«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПОДГОТОВКА НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ (АСПИРАНТУРА)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПОДГОТОВКА НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ (АСПИРАНТУРА)
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________ Долматов О.Ю.
«___»________________2014 г.
ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена
направление подготовки: 14.06.01 Ядерная, тепловая и возобновляемая
энергетика и сопутствующие технологии
профиль: 05.17.02 Технология редких, рассеянных и радиоактивных
элементов (технические науки; химические науки)
Томск 2014
Введение
Настоящая программа охватывает следующие базовые разделы: химия редких и
радиоактивных элементов, физико-химические и технологические основы производства
редких и радиоактивных элементов, химия и технология геохимических спутников редких
металлов, экологические аспекты производства редких металлов и охрана окружающей
среды.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Минобразования России по химии (по химической технологии) при участии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
1. Общие сведения
1. Классификация редких элементов.
2. Роль редких и радиоактивных элементов в развитии важнейших направлений научно-технического прогресса. Области применения в народном хозяйстве. Задачи редкометалльной промышленности. Стоимость и объем производства редкометалльной продукции.
3. Редкометалльное сырье. Распространенность элементов в земной коре. Руды и минералы редких элементов. Рудные месторождения. Природные запасы и перспективы их увеличения. Вторичное сырье. Задачи комплексной переработки сырья. Стоимость и объем производства рудного сырья.
4. Краткая история промышленности редких и радиоактивных элементов России.
Национально-региональный (вузовский) компонент
Общие сведения о промышленных месторождениях руд редких, рассеянных и радиоактивных элементов в Азиатско-Тихоокеанском регионе и соответствующих предприятиях
по их добыче и переработке.
Краткая история организации и развития предприятий атомной промышленности в
Западно-Сибирском и Восточно-Сибирском регионах (Сибирский химический комбинат, Ангарский электролизно-химический комбинат и другие).
Взаимосвязи Томского политехнического университета с предприятиями атомной
промышленности.
2. Химия редких элементов
1. Положение редких и радиоактивных элементов в периодической системе Д.И. Менделеева и их электронное строение.
2. Редкоземельные элементы, лантаноиоды и актиноиды. Явление лантаноидного сжатия. Вторичная периодичность в группе лантаноидов.
3. Радиоактивные семейства.
4. Простые вещества. Основные физические, физико-химические и химические свойства индивидуальных редких элементов.
5. Соединения. Строение, физико-химические и химические свойства важнейших бинарных соединений редких элементов – оксидов, фторидов, хлоридов, гидридов, сульфидов,
карбидов и др., солей – сульфатов, нитратов, фосфатов и др., а также комплексных соединений.
6. Растворы соединений редких элементов Комплексообразование в растворах. Константы устойчивости комплексных ионов. Ряды устойчивости комплексных соединений.
Гидролиз и полимеризация. Окислительно-восстановительные реакции в растворах.
7. Физико-химические методы анализа редких и радиоактивных элементов.
Национально-региональный (вузовский) компонент
Физико-химические свойства фтористого водорода, элементного фтора и других
фторирующих агентов. Фтористые соединения редких, рассеянных и радиоактивных эле2
ментов и их физико-химические свойства. Использование фтористых соединений при
очистке, разделении изотопов, получении чистых металлов.
3. Технология редких элементов
1. Специфика технологии редких и радиоактивных элементов. Принципы построения
технологических схем. Основные переделы. Гидрометаллургия, пирометаллургия и сольвометаллургия. Требования к чистоте редких элементов. Ядерная чистота. Методы повышения
прямого извлечения, снижения норм расхода сырья, энергии и воды при получении редкометалльной продукции. Пути интенсификации производств. Геотехнология и биотехнология
металлов. Обеспечение ядерной безопасности.
2. Важнейшие технологические схемы производства редких и радиоактивных элементов. Основные натуральные показатели технологии. Химия процессов на отдельных стадиях.
Поведение примесей. Аппаратурное оформление. Отходы и методы их обезвреживания. Пути интенсификации производства.
3. Измельчение и обогащение руд. Принципы организации дробления и измельчения.
Дробилки. Мельницы и диспергаторы. Гравитационное, флотационное, магнитное, электростатическое и радиометрическое обогащение. Аппаратура для обогащения. Химическое обогащение руд. Состав и возможные пути использования хвостов.
