. предметно-специализированные компетенции: знание физико-химических основ технологий урановых производств; знание рациональных способов извлечения урана из природных источников и вторичного сырья, его очистки, получения соединений, металла сплавов; умение выбрать и обосновать технологическую схему требуемого технологического процесса; умение планировать производство; навыки безопасного обращения с ураном и его соединениями.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы Распределение аудиторной нагрузки и объема самостоятельной работы по семестрам
изучения дисциплины
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |
9 | 10 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 221 | 153 | 68 |
Аудиторные занятия | 153 | 119 | 34 |
Лекции | 102 | 102 | - |
Практические занятия (ПЗ) | - | - | - |
Семинары (С) | - | - | - |
Лабораторные работы (ЛР) | 51 | 17 | 34 |
Другие виды аудиторных занятий | - | - | - |
Самостоятельная работа | 68 | 34 | 34 |
Курсовой проект | - | 1 | |
Курсовая работа | - | - | - |
Расчетно-графические работы | - | - | - |
Графическая работа | - | - | - |
Расчетная работа | - | - | - |
Домашняя работа | - | - | - |
Домашнее задание | - | - | - |
Реферат | - | - | - |
Другие виды самостоятельных занятий | - | - | - |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | Э, З | Э, З |
Распределение аудиторной нагрузки и объема самостоятельной работы по семестрам изучения дисциплины для специализации "Аналитический контроль технологии материалов
Курсовой проект | - | 1 | |||
Курсовая работа | - | - | - | ||
Расчетно-графические работы | - | - | - | ||
Графическая работа | - | - | - | ||
Расчетная работа | - | - | - | ||
Домашняя работа | - | - | - | ||
Домашнее задание | - | - | - | ||
Реферат | - | - | - | ||
Другие виды самостоятельных занятий | - | - | - | ||
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | Э, З | Э | З | ||
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, час. | ПЗ, час. | С, час. | ЛР, час. |
1.Способы первичной (грубой) очистки. 2.Способы тонкой очистки. | |||||
7. | Технология соединений урана. - Оксиды урана. - Галоидные соли урана. - Карбиды и нитриды урана. | 20 | 14 | 18 | |
8. | Металлический уран и его сплавы. -Физические и химические свойства металла. -Классификация способов получения урана. Физико- химические характеристики способов. -Методы получения урана, применяемые в промышленных масштабах. -Способы рафинирования урана. -Легирование и литье урана.-.Механическая и термическая обработка урана. -Получение изделий из порошкообразного урана. | 20 | 10 | 14 | |
9. | Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - Изготовление металлических ТВЭЛ прокаткой и другими методами пластической обработки металлов давлением. -Нанесение защитных покрытий, оболочек и герметизация ТВЭЛ. -Особенности службы ТВЭЛ в реакторах. | 6 | 2 | ||
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, час. | ПЗ, час. | С, час. | ЛР, час. |
5 | Вскрытие урановых руд и концентратов. - Поведение урана в водных растворах. - Кислотное разложение руд и концентратов. - Автоклавный - "бескислотный" процесс вскрытия урановых руд. -Карбонатное выщелачивание урановых руд. - Кислотно-содовое выщелачивание. - Аппаратурное оформление процессов выщелачивания и вскрытия урановых руд. - Подземное выщелачивание урана. | 8 | 2 | ||
6. | Очистка урана. 1.Способы первичной (грубой) очистки. 2.Способы тонкой очистки. | 16 | 2 | ||
7. | Технология соединений урана. - Оксиды урана. - Галоидные соли урана. - Карбиды и нитриды урана. | 20 | 2 | ||
8. | Металлический уран и его сплавы. -Физические и химические свойства металла. -Классификация способов получения урана. Физико- химические характеристики способов. -Методы получения урана, применяемые в промышленных масштабах. -Способы рафинирования урана. -Легирование и литье урана.-.Механическая и термическая обработка урана. -Получение изделий из порошкообразного урана. | 20 | 2 | ||
9. | Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - Изготовление металлических ТВЭЛ прокаткой и другими методами пластической обработки металлов давлением. -Нанесение защитных покрытий, оболочек и герметизация ТВЭЛ. -Особенности службы ТВЭЛ в реакторах. | 6 | 2 |
1. Введение
Классификация ядерных реакторов (ЯР) по назначению, характеристикам нейтронов, способам теплосъема, используемым в них делящихся материалов, составу ядерного топлива (ЯТ) и результатам работы. Основы работы ядерных реакторов. Человек и энергия. Увеличение потребления энергии в истории человечества. Технико-экономическая оценка возобновляемых, невозобновляемых и ядерных энергоносителей.
