Диуранат аммония

Диуранат аммония — это неорганическое химическое соединение, соль аммония и диурановой кислоты, с приблизительной химической формулой (NH₄)₂U₂O₇. Представляет собой аморфный порошок от жёлтого до оранжево-жёлтого цвета, практически нерастворимый в воде. В промышленности и аналитической химии диуранат аммония известен как ключевое промежуточное соединение в технологии переработки урановых руд и получения ядерно-чистого диоксида урана (UO₂). Название «диуранат» отражает состав, в котором на одну молекулу урановой кислоты приходится два атома урана, однако точный стехиометрический состав соединения может варьироваться в зависимости от условий осаждения.

История

Впервые диуранат аммония был получен в середине XIX века в ходе систематического изучения химии урана. С развитием ядерной энергетики в середине XX века соединение приобрело промышленное значение. В СССР и России технология осаждения диураната аммония из азотнокислых растворов урана стала основным этапом аффинажа — очистки урана от примесей перед его дальнейшим использованием. В 1940–1950-х годах на предприятиях атомной промышленности (например, на комбинате № 817, ныне ПО «Маяк») этот процесс был отработан в промышленных масштабах.

Химические свойства и строение

Состав и формула

Диуранат аммония не является строго определённым стехиометрическим соединением. В зависимости от pH раствора, температуры и концентрации реагентов его состав может описываться общей формулой (NH₄)₂U₂O₇·xH₂O, где x — переменное количество кристаллизационной воды (обычно от 0 до 6). В сухом виде соединение теряет воду, превращаясь в безводный диуранат аммония.

Реакции

• Термическое разложение: при нагревании до 400–600 °C диуранат аммония разлагается с образованием оксидов урана (U₃O₈ или UO₂), воды и аммиака. Эта реакция лежит в основе промышленного получения диоксида урана:

\[ 3(NH₄)₂U₂O₇ \xrightarrow{\Delta} 2U₃O₈ + 6NH₃ + 3H₂O + O₂ \] В восстановительной атмосфере (например, в токе водорода) образуется UO₂.

• Растворимость: практически нерастворим в воде (растворимость около 10⁻⁵ г/л), но легко растворяется в кислотах (азотной, соляной, серной) с образованием соответствующих солей уранила (UO₂²⁺).
• Реакция с щелочами: при обработке избытком раствора аммиака диуранат может частично переходить в другие уранаты, например, триуранат аммония (NH₄)₂U₃O₁₀.

Получение

Диуранат аммония получают осаждением из водных растворов уранилнитрата (UO₂(NO₃)₂) при добавлении газообразного аммиака или водного раствора аммиака (NH₄OH). Процесс проводят при pH 7–9 и температуре 50–70 °C. Реакция протекает по уравнению: \[ 2UO₂(NO₃)₂ + 6NH₃ + 3H₂O \rightarrow (NH₄)₂U₂O₇ + 4NH₄NO₃ \] Осадок диураната аммония выпадает в виде мелкодисперсного порошка жёлтого цвета. Для улучшения фильтрации и снижения содержания примесей процесс часто проводят в присутствии перекиси водорода, что приводит к образованию пероксидных комплексов урана.

Промышленная схема

На предприятиях ядерного топливного цикла (например, в России — на Чепецком механическом заводе, Приаргунском производственном горно-химическом объединении) диуранат аммония получают по следующей схеме:

1. Выщелачивание урановой руды серной кислотой.
2. Экстракция урана трибутилфосфатом (ТБФ) из азотнокислых растворов.
3. Реэкстракция урана в водную фазу с получением концентрированного раствора уранилнитрата.
4. Осаждение диураната аммония аммиаком.
5. Фильтрация, промывка и сушка осадка.

Применение

Ядерная энергетика

Основное применение диураната аммония — в качестве промежуточного продукта при производстве ядерного топлива. После термического разложения и восстановления из него получают диоксид урана (UO₂), который прессуется в таблетки и загружается в тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) реакторов на тепловых нейтронах (ВВЭР, РБМК). В России до 90% урана для энергетических реакторов проходит стадию осаждения диураната аммония.

Аналитическая химия

В лабораторной практике диуранат аммония используется для гравиметрического определения урана. Осаждение проводят из растворов, содержащих уранил-ионы, после чего осадок прокаливают до U₃O₈ и взвешивают. Метод отличается высокой точностью (погрешность менее 0,5%) и применяется для контроля качества урановой продукции.

Производство керамики и стекла

В небольших количествах диуранат аммония применяется для окрашивания стекла и керамических глазурей в жёлтый и оранжевый цвета. При обжиге соединение разлагается с образованием оксидов урана, которые придают материалу характерный оттенок. Однако из-за радиоактивности урана такое использование ограничено и в России практически прекращено с 1970-х годов.

Безопасность и экология

Диуранат аммония токсичен и радиоактивен. Уран, входящий в его состав, является альфа-излучателем с периодом полураспада 4,47 млрд лет для урана-238. При работе с соединением необходимо соблюдать меры радиационной безопасности: использовать вытяжные шкафы, защитные перчатки и респираторы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) урана в воздухе рабочей зоны в России составляет 0,015 мг/м³ (по урану).

При попадании в окружающую среду диуранат аммония может мигрировать в почву и грунтовые воды, где он способен переходить в растворимые формы уранил-ионов. На предприятиях атомной промышленности отходы, содержащие диуранат аммония, подвергают цементированию или остекловыванию для захоронения.

Интересные факты

• Диуранат аммония — одно из немногих неорганических соединений, которое может менять цвет при нагревании: от жёлтого (при комнатной температуре) до оранжевого и тёмно-коричневого (при 300–400 °C).
• В истории советского атомного проекта осаждение диураната аммония было одним из первых технологических процессов, освоенных на Уральском электрохимическом комбинате (ныне УЭХК) в 1949 году.
• В западной литературе диуранат аммония часто называют «жёлтым кеком» (yellow cake), хотя технически этот термин относится к смеси оксидов урана (U₃O₈), получаемой после прокаливания диураната.

Источники

• Громов Б. В. «Введение в химическую технологию урана». — М.: Атомиздат, 1978.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Современная неорганическая химия». — М.: Мир, 1969.
• «Технология урана» / Под ред. В. А. Карелина. — М.: Энергоатомиздат, 1992.
• Справочник химика. Том 2. — Л.: Химия, 1964.
• Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009.