Содержание статьи

УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Уран – это основной энергоноситель ядерной энергетики, вырабатывающей около 20% мировой электроэнергии. Урановая промышленность охватывает все стадии производства урана, включая разведку месторождений, их разработку и обогащение руды. Переработку урана в топливо для реакторов можно рассматривать как естественную отрасль урановой промышленности.

Ресурсы.

Общемировые достаточно надежно разведанные ресурсы урана, который можно было бы выделить из руды по себестоимости не выше 100 долл. за килограмм, оцениваются приблизительно в 3,3 млрд. кг U 3 O 8 . Примерно 20% этого (ок. 0,7 млрд. кг U 3 O 8 , см . рисунок) приходится на Австралию, за которой следуют США (ок. 0,45 млрд. кг U 3 O 8). Значительными ресурсами для производства урана располагают ЮАР и Канада.

Урановое производство.

Основные этапы производства урана – это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U 3 O 8 , называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л.

Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек.

Переработка урана в ядерное топливо.

Концентрат природного урана – желтый кек – это исходный компонент ядерного топливного цикла. Для превращения природного урана в топливо, соответствующее требованиям ядерного реактора, нужны еще три этапа: преобразование в UF 6, обогащение урана и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).

Преобразование в UF6.

Для преобразования оксида урана U 3 O 8 в гексафторид урана UF 6 желтый кек обычно восстанавливают безводным аммиаком до UO 2 , из которого затем с помощью плавиковой кислоты получают UF 4 . На последнем этапе, действуя на UF 4 чистым фтором, получают UF 6 – твердый продукт, возгоняющийся при комнатной температуре и нормальном давлении, а при повышенном давлении плавящийся. Пять крупнейших производителей урана (Канада, Россия, Нигер, Казахстан и Узбекистан) вместе могут давать 65 000 т UF 6 в год.

Обогащение урана.

На следующем этапе ядерного топливного цикла повышается содержание U-235 в UF 6 . Природный уран состоит из трех изотопов: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) и U-234 (0,01%). Для реакции деления в ядерном реакторе необходимо более высокое содержание изотопа U-235. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. (Энергия, затрачиваемая на обогащение урана, измеряется в единицах разделительной работы, ЕРР.)

При газодиффузионном методе твердый гексафторид урана UF 6 переводят понижением давления в газообразное состояние, а затем прокачивают по пористым трубкам из специального сплава, сквозь стенки которых газ может диффундировать. Поскольку масса атомов U-235 меньше, чем атомов U-238, они легче и быстрее диффундируют. В процессе диффузии газ обогащается изотопом U-235, а газ, прошедший по трубкам, обедняется. Обогащенный газ снова пропускают по трубкам, и процесс продолжается до тех пор, пока содержание изотопа U-235 в отборе не достигнет уровня (3–5%), необходимого для работы ядерного реактора. (Для оружейного урана требуется обогащение до уровня свыше 90% U-235.) В отходах обогащения остается лишь 0,2–0,3% изотопа U-235. Газодиффузионный метод характеризуется высокой энергоемкостью. Заводы, основанные на этом методе, имеются только в США, во Франции и в КНР.

В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF 6 приводится в очень быстрое вращение. Благодаря различию в массе атомов, а следовательно, и в центробежных силах, действующих на атомы, газ вблизи оси вращения потока обогащается легким изотопом U-235. Обогащенный газ собирается и экстрагируется.

Изготовление твэлов.

Обогащенный UF 6 поступает на завод в 2,5-т стальных контейнерах. Из него гидролизом получают UO 2 F 2 , который затем обрабатывают гидроксидом аммония. Выпавший в осадок диуранат аммония отфильтровывают и обжигают, получая диоксид урана UO 2 , который прессуют и спекают в виде небольших керамических таблеток. Таблетки вкладывают в трубки из циркониевого сплава (циркалоя) и получают топливные стержни, т.н. тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют примерно по 200 штук в законченные топливные сборки, готовые для использования на АЭС.

Отработанное ядерное топливо сильно радиоактивно и требует особых мер предосторожности при хранении и удалении в отходы. В принципе его можно переработать, отделив продукты деления от остатков урана и плутония, которые повторно могут служить ядерным топливом. Но такая переработка дорого стоит и соответствующие коммерческие предприятия имеются лишь в некоторых странах, например во Франции и Великобритании.

Объем производства.

К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе.

В природном уране содержится три изотопа урана: 238 U (массовая доля 99,2745 %), 235 U (доля 0,72 %) и 234 U (доля 0,0055 %). Изотоп 238 U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции , в отличие от редкого 235 U. В настоящее время 235 U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия . Однако для многих применений доля изотопа 235 U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.

Причины обогащения

Цепная ядерная реакция подразумевает, что хотя бы один нейтрон из образованных распадом атома урана будет захвачен другим атомом и, соответственно, вызовет его распад. В первом приближении это означает что нейтрон должен «наткнуться» на атом 235 U раньше чем покинет пределы реактора. Значит, конструкция с ураном должна быть достаточно компактной чтобы вероятность найти следующий атом урана для нейтрона была достаточно высока. Но по мере работы реактора 235 U постепенно выгорает, что уменьшает вероятность встречи нейтрона и атома 235 U, что вынуждает закладывать в реакторах определённый запас этой вероятности. Соответственно, низкая доля 235 U в ядерном топливе вызывает необходимость в:

• большем объёме реактора, чтобы нейтрон дольше в нём находился;
• бóльшую долю объёма реактора должно занимать топливо, чтобы повысить вероятность столкновения нейтрона и атома урана;
• чаще требуется перезагружать топливо на свежее, чтобы сохранять заданную объёмную плотность 235 U в реакторе;
• высокой доле ценного 235 U в отработавшем топливе.

В процессе совершенствования ядерных технологий были найдены экономически и технологически оптимальные решения, требующие повышения содержания 235 U в топливе, то есть обогащения урана.

В ядерном оружии задача обогащения практически такая же: требуется чтобы за предельно короткое время ядерного взрыва максимальное число атомов 235 U нашли свой нейтрон, распались и выделили энергию. Для этого нужна предельно возможная объёмная плотность атомов 235 U, достижимая при предельном обогащении.

Степени обогащения урана

Природный уран с содержанием 235 U 0,72 % находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).