2. Сырьевые источники урана
2.1. Распространенность урана в природе. Изотопный состав урана.
Урановые и урансодержащие минералы. Классификация их по химическому составу, происхождению. Классификация урановых руд по определяющим технологию признакам в зависимости: от характера урановой минерализации, состава вмещающих урановые минералы горных пород, контрастности включений, размеров минеральных агрегатов и содержания урана. Краткая характеристика месторождений урана Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Африки и Австралии. Российские месторождения урана, уранодобывающие и ураноперерабатывающие предприятия. Сырьевая база урана.3. Использование урана в технике
Основные области применения урана. Современное состояние атомной энергетики. Атомная энергетика России, её потребности в уране. Запасы урана и уранодобывающая промышленность. Современное состояние рынка урана. Международный рынок урана. Спрос на уран. Поставки урана. Перспективы производства урана в Казахстане, Канаде, Австралии, других регионах мира. Материальные запасы. Разведка месторождений. Структура ядерного топливного цикла.4. Обогащение урановых руд
Принципиальные основы обогащения урановых руд. Оценка результатов обогащения (извлечение урана, кратность обогащения, оборудование, затраты энергии и реагентов). Дробление руд, классификация. Основные методы обогащения урановых руд: рудоразборка по цвету и с использованием флюоресценции, гравитационное, классификационное, флотационное, радиометрическое, магнитное и электрическое. Их принципиальные основы.5. Вскрытие урановых руд и концентратов
5.1. Поведение урана в водных растворах.
5.2. Кислотное разложение руд. Выбор кислоты. Необходимость использования
окислителя и его выбор. Выбор способа выщелачивания. Определение оптимальных
условий: крупности материала, степени измельчения, концентрации кислоты, отношения
Т:Ж, количества окислителя, температуры и продолжительности выщелачивания. Реакции
при вскрытии руд и концентратов. Материальные и элементарные балансы процессов.
Технологические схемы и аппаратурное оформление агитационного, перколяционного,
кучного и подземного методов выщелачивания. Автоклавный - "бескислотный" процесс вскрытия урановых руд, содержащих сульфиды железа и тяжелых металлов.
6. Очистка урана
6.1. Выделение урана из растворов (пульп) - грубая очистка урана.
Химическое осаждение урана из растворов. Осаждение урана из кислых растворов. Осаждение урана из карбонатных растворов. Технологические аспекты проведения процесса осаждения урана. Щелочная репульпация фосфатных концентратов.6.2. Выделение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена.
Ионный обмен. Общие положения. Извлечение урана из растворов (пульп) с применением ионного обмена. Разделение урана и молибдена с помощью ионообменных процессов. Аппаратура ионообменных процессов. Расчет процесса ионообменного извлечения урана.6.3. Извлечение урана из растворов экстракцией органическими растворителями.
Классификация экстрагентов. Извлечение урана из растворов с применением экстракции. Аппаратура для экстракционных процессов.6.4. Аффинаж солей урана.
Экстракционный аффинаж урана. Пероксидный аффинаж урана. Оксалатный аффинаж урана. Карбонатный аффинаж урана. Фторидный аффинаж урана.7. Технология соединений урана
7.1. Оксиды урана
7.1.1. Октаоксид триурана. Свойства. Способы получения.
7.1.2. Диоксид урана. Свойства. Способы получения. Кондиционные требования к
порошку диоксида урана. Таблетирование диоксида урана. Технологическая схема
получения топливных таблеток.
Тетрафторид урана. Основные свойства, способы получения (взаимодействием диоксида с безводными фторирующими агентами (сухие способы), гидрофторированием диоксида (полусухие способы) и осаждением из растворов (мокрые способы)). Гексафторид урана. Свойства. Способы получения. Применение гексафторида для разделения изотопов урана.
Тетрахлорид урана. Свойства. Способы получения. Карбиды и нитриды урана. Свойства. Способы получения.