4. Выщелачивание и растворение. Разновидности выщелачивания. Кинетика выщелачивания. Аппаратура для выщелачивания. Каскады выщелачивания. Механическая переработка выщелоченных пульп - сгущение, отстаивание, декантация, гидроциклонирование.
Спекание концентратов как подготовительная операция к выщелачиванию.
5. Ионнообменная сорбция. Основы и разновидности метода. Классификация ионитов.
Термодинамика ионного обмена. Кинетика ионнообменной сорбции. Динамика сорбции.
Фронтальная, вытеснительная и элюентная хроматография. Сорбционные фильтры, пачуки,
колонны и контакторы. Организация непрерывного процесса. Примеры применения сорбционных процессов. Их возможности для решения проблем защиты окружающей среды и переработки бедного сырья.
6. Экстракция. Физико-химические характеристики процесса. Классификация и строение экстрагентов. Равновесие в экстракционных системах, влияние разбавителей на равновесие. Высаливание. Синергетный эффект. Расчет коэффициентов активности в водной фазе.
Кинетика экстракционных процессов. Основные типы экстракторов -смесители-отстойники,
колонны, виброэкстракторы, центробежные экстракторы. Примеры применения экстракционных процессов. Характеристики процесса с экологических позиций.
7. Осаждение, кристаллизация, перекристаллизация и сушка осадков.Закономерности
процессов. Растворимость оксидов, гидроксидов и фторидов. Промышленные кристаллизаторы. Общие закономерности сушки. Непрерывно действующие сушилки. Сушка пастообразных веществ.Явление соосаждения.Сокристаллизация, адсорбция и окклюзия.
8. Получение оксидов и галогенидов. Термическое разложение гидроксидов и солей.
Принципы газовой металлургии. Реагенты для хлорирования и фторирования. Диффузионнокинетическая теория гетерогенного реагирования. Основные аппараты для высокотемпературных процессов - трубчатые и шахтные печи, реакторы кипящего слоя. Процессы в солевых расплавах. Вспомогательные процессы - пылеулавливание, конденсация и десублимация. Возможности применения плазмотронов. Примеры технологических схем производства
оксидов, фторидов и хлоридов редких металлов. Улавливание галогенов и галогенидов из
отходящих газов.
9. Получение и рафинирование металлов. Общая характеристика методов получения
редких металлов. Металлотермия, силикотермия и карботермия. Восстановление газами.
Тепловой расчет процессов. Аппаратура для металлотермии. Примеры металлотермических
процессов. Электролитическое восстановление. Кинетика процессов. Требования к
электролитам. Конструкции электролизеров. Примеры применения в технологии.
Химическое осаждение из газовой фазы. Равновесие и кинетика восстановления летучих
3
галогенидов из газовой фазы. Порошковая металлургия. Прессование и спекание штабиков
металлов. Электродуговая и электронно-лучевая плавка. Электролитическое рафинирование.
Иодидное рафинирование циркония, транспортные реакции. Принципы утилизации
металлургических отходов. Пути интенсификации процессов получения металлов.
10. Экологические аспекты производства. Законодательные акты в области охраны
природы. Поведение сопутствующих радиоактивных элементов при переработке рудных
концентратов. Виды отходов, методы утилизации ценных компонентов и обезвреживания.
Пути снижения расхода свежей воды в гидрометаллургических производствах. Понятие о
малоотходном производстве и принципах его организации. Воздействие предприятий ядерного топливного цикла на окружающую среду. Способы снижения.
11. Редкие металлы в ядерной энергетике. Ядерный топливный цикл. Ядерное топливо
на основе обогащенного урана и смеси оксидов урана и плутония (МОХ- топливо). Изменение изотопного состава урана, плутония при их рецикле. Переработка отработавшего ядерного топлива. Низко-, средне- и высокоактивные отходы. Кондиционирование отходов. Иммобилизация высокоактивных отходов, их хранение и захоронение. Производство радиоактивных изотопов. Реакторные материалы. Понятие о ядерной чистоте. Радиохимия, ее особенности. Аналитические методы с использованием изотопов.
12. Химия и технология геохимических спутников редких металлов, наиболее широко
представленных в их технологии. Комплексное использование сырья.