Уран с содержанием 235 U до 20 % называют низкообогащённым (англ. Low enriched uranium, LEU ). Уран с обогащением 2-5 % в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру. Уран с обогащением до 20 % используется в исследовательских и экспериментальных реакторах.

Уран с содержанием 235 U свыше 20 % называют высокообогащённым (англ. Highly enriched uranium, HEU ) или оружейным . На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90 %. Высокообогащённый уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (то есть с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах.

В отвалах обогатительных производств остаётся обеднённый уран с содержанием 235 U 0,1-0,3 %. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обеднённого урана. В будущем предполагается использование обеднённого урана в реакторах на быстрых нейтронах , где не поддерживающий цепную реакцию Уран-238 может трансмутировать в Плутоний-239 , поддерживающий цепную реакцию. Полученное MOX-топливо может быть использовано в традиционных энергетических реакторах на тепловых нейтронах .

Технологии

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования . Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Производство обогащённого урана в мире

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU ). Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report с прогнозом развития.

Страна	Компания, завод	2012	2013	2015	2020
Россия

За 70 лет атомной эры были опробованы разные технологии разделения изотопов урана. В итоге победила одна – центрифужная. На подходе, возможно, еще более совершенный процесс – лазерный. При этом эффективность способов обогащения возрастает настолько, что в условиях глобализации это становится небезопасно. Мы публикуем обзор всевозможных технологий обогащения, а также их сравнительный анализ.

В последние годы обозначились серьезные изменения производственной базы обогащения урана. Франция, США, Китай переходят на новые для них технологии разделения – центрифужные. Другие ведущие поставщики (Росатом, URENCO) осуществляют модернизацию, перегруппировку и увеличение своих разделительных заводов – самых эффективных в мире. Южная Корея активизировала попытки войти в клуб крупных поставщиков услуг по обогащению, то же предполагает ядерная программа Индии, которая до сих пор обходилась незначительными мощностями разделения. Не исключено, что по пути внедрения новых эффективных технологий разделения изотопов пойдут и другие страны, имеющие опыт в этой области и планы расширения атомной отрасли, такие как ЮАР, Бразилия, Иран, Пакистан и другие. Наконец, ближе к внедрению подошла технология разделения изотопов с помощью лазера, которую многие считают процессом следующего поколения. Рост эффективности обогащения урана и освоение новых технологий ставят на повестку дня новые вопросы, связанные с конкуренцией на рынке ОУП и нераспространением.

ПОДХОДЫ

Первые способы разделения изотопов были предложены задолго до освоения атомной энергии. Поскольку изотопы одного элемента мало отличаются по химическим свойствам, большинство методов их сепарации основано на физических процессах. Значительная часть физических методов разделения так или иначе использует некоторую количественную разницу поведения изотопов и их химических соединений под действием инерции / гравитации. Однако некоторые базируются на других явлениях, например, разделение изотопов урана с помощью лазера. Технологии разделения в общем более эффективны для легких элементов и менее – для тяжелых, таких как актиноиды, что связано, в частности, с разным соотношением масс изотопов: у легких элементов этот показатель гораздо больше, что упрощает их сепарацию физическими методами. Например, у первых элементов таблицы Менделеева массы изотопов отличаются на десятки и сотни процентов, в то время как у U 235 и U 238 – только на 1,27 %, причем для соединений урана, в которых осуществляется разделение, разница еще меньше. Уран имеет и другие недостатки с точки зрения изотопного обогащения, такие как отсутствие выбора стабильных газообразных соединений, необходимых для большинства процессов разделения: в промышленных технологиях используется по сути одно такое соединение – гексафторид урана (в чистом виде или редко в смеси с другими веществами). UF 6 наиболее удобен для изотопного разделения урана в силу приемлемых условий фазовых переходов (сублимация при атмосферном давлении и температуре примерно 56 °C) и отсутствия у фтора изотопов, что упрощает процесс разделения. Однако гексафторид урана отличается высокой химической активностью и токсичностью, а это предъявляет особые требования к безопасности производства и транспортировки.

Эффективность разных методов разделения одних и тех же изотопов может сильно отличаться по разным параметрам. Выбор конкретного способа обогащения зависит от приоритетов страны и от исторических и политических условий. Применявшиеся в разное время промышленные способы обогащения урана включают электромагнитную сепарацию, термодиффузионный метод, центрифугирование, газовую диффузию, аэродинамическую сепарацию. Эти способы наиболее эффективны именно для урана. Для других веществ применяются в промышленном масштабе и иные методы разделения, которые бывают на порядок более эффективны. Например, для разделения изотопов водорода или лития, которое может применяться в процессе производства тяжелой воды и термоядерного оружия, используются принципы, основанные на значительно бóльших различиях изотопных характеристик этих легких элементов.

РАЗРАБОТКА

Все использовавшиеся промышленные принципы разделения изотопов урана разработаны много десятилетий назад, большинство из них – в 1940 – 1950-е годы. Внедрение изотопного обогащения урана в промышленном масштабе впервые началось в середине 1940-х годов в США и во второй половине того же десятилетия в СССР. Американцы в рамках программы создания атомного оружия – так называемого Манхэттенского проекта – рассматривали разные способы обогащения изотопом урана-235, однако остановились на трех технологиях разделения, которые было решено внедрять одновременно – газодиффузионный и электромагнитный методы, а также термодиффузия. Три завода, каждый из которых использовал одну из этих технологий, были построены в 1943 – 1945 годах на соседних площадках в Окридже, штат Теннеси. В силу различий в технической эффективности разделения, достигнутой на том этапе каждым из этих объектов, а также спешки с реализацией Манхэттенского проекта, между технологиями было установлено «разделение труда»: с помощью термодиффузии получали слабообогащенный уран, который направлялся на дообогащение на газодиффузионный завод и доводился до оружейного (по сегодняшним меркам низкого) качества в электромагнитных сепараторах. Это позволило уже к лету 1945 года получить необходимое количество оружейного урана для одного из трех ядерных боезарядов, созданных до августа.

