Жёлтый кек

Жёлтый кек (англ. yellowcake) — это технический концентрат оксида урана (преимущественно U₃O₈), получаемый в процессе переработки урановой руды. Представляет собой порошок от жёлтого до тёмно-коричневого цвета (в зависимости от степени обжига и содержания примесей), который является промежуточным продуктом в ядерном топливном цикле. Жёлтый кек не является чистым химическим соединением, а представляет собой смесь оксидов урана, в которой массовая доля урана составляет от 70 до 90 процентов. Название «жёлтый кек» закрепилось исторически из-за характерного жёлтого цвета, который придаёт продукту шестивалентный уран (UO₃), однако после дополнительной термической обработки (прокаливания) цвет может изменяться на зелёновато-чёрный или тёмно-коричневый.

Получение

Процесс получения жёлтого кека включает несколько стадий, начиная от добычи урановой руды и заканчивая химическим концентрированием.

Добыча и измельчение

Урансодержащие руды добываются открытым (карьерным) или подземным (шахтным) способом, а также методом подземного выщелачивания (ПВ). При традиционных методах руда измельчается до состояния мелкого песка (размер частиц менее 0,5 мм), что увеличивает площадь поверхности для последующей химической обработки.

Выщелачивание

Измельчённая руда обрабатывается растворами кислот или щелочей для перевода урана в растворимую форму. Наиболее распространённый метод — сернокислотное выщелачивание, при котором руду смешивают с серной кислотой (H₂SO₄) в присутствии окислителя (обычно диоксида марганца MnO₂ или хлората натрия). Уран переходит в раствор в виде сульфатных комплексов:

UO₃ + H₂SO₄ → UO₂SO₄ + H₂O

При подземном выщелачивании раствор кислоты закачивается непосредственно в рудное тело через скважины, а затем продуктивный раствор откачивается на поверхность. Этот метод применяется для бедных руд и позволяет избежать дорогостоящей добычи и измельчения.

Экстракция и очистка

Из продуктивного раствора уран извлекается методами ионного обмена или жидкостной экстракции. На ионообменных смолах уран сорбируется из раствора, а затем десорбируется (элюируется) концентрированным раствором хлорида натрия или азотной кислоты. При жидкостной экстракции используются органические растворители, например, трибутилфосфат (ТБФ) или амины, которые избирательно связывают уран.

Осаждение и сушка

Из очищенного раствора уран осаждают в виде диураната аммония ((NH₄)₂U₂O₇) или диураната натрия (Na₂U₂O₇) путём добавления аммиака, едкого натра или перекиси водорода. Осадок фильтруют, промывают и сушат при температуре около 300–400 °C, в результате чего образуется жёлтый кек. При прокаливании при более высоких температурах (700–800 °C) получают продукт тёмного цвета (U₃O₈), который также часто называют жёлтым кеком, несмотря на изменение цвета.

Состав и свойства

Химический состав жёлтого кека варьируется в зависимости от технологии переработки и исходного сырья. Основные компоненты:

• U₃O₈ (закись-окись урана) — преобладающая форма после прокаливания, массовая доля урана около 84,8 %.
• UO₃ (триоксид урана) — характерен для недокалённого продукта, массовая доля урана около 83,2 %.
• Примеси — ванадий, молибден, торий, редкоземельные элементы, а также радий и продукты его распада (в зависимости от степени очистки).

Жёлтый кек радиоактивен. Удельная активность составляет около 0,5–1,5 кюри на килограмм (в основном за счёт изотопов урана-238 и урана-235, а также дочерних продуктов распада). Продукт не является высокорадиоактивным, но требует соблюдения мер радиационной безопасности при обращении, особенно в виде пыли, которая может попадать в организм при вдыхании.

Применение

Жёлтый кек является сырьём для дальнейшей переработки в ядерном топливном цикле. Основные направления использования:

Производство гексафторида урана (UF₆)

Основная масса жёлтого кека поступает на конверсионные заводы, где его превращают в гексафторид урана — газообразное соединение, необходимое для обогащения урана методом газовой диффузии или газового центрифугирования. Процесс включает растворение жёлтого кека в азотной кислоте, очистку от примесей, осаждение ураната аммония, прокаливание до UO₃, восстановление до UO₂ водородом и фторирование до UF₆.

Производство топлива для ядерных реакторов

После обогащения (повышения содержания изотопа урана-235 до 3–5 %) уран перерабатывается в диоксид урана (UO₂), из которого изготавливаются таблетки для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ядерных реакторов. Жёлтый кек, прошедший конверсию и обогащение, является исходным материалом для всего цикла производства ядерного топлива.

Прямое использование в исследовательских целях

В небольших количествах жёлтый кек может использоваться для изготовления мишеней в ускорителях частиц, для получения изотопов медицинского назначения, а также в качестве эталонного материала для аналитических измерений.

Транспортировка и хранение

Жёлтый кек транспортируется в герметичных металлических контейнерах (бочках) объёмом 200–400 литров, которые обеспечивают защиту от утечек и механических повреждений. Перевозка осуществляется в соответствии с правилами перевозки радиоактивных материалов (класс 7 опасных грузов). Хранение жёлтого кека производится на специально оборудованных складах, исключающих попадание влаги и пыли в окружающую среду.

Регулирование и безопасность

Обращение с жёлтым кеком регулируется национальными и международными нормами. В России деятельность, связанная с производством, переработкой и транспортировкой жёлтого кека, контролируется Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом». Продукция подлежит обязательному учёту и контролю, так как может быть использована для производства ядерного оружия (при обогащении урана до 90 % и выше по изотопу уран-235).

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) классифицирует жёлтый кек как «ядерный материал» и требует от стран-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) предоставлять отчётность о его производстве, запасах и перемещениях.

Крупнейшие производители

По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), мировое производство жёлтого кека в 2023 году составило около 50 000 тонн (в пересчёте на уран). Крупнейшими странами-производителями являются:

• Казахстан — около 40 % мирового производства (в основном методом подземного выщелачивания).
• Намибия — около 10 %.
• Канада — около 10 %.
• Австралия — около 8 %.
• Россия — около 5 % (в основном на Приаргунском производственном горно-химическом объединении в Забайкальском крае).

Источники

1. Всемирная ядерная ассоциация (WNA). «Урановое производство и ядерный топливный цикл». — 2023.
2. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). «Справочник по урановой промышленности». — Вена, 2022.
3. Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом». «Технологии ядерного топливного цикла». — М., 2021.
4. Научно-технический сборник «Атомная энергия». — Том 134, выпуск 3, 2023.
5. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии (НП-053-21). — М.: Ростехнадзор, 2021.