13. Технология функциональных и конструкционных материалов на основе редких металлов. Наноматериалы.
Национально-региональный (вузовский) компонент
Уран и торий как ядерное топливо. Ядерные свойства делящихся материалов, характер их взаимодействия с нейтронами. Характеристика продуктов деления, их выход в активной зоне ядерного реактора.
Технология фтористых соединений урана.
Физико-химические основы получения фтористого водорода. Термодинамика и кинетика. Технологические схемы и аппаратура.
Технология элементного фтора. Физико-химические основы получения элементного
фтора методом электролиза, конструкционные материалы и аппаратура.
Физико-химитческие основы получения соединений урана (оксидов, фторидов) разной
степени обогащения «мокрыми» и «сухими» методами, как исходных продуктов для синтеза
гексафторида урана. Технология и аппаратура.
Синтез гексафторида урана. Термодинамика, кинетика, технология, аппаратура и
требования к его качеству.
Технология ядерного топлива из гексафторида урана разной степени обогащения на
основе диоксида и металлического урана. Физико-химические основы и аппаратура.
Технология плутония.
Физико-химические основы химической переработки ТВЭЛ из оксидов и металлического урана. Технология и аппаратура.
Экстракционный метод разделения урана, плутония и продуктов деления. Константы равновесия и коэффициенты разделения. Аппаратурное оформление непрерывной технологической схемы. Очистка плутония от примесей. Получения плутония металлического и
его использование в компонентах ТВЭЛ.
Технологические проблемы удаления и захоронения высокоактивных отходов радиохимических производств.
Технология получения ядерного топлива из высокообогащенного урана и плутония
разной степени обогащения.
Поведение радионуклидов на всех этапах ядерного топливного цикла. Основы ядерной
безопасности.
Технология получения высших фторидов редких металлов на примере: вольмолибдена,
рения, тантала, ниобия.
4
Физико-химические основы газовой металлургии высших фторидов редких элементов.
Основы синтеза озонобезопасных фреонов и фтороорганических соединений.
Новые конверсионные технологии: производство ультрадисперсных порошков (УДП),
высокоэнергетических постоянных магнитов, изотопов и других продуктов.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. «Строение вещества». М.: Высшая школа, 1978.
Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Основы неорганической химии». М.: Мир, 1979.
Кемпбел Дж. «Современная общая химия». М.: Мир, т. 1-3, 1975.
Фролов Ю.Г. «Курс коллоидной химии». М.: Химия, 1982.
Ария С.М., Семенов И.Н. «Краткое пособие по химии переходных элементов» Л.: Из-во
Ленингр. ун-та, 1972.
6. Шварцман Л.А., Жуховицкий А.А. «Начала физической химии для металлургов». М.: Металлургия. 1974.
7. Бесков В.С., Сафронов В.С. «Общая химическая технология и основы промышленной
экологии». М.: Химия, 1999.
8. Соколов Р.С. «Химическая технология». М.: ВЛАДоС, 2000.
9. Дытнерский Ю.И. «Процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, ч. 1,2,
1995.
10. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппаратура химической технологии». М.: Химия,1973.
11. Криворот А.С. «Конструкции и основы проектирования машин и аппаратов химической
промышленности». М.: Машиностроение, 1992.
12. Франк -Каменецкий Д.А. «Диффузия и теплопередача в химической кинетике». М.:
Наука, 1967.
13. Крапивина С.А. «Плазмохимические технологические процессы». Л.: Химия, 1981.
14. Соколов И. П., Пономарев Н.Л. «Введение в металлотермию». М.: Металлургия, 1990.
15. Ритчи Г.М., Эшбрук А.В. «Экстракция. Принципы и применение в металлургии». М.:
Металлургия, 1983.
16. Ягодин Г.А., Каган С.З., Тарасов В.В. и др. «Основы жидкостной экстракции». М.: Химия, 1981.
17. Сб. «Последние достижения в области жидкостной экстракции». Под ред. Хансона К. М.:
Химия, 1974.
18. Шемякин Ф.М., Стенин В.В. «Ионообменный хроматографический анализ металлов». М.:
Металлургия, 1965.
19. Сб. «Гидрометаллургия». Под ред. Ласкорина Б.Н. М., Металлургия, 1971.