СССР первоначально сделал ставку на две технологии обогащения урана: газовую диффузию и электромагнитную сепарацию. Между ними было также установлено разделение функций, наподобие использованного американцами: уран из газодиффузионных машин доводился до высокой степени обогащения электромагнитным способом. Первый газодиффузионный завод был построен в 1945 – 1949 годы в районе поселка Верх-Нейвинск Свердловской области (в настоящее время здесь расположен УЭХК), а электромагнитные сепараторы – в 1947–1950 годах недалеко от поселка Нижняя Тура в том же регионе (сегодня – «Электрохимприбор»).

Великобритания – страна, создавшая ядерное оружие третьей, – использовала газовую диффузию для обогащения урана: завод, использующий эту технологию, был открыт в 1952 году в Кейпенхерсте.

Во всех трех государствах на первом этапе столкнулись с «болезнями роста» на газодиффузионных заводах: существенными потерями гексафторида урана, недообогащением сырья до нужного уровня, быстрым выходом из строя делителей и так далее. Однако в 1950-е годы удалось поднять эффективность газовой диффузии и получать с ее помощью уран оружейного качества. Это позволило отказаться от электромагнитной сепарации и термодиффузии как менее эффективных методов. Таким образом, в эпоху первоначального накопления оружейных материалов ядерными державами (не только в США, СССР и Великобритании, но и во Франции и Китае) в мире господствовала газодиффузионная технология.

Также в 1940-е годы были предприняты первые попытки разработать промышленную технологию центробежного разделения изотопов урана. В США создали несколько моделей центрифуг, которые, однако, как и ряд других концепций, не были внедрены в ходе Манхэттенского проекта. Применение этой технологии в промышленном масштабе в США началось лишь в 2010 году, а до этого на протяжении шести десятилетий американцы практически полностью опирались на газодиффузионный метод, равно как и Франция, которая приступила к замене газодиффузионных мощностей лишь в последние годы.

Пионером освоения центробежного метода оказался СССР, ученые которого после войны разработали ряд концепций центрифуг. Их интенсивное промышленное внедрение началось с конца 1950-х годов и велось параллельно с дальнейшим развертыванием газодиффузионной технологии, а с 1970-х годов – полностью сменило ее. В начале 1970-х годов на центрифужное обогащение стали переходить некоторые европейские страны: компания URENCO, созданная совместно Великобританией, Нидерландами и энергокомпаниями тогда еще ФРГ, построила в этих государствах разделительные заводы, которые отчасти стали работать на международный рынок обогащения урана, возникший незадолго до этого. В дальнейшем в разные периоды времени центрифуги внедрялись также в Японии, Индии, Пакистане, Бразилии, Китае, Иране. К сегодняшнему дню эта технология повсеместно вытеснила газовую диффузию.

Германия, ЮАР и Бразилия рассматривали, наряду с прочими вариантами, внедрение более экзотического принципа разделения – аэродинамической сепарации. Пилотные установки, использующие эту технологию, были построены в 1970-х годах в ФРГ (в ядерном центре в Карлсруэ) и в Южно-Африканской республике (Валендаба), которая таким образом пыталась обойти международные санкции и создать собственное обогащение урана для своей военной и энергетической ядерной программы. Эту же технологию с похожими целями в тот период пыталась внедрить Бразилия, но позже отдала предпочтение центрифугам. Отказавшись от ядерно-оружейных планов, ЮАР и Бразилия больше не находили смысла в развитии этой технологии в силу ее экономической неэффективности. Такое же соображение оттолкнуло от внедрения этого процесса и ФРГ.

В разных странах велись исследования и по другим принципам обогащения урана, в том числе использующим химические изотопные эффекты и лазер, однако они не вылились во внедрение таких технологий хотя бы в ограниченном масштабе.

РАСКРУТКА

В первые десятилетия атомной эры – в период первоначального накопления оружейных материалов – приоритетной задачей была максимизация объема производства U 235 . Экономика процесса играла второстепенную роль. Поэтому предпочтение было отдано технологии газовой диффузии, способной обеспечить массовое обогащение, пусть и с огромными затратами. При этом гонка вооружений, темп, взятый Соединенными Штатами в наращивании ядерного потенциала, требовал от СССР существенного увеличения объемов обогащения. Между тем Советский Союз испытывал недостаток энергетических мощностей для газовой диффузии, особенно в энергосистемах Европы и Урала, где сосредоточена значительная часть населения и экономического потенциала, а значит, и потребления электроэнергии. Это, наряду с другими факторами, мешало Советскому Союзу на первых порах добиться ядерного паритета с Соединенными Штатами, которые обладали значительно большим энергетическим и экономическим потенциалом и резервами мощности.

В том числе для решения этой проблемы в СССР первоначально закладывались сибирские ГЭС, и в Сибири же были построены новые мощности по обогащению урана. Спроектированные тогда гидростанции, на тот момент крупнейшие в мире, были призваны обеспечить базовой энергией, в том числе новые газодиффузионные заводы. Однако решением, позволившим развязать проблемный узел, стало внедрение центрифужных технологий. На том этапе СССР существенно опередил остальные государства в модернизации сферы обогащения урана. Хотя ряд стран, например США, Франция, Италия, Швеция и другие, и рассматривали возможность внедрения центробежной технологии, но в XX веке не вывели ее за пределы опытных установок. В СССР монтаж первых промышленных центрифуг начался в конце 1950-х годов, в 1960-е годы их массовое внедрение происходило параллельно с наращиванием газодиффузионных мощностей, а позже началась широкомасштабная замена газовой диффузии. Этот переход позволил частично решить энергетическую проблему, оптимизировав затраты ресурсов, но в еще большей мере – поднять производительность обогащения. Таким образом, дефицит ресурсов и гонка вооружений сыграли важнейшую роль в том, что СССР выстроил наиболее эффективный в мире обогатительный комплекс, опередив западные страны в области промышленного внедрения центрифуг минимум на полтора десятилетия.