8. Металлический уран и его сплавы
Физические и химические свойства металла. Зависимость их от чистоты. Примеси и загрязнения. Требования к урану и его сплавам. Классификация способов получения урана (в зависимости от исходного сырья, применяемого восстановителя и характера получаемого металла). Физико-химические характеристики способов. Методы получения урана, применяемые в промышленных масштабах, их краткая характеристика (восстановление оксидов кальцием и гидридом кальция, восстановление тетрафторида кальцием, или магнием, восстановление тетрахлорида кальцием, электролиз хлоридно-фторидных расплавов солевых смесей).8.4. Способы рафинирования урана. Индукционно-вакуумный переплав чернового
металла. Электролитическое рафинирование металла в солевых расплавах. Зонная
перекристаллизация.
8.7. Получение изделий из порошкообразного урана. Композитные материалы на
основе урана и его соединений.
9. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов
9.1. Изготовление металлических ТВЭЛов (прокаткой и другими методами
пластической обработки металлов давлением: прессованием, штамповкой, ковкой).
Механическая обработка.
6. Лабораторный практикум
Лабораторный практикум включает лабораторные работы, примерная тематика
которых представлена ниже:
№ п/п | Тема работы | Раздел дисциплины |
1 | Кислотное вскрытие урановых руд | 5 |
2 | Экстракция урана | 6 |
3 | Получение тетрафторида урана | 7 |
4 | Хлориды урана | 7 |
5 | Электролитическое получение диоксида урана | 7 |
6 | Получение металлического урана | 8 |
7 | Хлорирование оксида урана в солевом расплаве | 8 |
8 | Ионно-координационное состояние урана в солевых расплавах | 8 |
а также лабораторные работы по компьютерному моделированию технологических процессов урановых производств: | ||
№ п/п | Тема работы | Раздел дисциплины |
1 | Получение уранилтрикарбоната аммония из концентрата урановой руды | 6 |
2 | Переработка концентрата урановой руды с получением гидроксида урана(1У) | 6 |
3 | Переработка концентрата урановой руды с получением тетрафторида урана | 7 |
4 | Конверсия гексафторида урана в диоксид | 7 |
Лабораторный практикум может также проводиться в рамках индивидуальных программ, выдаваемых преподавателем каждому студенту на весь период обучения по курсу.
7. Тематика курсового проектирования Проектирование отделения по переработке урановых или редкометальных руд, очистке целевого компонента от примесей, получению соединений урана или редких металлов, получению целевого компонента в элементарной форме. Курсовой проект включает выбор и обоснование технологической схемы заданного передела, расчёт материалоных балансов по всем операциям и по отделению в целом, расчёт тепловых и энергетических балансов по
операциям и по отделению в целом, расчёт основных аппаратов и узлов оборудования, выбор вспомогательного оборудования, расчёт числлености работников отделения, технико-экономическое обоснование планируемого производства, проектирование размещения оборудования и планирование здания отделения, разработку мер по охране труда, обесчению безопасности и экологичности производства.
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
8.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература:
, , Химия и технология урана. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006. Лебедев топливный цикл. М.: Энергоатомиздат, 2005. Жиганов А. М., Гузеев В. В., Андреев Г. Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного горючего. Томск: SST, 2002. Громов в химическую технологию урана. М.: Атомиздат, 1978. , , Федорченко и его сплавы. М.: Атомиздат,1971.
, и др. Технология урана. М.: Атомиздат, 1964. Стерлин урана. М.: Госатомиздат, 1962.б) дополнительная литература:
Толстов Е. А., Толстов Д. Е. Физико-химические геотехнологии освоения месторождений урана и золота в Кызылкумском районе. М.: Геоинформцентр, 2002. Кац Дж., имия актиноидов, т. 1. М.: «Мир», 1991. , Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат, 1985. , и др. Гидрометаллургия переработки уранорудного сырья. М.: Атомиздат, 1979. , , Бекетов соединения урана М.: Атомиздат, 1972. , , Головнин элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1962, 1966. , и др. Химия и технология фтористых соединений урана. М.: Госатомиздат, 1961. , , Верятин переработки концентратов урана. М.: Атомиздат, 1960.8.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Основные технологические схемы процессов получения урана, схемы используемого на производстве технологического оборудования, демонстрируемые при помощи мультимедийной проецирующей аппаратуры.
Образцы руд, концентратов.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины Специализированные лаборатории для проведения электрохимических, пирометаллургических и гидрометаллургических процессов, оснащенные необходимым исследовательским оборудованием.