20. Болотников Л.Е. «Технологическое проектирование производства редких металлов» М.:
Металлургия, 1973.
21. Раков Э.Г., Хаустов С.В. «Процессы и аппараты производств радиоактивных и редких
металлов». М.: Металлургия, 1993.
22. Борбат В.Ф. «Гидрометаллургия». М.: Металлургия, 1986.
23. Хабаши Ф. «Основы прикладной металлургии». Т. 1 «Теоретические основы». Т.2 «Гидрометаллургия». М.: Металлургия, 1975.
24. «Очистка производственных сточных вод». Под ред. Турского Ю.И-Филиппова И.В. Л.:
Химия, 1967.
25. Кушелев В.П. «Охрана природы от загрязнений промышленными выбросами». М.: 1979.
26. Грушко Я.М. «Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах».
Л.: Химия, 1979.
27. Яковлев С.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н. и др. «Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы и аппараты». М.: Стройиздат, 1985.
28. Набойченко С.С., Юнь А.А. «Расчеты гидрометаллургических процессов». М.: МИСИС,
1995.
5
29. Степин Б.Д., Горштейн И.Г., Блюм Г.З. и др. «Методы получения особо чистых неорганических веществ». Л.: Химия, 1969.
30. Сб. «Строение и свойства адсорбентов и катализаторов». Под ред. Линсена Б.Г. М.: Мир,
1973.
31. Плаксин И.Н., Тэтару Г.А. «Гидрометаллургия с применением ионитов». М.: Металлургия, 1964.
32. Гиндин Л.М. «Экстракционные процессы и их применение». М.: Наука, 1984.
33. Лебедев К.Б., Казанцев Е.И., Розманов В.М. и др. «Иониты в цветной металлургии». М.:
Металлургия, 1975.
34. «Биотехнология металлов». Центр междунар. проектов ГКНТ, М.: 1989.
35. Берестовой А.М. «Жидкостная экстракция в химической промышленности» Л.: Химия,
1977.
36. Зеликман А.Н., Вольдман Г.М., Белявская Л.В. «Теория гидрометаллургических процессов». М.: Металлургия, 1983.
37. «Новое в развитии минерально-сырьевой базы редких металлов». Сб. статей. М.: РАН,
1991.
38. «Минералогия и геохимия редких и радиоактивных металлов». М.: Энергоатомиздат,
1987.
39. Ягодин Г.А., Синегрибова О.А, Чекмарев А.М. «Технология редких металлов в атомной
технике». М.: Атомиздат, 1974.
40. «Химия и технология редких и рассеянных элементов». Под ред. Большакова К.А. М.:
Высшая школа, т. 1-3, 1976.
41. Седов В.М., Завадский М.И. «Технико-экономические основы развития ядерной энергетики». Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1985.
42. Синев Н.М. «Экономика ядерной энергетики». М.: Энергоатомиздат, 1987.
43. Бабаев Н.С., Демин В.Ф., Ильин Л.А. и др. «Ядерная энергетика, человек и окружающая
среда». М.: Энергоатомиздат, 1984.
44. Бегак О.Ю., Нечаев А.Ф., Прояев В.В. «Введение в радиоэкологию». С-ПТИ, СПетербург, 1992.
45. Мосинец В.Н., Грязнов М.В. «Урано добывающая промышленность и окружающая среда». М.: Энергоатомиздат, 1983.
46. Искра А.А., Бахуров В.Г. «Естественные радионуклиды в биосфере». М.: Энергоиздат,
1981.
47. Коган Б.И. «Редкие металлы». М.: Наука. 1978.
48. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. «Металлургия редких металлов». М.: Металлургия, 1991.
49. Финкельштейн Д.Н. «Чистые вещества». М.: Атомиздат, 1975.
50. Уткин Н.И. «Цветная металлургия. Технология отрасли». М.: Металлургия, 1990.
51. Громов Б.В., Савельева В.И., Шевченко В.Б. «Химическая технология облученного ядерного топлива». М.: Энергоатомиздат, 1983.
52. Бенедикт М., Пигфорд Т. «Химическая технология ядерных материалов». М.: Из-во гл.
упр. по использ. атомн. энергии, 1960.