Переход СССР на центрифужные технологии держался в секрете, и Запад на первом этапе его не заметил, хотя о советских НИОКР в сфере центрифуг в 1950-е годы было хорошо известно, в частности, от сотрудников М. Штеенбека, оказавшихся на Западе. Так, в сверхсекретном совместном докладе разведывательных служб США о советской ядерной программе, представленном руководству страны в 1965 году, нет ни слова о центрифугах. Как следует из документа, рассекреченного три года назад, американская разведка исходила из применения в СССР исключительно газодиффузионных технологий обогащения урана. Все оценки состояния и прогнозы перспектив разделения в последующее десятилетие базировались также только на развитии газовой диффузии. При этом, как отмечается в документе, специалисты ЦРУ и других служб основывают выводы о мощностях советских разделительных заводов (локализация которых установлена верно) «преимущественно на оценках потребления электроэнергии и эффективности предприятий». Учитывая, что в период подготовки доклада американской разведки СССР полным ходом осуществлял первый этап массового внедрения центрифуг, оценки на основе показателей энергорасхода и эффективности газодиффузионного процесса, очевидно, приводили ко все более заниженным выводам относительно масштабов производства обогащенного урана в Советском Союзе – фактическим и тем более перспективным.

Тот факт, что американцы вовремя не заметили качественной модернизации обогатительного комплекса СССР, породил, очевидно, некоторую самоуспокоенность и сыграл роль в консервации неэффективной модели обогащения в США. Пока СССР и Европа интенсивно переходили на центрифужные технологии, США, хоть и проводили НИОКР по этой тематике, в то же время продолжали рассматривать расширение газодиффузионных заводов: достаточно сказать, что в 1970-е годы появились и стали осуществляться планы увеличения их мощности с 17 млн ЕРР до примерно 28 млн ЕРР с тем, чтобы обеспечивать потребности не только американской энергетики, но и АЭС других западных стран. Между тем три действовавших в то время в США газодиффузионных завода потребляли 6 – 7 ГВт электрической мощности в круглосуточном базовом режиме.

Европа опередила США в выстраивании эффективного обогатительного комплекса прежде всего благодаря развитию ядерной генерации и возникновению в связи с этим в конце 1960-х годов рынка обогащения. Выход обогащения из военной сферы в гражданскую рыночную потребовал повышения экономической эффективности процесса изотопного разделения как крупнейшей составляющей цены ядерного топлива. Это стало благоприятной почвой, в которую упало «центрифужное зерно». Не случайно именно тогда – в начале 1970-х годов – и возникла URENCO. Таким образом, если в СССР переход на центрифужные технологии поначалу стимулировался в основном военными потребностями, то на Западе – в первую очередь требованиями гражданской ядерной энергетики.

Осмыслив, наконец, эти тенденции, Вашингтон на границе 1970 – 1980-х годов активизировал научные исследования в сфере обогатительных технологий, намереваясь найти перспективную замену газовой диффузии. В конце 1970-х годов было принято решение о строительстве центрифужного завода мощностью около 9 млн ЕРР в Пайктоне, штат Огайо. Однако в середине 1980-х годов эти планы отменили.

ПОДСВЕТКА

Как видно, 30 – 40 лет назад США задумали одним махом наверстать отставание в технологиях обогащения с помощью создания самых производительных в мире центрифуг и последующим переходом к технологии следующего поколения – лазерной. Однако ни того, ни другого не получилось. Неблагоприятная конъюнктура энергетических рынков (основным потребителем ЕРР в 1980-е годы уже была ядерная энергетика) и ситуация с ядерными программами (в 1980 – 1990-е годы были свернуты десятки проектов сооружения АЭС в США и других странах) не способствовали огромным капиталовложениям в замену разделительных заводов. В итоге в XXI веке Вашингтон, отстав уже от всех лидеров по обогащению урана, опустился на землю и решил внедрять самые разные технологии на деньги частных инвесторов – американские центрифуги, модели URENCO и, наконец, лазерное обогащение.

Эксперименты с лазерным обогащением начались более 40 лет назад и проводились во многих странах: в США, СССР, Германии, ЮАР, Японии, Франции, Австралии, Израиле и других. Наибольший размах эти работы имели в США, где они велись в том числе в рамках программы Минэнерго по исследованию инновационных методов разделения изотопов. Принцип разделения с помощью лазера прорабатывали в те годы Лос-Аламосская национальная лаборатория, Окриджская национальная лаборатория, Ливерморская национальная лаборатория, исследовательская лаборатория Avco-Everett совместно с нефтяной компанией Exxon и другими. К основным технологиям, которые тогда исследовались, относятся AVLIS и MLIS.

В середине 1980-х годов в качестве технологии для перспективного внедрения была выбрана AVLIS. Однако в 2000 году компания USEC, бывшая государственная, а впоследствии частная, отказалась от лазерного разделения, вернувшись к рассмотрению центробежных методов обогащения. Позже планы внедрения лазера в процесс обогащения появились у других компаний. В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Проект, допускающий обогащение урана до 8 %, базируется на лазерной технологии SILEX, разработанной официально в Австралии; право на ее внедрение в США получено в 2006 году у австралийской компании Silex Systems в обмен на выплату периодических бонусов. Кроме того, в начале 2013 года GLE предложила Минэнерго обсудить возможность строительства на территории ныне остановленного газодиффузионного завода в Падьюке, штат Кентукки, предприятия по обогащению хвостов гексафторида урана на основе лазерной технологии. В настоящее время GLE осуществляет программу строительства и эксплуатации демонстрационной установки, использующей технологию SILEX. Согласно отчетам компании, демонстрационная программа осуществляется по плану и находится на этапе демонстрации технической состоятельности технологии. За этим последует доводка демонстрационной установки с целью определить экономические показатели будущего промышленного предприятия.

Между тем именно экономика лазерного обогащения – один из ключевых пунктов, вызывающих вопросы у специалистов. Техническая осуществимость сепарации изотопов урана с помощью лазера была доказана лет сорок назад, демонстрационные установки строились и раньше (например, подобная линия была пущена в 1990-е годы в Ливерморской национальной лаборатории и давала небольшие партии продукции по технологии AVLIS). Однако экономическая эффективность таких процессов неоднократно ставилась под сомнение. Заявления о скором внедрении лазерных технологий и даже о конкретных планах строительства «вот-вот» заводов по лазерному разделению тоже звучали уже не раз, начиная с 1970-х годов, но заканчивались ничем. Будет ли иначе в этот раз – покажут ближайшие годы.

ГЛОБАЛИЗАЦИЯ

В последние десятилетия ведущие ядерные державы поочередно свернули широкомасштабную наработку оружейного урана. Отчасти потому, что нашли ему эффективные замены, а частично оттого, что, накопив оружейных материалов всякого рода в количествах, достаточных для уничтожения человечества десятки раз, стали приходить к мысли, что нескольких раз, пожалуй, будет вполне достаточно. И начался обратный процесс – перевода сотен тонн высокообогащенного урана в низкообогащенный.