53. Зеликман А.Н. «Металлургия тугоплавких редких металлов». М.: Металлургия, 1986.
54. Hayes Peter. «Process Selection in Extractive Metallurgy». Hayes Publ. Co., Australia, 1985.
55. Громов Б.В. « Введение в химическую технологию урана». М.: Атомиздат, 1978.
56. «Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке». Тезисы докладов Межд. симпозиума, М.: 1998.
57. Коровин С.С., Зимина Г.В., Резник А.М. и др. «Редкие и рассеянные элементы. Химия и
технология». М.: МИСИС, т. 1 - 1996; т. 2 - 1999; т. 3 - 2002.
58. Зеликман А.Н., Меерсон Г.А. «Металлургия редких металлов». М.: Металлургия, 1973.
59. Коленкова М.А., Крейн О.Е. «Металлургия рассеянных и легких редких металлов». М.:
Металлургия, 1977.
60. Землянухин В.И., Ильенко Е.И., Кондратьев Л.Н. и др. «Радиохимическая переработка
ядерного топлива АЭС». М.: Энергоатомиздат, 1989.
6
61. Несмеянов А.Н. «Радиохимия». М.: Химия, 1972.
62. Нефедов В.Д., Текстер Е.Н., Торопова М.А. «Радиохимия». М.: Высшая школа, 1987.
63. Вдовенко В.М. «Современная радиохимия». М.: Атомиздат, 1969.
64. Емельянов В.С., Евстюхин А.И. «Металлургия ядерного горючего». М.: Атомиздат, 1964.
65. Шведов В.П., Седов В.М., Рыбальченко И.Л., Власов И.Н. «Ядерная технология». М.:
Атомиздат, 1979.
66. Синицын Н.М., Корпусов Г.В., Зайцев Л.М. и др. «Химия долгоживущих осколочных
элементов». М.: Атомиздат, 1970.
67. Захаров Е.И., Рябчиков Б.Е., Дьяков В.С. «Ионообменное оборудование атомной промышленности», М.: Энергоатомиздат, 1987.
68. Дмитриев С.А. «Обращение с радиоактивными отходами». РХТУ им. Д.И. Менделеева,
2000.
69. Доерфель K. «Статистика в аналитической химии». М.: Мир. 1969.
70. Бусев А.И., Типцова В. Г., Иванов В.М. «Руководство по аналитической химии редких
металлов». М.: Химия, 1978.
71. Морачевский Ю.В., Церковницкая И.Я. «Основы аналитической химии редких элементов». Л.: Из-во Ленингр. ун-та, 1980.
72. Михельсон В.С. «Элементы вычислительной математики». М.: Высшая школа, 1966.
73.Финни Д. «Введение в теорию планирования экспериментов». М.: Наука, 1970.
74. Крешков А.П. «Основы аналитической химии». М.: Химия, т. т. 1,2 - 1976, т. 3 - 1977.
75. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О. Заборенко К.Б., Иофа Б.З. «Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода». М.: Высшая школа, 1975.
Программа кандидатского экзамена по профилю подготовки 05.17.02 «Технология редких,
рассеянных и радиоактивных элементов» (направление подготовки 14.06.01 «Ядерная, тепловая и возобновляемая энергетика и сопутствующие технологии») составлена на основе
программы-минимума кандидатского экзамена по специальности 05.17.02 «Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов» по химическим и техническим наукам, утвержденной приказом Минобрнауки России от 08 октября.2007 года № 274.
Программа соответствует требованиям Федерального закона «Об образовании в Российской
Федерации» № 273-ФЗ от 29.12.2012 и Федеральному государственному образовательному
стандарту высшего образования по направлению подготовки 14.06.01 Ядерная, тепловая и
возобновляемая энергетика и сопутствующие технологии (уровень подготовки кадров высшей квалификации) (приказ Минобрнауки России от 30.07.2014 № 879).
Дополнительная программа утверждена Ученым советом ФТИ:
протокол 44 от «25» ноября 2014 г
Программа вступительных испытаний в аспирантуру одобрена на заседании кафедры «Химическая технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов»:
протокол № 38 от «18 » ноября 2014 г.
Составитель: научный руководитель программы аспирантской подготовки
д-р хим. наук, профессор
И.И. Жерин
7