Параллельно с этим, и в какой-то мере благодаря этому, роль ядерной энергетики как потребителя услуг по обогащению возросла до определяющей. А ядерная генерация – это коммерческий вид деятельности, который особенно требует оптимизации стоимости конечного продукта. Спрос на разделение изотопов урана стал диктовать условия: необходимость удержания цены ЕРР на приемлемом уровне. Переход обогащения из военно-стратегической категории во все более рыночную в конце концов похоронил газовую диффузию. Теперь соревнование разворачивается между центрифужными технологиями, а впоследствии может возникнуть конкуренция и самим центрифугам – со стороны того же лазерного способа разделения изотопов.

Словом, если в первые десятилетия освоения атомной энергии обогащали, не считаясь с ценой, то позже на первый план выдвинулась экономика процесса. В результате совершенствования технологий их эффективность возрастает настолько, что это становится небезопасным. Возникает парадокс: технологии многократно усложнились и достигли высокой степени совершенства, но при этом перестали быть эксклюзивом. Их получили страны, далеко не относившиеся к числу развитых, а подчас стабильных и предсказуемых (Пакистан, Иран, Бразилия, Аргентина). И многие эксперты не без оснований опасаются, что расширение «ядерного клуба» не закончено. И если крупный газодиффузионный завод трудно построить и невозможно скрыть, а центрифуги требуют большой возни, чтобы результативно использовать их не по заявленному мирному назначению, то лазерные технологии могут стать особого рода «ядерным чемоданчиком». Для кого-то его эффективность и компактность может оказаться гораздо важнее стоимости. Получается, что перейдя с военных рельсов на рыночные, технологии обогащения урана сами становятся товаром – для тех покупателей, кто не считается с ценой.

ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА

Термодиффузия
Принцип термодиффузии состоит в использовании небольшой разницы концентраций легких и тяжелых изотопов в зонах с разными температурами – в нагретой области содержание легких молекул несколько возрастает. Термодиффузия возможна как в газовой, так и в жидкой фазах. В США этот принцип был использован в варианте жидкостной термодиффузии в специальных колоннах, в каждой из которых создавалась разность температур между нагреваемым сердечником и охлаждаемыми водой стенками, а также конвекция. Наложение двух этих процессов обеспечивало повышение концентрации и отбор U 235 в верхней части колонны, а U 238 – в нижней. Более 2,1 тыс. таких колонн были смонтированы к началу 1945 года на одной из площадок в Окридже. Колонны представляли собой установки высотой 14 метров, состоящие из трех слоев: двух коаксильных труб – внутренней медной и внешней никелевой, заключенных в наружную оболочку из нержавеющей стали. Медная труба служила паропроводом, между медной и никелевой трубами подавался под давлением гексафторид урана; между никелевой трубой и стальной оболочкой циркулировала охлаждающая вода. На таких установках осуществлялось первоначальное обогащение урана до уровня около 1 %, затем сырье поступало на газодиффузионные каскады, расположенные на соседней площадке. Эта технология требовала огромных удельных энергозатрат – гораздо выше газовой диффузии (площадка получала электроэнергию и технологический пар для нагрева сердечников от крупнейшей в то время в мире ТЭЦ, расположенной рядом) – и была сопряжена с повышенными рисками коррозии установок и утечки. Учитывая к тому же низкую эффективность этого способа, его применение оправдывалось лишь относительной технической простотой, а также спешкой с наработкой оружейных материалов в последний год войны. Не удивительно, что термодиффузионный завод проработал всего около года.

Электромагнитная сепарация
Электромагнитный способ разделения изотопов основан на различии удельных зарядов их ионов (соотношения величины заряда и массы). При этом методе осуществляется испарение и ионизация вещества, ионы разгоняются магнитным полем по кривой траектории и улавливаются специальными сборниками, поставленными под углами к ионному пучку. При этом радиус кривизны траектории тяжелых ядер, как правило, несколько больше (отличия могут исчисляться миллиметрами). Электромагнитный сепаратор по сути представляет собой разновидность масс-спектрометра, применяемого в лабораторных условиях. Этот метод стал исторически первой промышленной технологией обогащения урана: подобные установки, названные калютронами, начали эксплуатироваться в США в конце 1943 года на построенном в Окридже разделительном заводе Y-12, где в ходе Манхэттенского проекта применялись две серии таких машин, работавших последовательно – более производительные калютроны второй серии дообогащали уран за машинами первой, а также за соседними термодиффузионным комплексом S-50 и газодиффузионным заводом K-25. В отличие от газовой диффузии, принципы устройства калютронов не были новостью ни для США, ни для СССР, поскольку были во многом схожи с применявшимися до войны циклотронами. В США разработку калютронов вел Эрнест Лоуренс – создатель первого в мире циклотрона. В СССР начиная с 1930-х годов строились циклотроны и другие виды ускорителей, в том числе действовал крупнейший за пределами США циклотрон Радиевого института в Ленинграде. Промышленные калютроны отличались очень высоким коэффициентом разделения (оружейный уран мог получаться за два-три прохода через электромагнитные сепараторы), но низким объемом производства (несколько граммов высокообогащенного урана в сутки). К недостаткам метода относятся высокая трудоемкость и необходимость частой остановки процесса для очистки мишеней, а также высокая энергоемкость. По этим причинам от электромагнитной сепарации быстро отказались как от способа обогащения урана в промышленном масштабе. Однако продолжилось использование этого метода для получения небольших количеств активных и стабильных изотопов.

Газодиффузионный метод
Суть метода заключается в использовании различий в скорости проникновения изотопов урана через микропористые перегородки. Поскольку U235 преодолевает такое препятствие с несколько большей среднестатистической скоростью, за перегородкой образуется повышенное (на 0,3 – 0,4 % от цифры концентрации) содержание легкого изотопа. Нужная степень обогащения достигается выстраиванием каскадов с тысячами ступеней. Этот метод позволяет получить уран с очень широким и дробным спектром степеней обогащения (практически любые значения от слабообогащенного до оружейного), но требует огромных энергозатрат – порядка 2,4 – 2,5 тыс. кВт. ч / ЕРР, что среди прочего делает текущую стоимость производства очень высокой. Капитальные затраты также чрезвычайно велики, поскольку для крупных газодиффузионных заводов необходимы строительство производственных площадей, измеряемых миллионами квадратных метров, массовый монтаж мощных компрессоров, обеспечение пониженного давления в огромной цепи оборудования, применение ряда дорогостоящих материалов и т. д. Первый в мире промышленный газодиффузионный завод был построен к весне 1945 года на площадке K-25 в Окридже. Последний крупный комплекс такого рода – в Падьюке, штат Кентукки в США, был окончательно остановлен в середине нынешнего года.

Центробежное обогащение
Принцип центрифугирования заключается в разделении изотопов в газообразной фазе с помощью центробежных сил, возникающих в роторе, вращающемся с частотой 50 – 100 тыс. оборотов в минуту и более. На периферии ротора возникают зоны повышенной плотности газа, где концентрация тяжелых изотопов выше, а в центре – зоны пониженной плотности с превышением содержания легких изотопов. Кроме того, в центрифуге создается осевая циркуляция газа (противотоки вдоль периферии и центральной части), которая существенно повышает эффективность этого метода и позволяет осуществлять регулярный отбор газа. Для урана центрифугирование является наиболее технически и экономически эффективным из применяемых сегодня промышленных методов обогащения. У центрифуги имеется ряд преимуществ над другими используемыми методами разделения изотопов урана. Так, в отличие от других способов, разделение в роторе осуществляется в условиях термодинамического равновесия, что снижает необходимость дополнительных энергозатрат. На центрифугирование расходуется в десятки раз меньше энергии (50 – 60 кВт. ч / ЕРР), чем на газовую диффузию. Кроме того, эффективность центробежного метода пропорциональна абсолютной разнице масс изотопов, в отличие от других способов обогащения, в которых результативность процессов прямо связана с отношением этих масс. Коэффициент разделения в центрифугах зависит от конструкции, но может составлять 1,1 – 1,3, что в десятки раз выше газовой диффузии. В то же время производительность одной центрифуги невелика: у старых конструкций она не превышала 1 ЕРР в год, у современных российских центрифуг, составляющих основу парка – в пределах 5 – 10 ЕРР, у центрифуг URENCO – несколько десятков ЕРР, у последних концептуальных конструкций, разработанных в США – 300 – 400 ЕРР. То есть для промышленного обогащения требуются сотни тысяч и миллионы центрифуг. В то же время центрифужный метод имеет значительный потенциал повышения эффективности. Производительность центрифуги в идеале пропорциональна длине ротора и четвертой степени линейной скорости вращения и обратно пропорциональна температуре газа. Отсюда следуют возможные направления прогресса центрифужных технологий: прежде всего это увеличение скорости, а также удлинение ротора и поддержание достаточно низкой температуры в нем. Однако при возрастании скорости ротор в зависимости от его характеристик, прежде всего геометрических пропорций, подходит к определенным резонансным частотам, прохождение которых сопряжено с разрушающими осевыми колебаниями. Поэтому повышение скорости сверх определенного уровня, то есть создание так называемых надкритических центрифуг, требует мер, противостоящих разрушению: применения высокопрочных и гибких материалов, средств компенсации колебаний, обеспечения быстрого прохода критических частот и т. д. Решение этих и других технических задач на протяжении истории центрифужного обогащения урана позволило повысить эффективность метода на 1 – 2 порядка, и резерв для дальнейшего развития не исчерпан. В то же время к трудностям развития центрифуг относятся исключительные требования к безопасности: любые нештатные внешние воздействия на отдельно взятую машину (например, сейсмические) могут вызвать неуправляемые колебания, в результате чего разрушение одной центрифуги может вылиться в развитие аварии по прогрессии. Это предъявляет сверхвысокие требования, в частности, к устойчивости работы машины, средствам контроля, защитной оболочке ротора и ограничивает погоню за производительностью.

Аэродинамическая сепарация
Принцип заключается в создании с помощью компрессоров вихревых потоков газа или смеси газов, содержащих уран (например, шестифтористого урана в смеси с водородом или гелием). В газе, подаваемом под тем или иным давлением (0,4 – 6 атмосфер в зависимости от технологии) через искривленные сопла на неподвижные препятствия определенной конфигурации либо внутрь трубы просчитанных геометрических параметров, образуются завихряющиеся потоки. В этих потоках происходит слабое разделение на зоны большей концентрации легких или тяжелых изотопов, которые улавливаются. Этот метод технически проще осуществим, чем газодиффузионный и центрифужный методы технологии обогащения. Степень разделения на каждой элементарной стадии аэродинамической сепарации в несколько раз выше, чем для газовой диффузии, но уступает показателям современных центрифуг. В то же время затраты энергии при аэродинамической сепарации в 1,5 – 2 раза превышают показатели газодиффузионных машин, не говоря о центрифугах, что делает этот метод экономически неконкурентоспособным.

Технологии обогащения с помощью лазера
Этот принцип разделения изотопов урана, пригодный для большинства других элементов, основан на возможности избирательного перевода атомов или молекул с помощью лазера в возбужденное состояние, которое позволяет отделить нужный изотоп (или соединение с ним) от смеси с другими. Принцип базируется на небольшом отличии (сдвиге) квантовых переходов для разных изотопов одного и того же вещества, что дает возможность настроить характеристики лазера для возбуждения нужных изотопов. При всем разнообразии вариантов, подобные технологии делятся на ряд групп по схожести используемых методов. К первой относятся способы ионизации урана, прежде всего атомарного пара, с последующим отбором U 235 с помощью магнитного поля. К технологиям этого рода относится AVLIS. Вторая группа способов основана на избирательной диссоциации (развале) молекул урансодержащего вещества (того же UF 6) с помощью лазера. При этом варианте молекулы с U 235 возбуждаются лазером, затем с помощью интенсивного электромагнитного излучения производится их диссоциация. Новообразованные компоненты могут быть удалены из смеси химическим способом. Подобные принципы использовались в американской технологии MLIS, французской MOLIS, японской RIMLIS и др.

К другой группе относятся способы разделения, заключающиеся в активации с помощью лазера молекул с нужным изотопом, которые в возбужденном состоянии склонны к вступлению в химическую связь с определенным реагентом. К таким процессам относится CRISLA. Технология SILEX, внедрение которой в настоящее время планируется в США и детальный механизм действия которой держится в секрете, вероятно, относится к способам, использующим фотохимическую реакцию с участием гексафторида урана. К достоинствам лазерного метода можно отнести высокий коэффициент разделения, который позволяет минимизировать потребность в каскадировании, резко снизить содержание U 235 в хвостах, обеспечить относительную компактность разделительных комплексов. Энергозатраты лазерного процесса могут быть в разы ниже центрифуг. Другим потенциальным преимуществом является высокая избирательность (селективность), которая позволяет адресно выбирать нужный изотоп из различных по составу смесей. Более того, лазерный метод в принципе дает возможность разделять ядерные изомеры (одинаковые изотопы одного элемента, отличающиеся энергетическим состоянием ядра). Последние два достоинства открывают новые перспективы для процессов обогащения и переработки ОЯТ, позволяя осуществлять более эффективное выделение тех или иных компонентов смеси, добиться лучшей очистки от ненужных примесей.

Еще одним преимуществом может стать быстрый переход лазерной разделительной установки на стационарный режим работы и быстрый выход из него, что позволяет оперативно перестраивать участки производства под конкретные нужды. К проблемам лазерного принципа обогащения относятся его неясные и по сей день экономические параметры. Предыдущие попытки создать технологию промышленного уровня наталкивались на недостаточную производительность и низкий ресурс оборудования, а также на трудности увеличения масштаба процесса от лабораторного уровня до промышленного производства.

Ингард ШУЛЬГА

Результате природный уран разделяют на обогащенный уран и обедненный уран.

В природном уране содержится три изотопа урана: 238U (массовая доля 99,2745 %), 235U (доля 0,72 %) и 234U (доля 0,0055 %). Изотоп 238U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого 235U. настоящее время 235U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.

• 1 Причины обогащения
• 2 Степени обогащения урана
• 3 Технологии
• 4 Производство обогащенного урана в мире
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Ссылки

Причины обогащения

Цепная ядерная реакция подразумевает что хотя бы один нейтрон из образованных распадом атома урана будет захвачен другим атомом и, соответственно, вызовет его распад. первом приближении это означает что нейтрон должен «наткнуться» на атом 235U раньше чем покинет пределы реактора. Значит, конструкция с ураном должна быть достаточно компактной чтобы вероятность найти следующий атом урана для нейтрона была достаточно высока. Но по мере работы реактора 235U постепенно выгорает, что уменьшает вероятность встречи нейтрона и атома 235U, что вынуждает закладывать в реакторах определенный запас этой вероятности. Соответственно, низкая доля 235U в ядерном топливе вызывает необходимость в:

• большем объёме реактора чтобы нейтрон дольше в нём находился;
• бóльшую долю объёма реактора должно занимать топливо чтобы повысить вероятность столкновения нейтрона и атома урана;
• чаще требуется перезагружать топливо на свежее чтобы сохранять заданную объемную плотность 235U в реакторе;
• высокой доле ценного 235U в отработавшем топливе.

В процессе совершенствования ядерных технологий были найдены экономические и технологические оптимальные решения, требующие повышения содержания 235U в топливе, то есть обогащения урана.

В ядерном оружии задача обогащения практически такая же: требуется чтобы за предельно короткое время ядерного взрыва максимальное число атомов 235U нашли свой нейтрон, распались и выделили энергию. Для этого нужна предельно возможная объемная плотность атомов 235U, достижимая при предельном обогащении.

Степени обогащения урана

Природный уран с содержанием 235U 0,72 % находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).

Уран с содержанием 235U свыше 20 % называют высокообогащенным (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным . На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90 %. Высокообогащенный уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (то есть с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах.

В отвалах обогатительных производств остается обедненный уран с содержанием 235U 0,1…0,3 %. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обедненного урана. будущем возможно использование обедненного урана в составе уран-плутониевого топлива для энергетических реакторов.

Технологии

Основная статья: Разделение изотопов

Известно много методов разделения изотопов. Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжёлые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем лёгкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании : газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжёлые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с лёгким изотопом урана более подвижны чем тяжёлые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6.

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Производство обогащенного урана в мире

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU). Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report с прогнозом развития.

страна	Компания, Завод	2012	2013	2015	2020
Франция	Areva: Georges Besse I и II	2500	5500	7000	8200
Германия, Голландия, Англия,	URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия)	12800	14200	14200	15700
Япония	JNFL (англ.)русск., Rokkaasho	150	75	1050	1500
США	USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon	5000	0	0	3800
США	URENCO: New Mexico	2000	3500	5700	5700
США	Areva: Idaho Falls	0	0	0	3300
США	Global Laser Enrichment	0	0	0	3000
Россия	ОАО ТВЭЛ (TENEX)	25000	26000	30000	37000
Китай	CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou	1500	2200	3000	8000
Пакистан, Бразилия, Иран	Разные	100	75	500	1000
	Суммарное	49000	51550	61450	87200

См. также

• Ядерная энергия
• Обеднённый уран

Примечания

1. Удешевление обогащения. Атомный эксперт. Обзор истории и технологий обогащения урана.

Ссылки

• Мировой рынок ядерного топлива, Cambridge, 2013.
• Глоссарий терминов // Minatom
• Справка: обогащение урана
• The Radioactive Boy Scout. Ken Silverstein. (перев. рус.)

Ядерные технологии
Инженерия	Ядерная физика · Деление ядра · Термоядерная реакция · Излучение · Ионизирующее излучение · Атомное ядро · Ядерная безопасность · Ядерная химия
Материалы	Ядерное топливо · Отработанное ядерное топливо · Ядерное топливное сырье · Ядерный топливный цикл · Торий · Уран ( Обеднённый уран) · Плутоний · Дейтерий · Тритий · Гелий-3 · Литий-6
Ядерная энергия	Главные темы Ядерный реактор · Радиоактивные отходы · Управляемый термоядерный синтез · Ядерная силовая установка · Ядерный двигатель (Ядерный ракетный двигатель) · Радиоизотопный термоэлектрический генератор Типы реакторов Инерциальный синтез · Корпусной ядерный реактор · Канальный ядерный реактор · Кипящий водо-водяной реактор · 4-го поколения · Реактор на быстрых нейтронах · Магноксовый · Водо-водяной ядерный реактор · Графито-водный ядерный реактор · Графито-газовый ядерный реактор · Газоохлаждаемый быстрый · Реактор с жидкометаллическим теплоносителем · На бегущей волне · Со свинцовым теплоносителем · Реактор на расплавах солей · Тяжеловодный ядерный реактор · Сверхкритический водоохлаждаемый · Сверхвысокотемпературный · С гранулированным топливом · Интегральный быстрый реактор · SSTAR
Ядерная медицина
Ядерное оружие	История · Разработка · Ядерная война · Ядерная гонка · Ядерный взрыв (Поражающие факторы ядерного взрыва) · Ядерное испытание · Перевозка · Распространение Ядерный клуб · Список ядерных испытаний

Уран
Нуклиды	232U 233U 234U 235U 236U 238U
Соединения	UO U3O8 UO2 U4O9 U5O13 UO3 UO4 UF3 UF4 UF5 UF6 UCl3 UCl4 UCl5 UCl6 UJ3 UBr3 UBr4 UH3 (NH4)2U2O7 Na2O(UO3)2 Na2U2O7 UB2 U(BH4)4 UO2(CH3COO)2 UO2(CHO2)2 UO2CO3 UO2Cl2 UO2F2 UO2(NO3)2 U(OH)3 UO2(OH)2 U(SO4)2 UO2(SO4)2 UP2O5 H2U2O7 H2UO7
Природные минералы	Браннерит Давидит Казолит Карнотит Клевеит Коффинит Маргаритасит Настуран Отенит Самарскит Торбернит Тюямунит Уранинит Уранофан Фергюсонит Цейнерит Шрекингерит
Деятельность человека	Обеднённый уран Пьюрекс-процесс Ядерное топливо Ядерное оружие

обогащение урана, обогащение урана американский метод

Обогащение урана Информацию О

В статье рассказывается о том, зачем обогащать уран, что это такое, где добывается, его применения и из чего состоит процесс обогащения.

Начало атомной эры

Такое вещество как уран известно людям с самой глубокой древности. Но в отличие от нашего времени, использовали они его лишь для создания специальной глазури для керамики и некоторых видов краски. Использовалась для этого природная окись урана, залежи которого можно найти в тех или иных количествах почти на всех континентах мира.

Гораздо позже этим элементом заинтересовались и химики. Так, в 1789 году немецкому ученому Мартину Клапроту удалось получить оксид урана, который по своим параметрам был похож на металл, но им не являлся. И лишь в 1840 году французский химик Пелиго синтезировал настоящий уран - тяжелый, серебристый и который Дмитрий Менделеев внес в свою таблицу периодических элементов. Так для чего нужно обогащать уран и как это происходит?

Наше время

По сути, природная мало чем отличается от остальных. Это массивные булыжники ржавого цвета, которые добывают в шахтах самым обычным способом - взрывают пласты залежей и транспортируют на поверхность для последующей обработки. Дело в том, что природное это вещество содержит в себе всего лишь 0,72 % изотопа U235. Этого недостаточно для применения в реакторах или оружии, и потом после сортировки его переводят в газообразное состояние и начинают обогащать уран.

Вообще, методов этого процесса существует много, но самым перспективным и используемым в России является газовое центрифугирование.

В специальные установки закачивается газообразное соединение урана, после чего те раскручиваются до огромных скоростей и происходит отделение более тяжелых молекул от легких и группирование их у стенок барабана.

Затем эти фракции разделяют и одну из них превращают в диоксид урана - плотное и твердое вещество, которое потом фасуют на своеобразные «таблетки» и обжигают в печи. Именно для этого и нужно обогащать уран, поскольку на выходе процентное содержание изотопа U235 на порядок больше, и его можно применять как в реакторах, так и в оружейных системах.

Экспорт

Если приводить упрощенный пример, то обогащение этого элемента по сути своей чем-то напоминает производство железа - в изначальном, природном виде это ни на что не годные куски руды, которые потом различной обработкой превращают в крепкую сталь.

Также в прессе часто можно услышать тот факт, что многие менее развитые по сравнению с той же Россией страны часто задаются вопросом, как сделать обогащенный уран?

Дело в том, что процесс этот если приводить пример с газовым центрифугированием очень сложный, и построить подобные установки могут далеко не все. Тем более, нужна не одна-единственная штука, а целый их каскад. Для того, чтобы осознать их технический уровень, стоит сказать, что вращаются эти «барабаны» со скоростью 1500 оборотов в минуту и без остановки. Рекорд - 30 лет! Потому, некоторые страны закупают обогащенный уран в России.

Где добывают уран в России?

Добыча 93% урановой руды производится в Забайкалье, рядом с городом Краснокаменск. А обогащенный уран в России производит «ОАО ТВЭЛ».

Применение

С процессом превращения в высокоэффективное соединение разобрались, но зачем он нужен? Разберем два самых основных направления.

Первое, это конечно же, Они дают электричество целым городам, питают автономные космические аппараты для исследования дальних уголков нашей солнечной системы, стоят на подводных лодках, ледоколах, исследовательских кораблях.

Второе, это Правда стоит уточнить - именно уран в бомбах давно уже не применяется, ему на смену пришел Добывается он посредством специального облучения в реакторах низкообогащенного урана.

Часто еще в годы СССР бытовало мнение, что особо опасных преступников или «врагов народа» ссылают на урановые шахты, чтобы те своим скоротечным трудом искупили вину. И естественно, долго они там не задерживались из-за радиации.

На самом деле это не так. Никакой особой опасности в работе на такой добыче нет, природная руда мало радиоактивна, и человек, если его поместить безвылазно в шахту, погибнет скорее от недостатка солнца и свежего воздуха, чем лучевой болезни.

Тем не менее, условия труда у рабочих щадящие, всего 5 часов в день, и многие работают там целыми поколениями, развенчивая миф о страшной губительности такого производства.

А из кстати, делают сердечники оружейных снарядов. Дело в том, что уран намного тяжелее и прочнее свинца, в результате чего такие поражающие элементы эффективнее, да и еще имеют свойство воспламеняться в результате разрушения, после механического воздействия на них.

Так что мы разобрались с тем, зачем нужен обогащенный уран, где он применяется и с какой целью.