Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный?

в 9:26, , рубрики: атомная энергетика, на инвайт, Научно-популярное, обогащение, уран, физика, химия, ядерная энергетика

Правда что ли, скажете вы, природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.

В данный момент спросом в мире пользуются следующие виды обогащенного урана:

  • 1. Природный уран (0,712%). Тяжеловодные реакторы (PHWR), например CANDU
  • 2. Слабо-обогащенный уран (2-3%, 4-5%). Реакторы типа вода-графит-цирконий, вода-вода-цирконий, реакторы ВВЭР, PWR, РБМК
  • 3. Средне обогащённый уран (15-25%), Быстрые реакторы, реакторы транспортных (ледоколы, ПАТЭС) ЯЭУ
  • 4. Высокообогащенный уран (>50%), ТрЯЭУ (подлодки), исследовательские реакторы.

Природный уран проходит только по первому пункту. Если предположить, что у нас в мире потребители урана это только коммерческие реакторы, то PHWR из них — это менее 10%. А если считать все остальное (транспортные, исследовательские) то… короче говоря природный уран ни к селу ни к городу. А значит почти любой потребитель требует наращивания процентного содержания легкого изотопа в смеси 235-238. Более того, уран используется не только в ядерной энергетике, но и в производстве брони, боеприпасов, и еще кое-чего. А там лучше иметь обедненный уран, что в принципе требует тех же процессов, только наоборот.

Про методы обогащения и будет статья.

В качестве сырья для обогащения используют не чистый металлический уран, а гексафторид урана UF6, который по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Для химиков отметим, что фторирование урана происходит в вертикальном плазменном реакторе.
Несмотря на все обилие методов обогащения на сегодняшний день только две из них используются в промышленных масштабах — газовая диффузия и центрифуги. В обоих случаях используется газ — UF6.

Ближе к делу о разделении изотопов. Для любого метода эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α – отношение доли «легкого» изотопа в «продукте» к его доле в первичной смеси.

Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию разделения изотопов приходится многократно повторять (каскады). Например, для газодиффузионного метода α=1.00429, для центрифуг значение сильно зависит от окружной скорости – при 250м/с α=1.026, при 600м/с α=1.233. Только при электромагнитном разделении α составляет 10—1000 за 1 цикл разделения. Сравнительная таблица по нескольким параметрам будет в конце.

Весь каскад машин по обогащению всегда разбит на ступени. В первой ступени каскада разделения поток исходной смеси разбивается на два потока: обедненный (удаляемый из каскада), и обогащенный. Обогащенный подается на 2-ю ступень. На 2-й ступени однажды обогащенный поток вторично подвергается разделению:
обогащенный поток 2-й ступени поступает на 3-ю, а ее обедненный поток возвращается на предыдущую (1-ю) и т.д. С последней ступени каскада отбирается готовый продукт с требуемой концентрацией заданного изотопа.

Коротко расскажу про основные методы разделения, применявшиеся когда либо в мире.

Электромагнитное разделение

По этому методу возможно разделить компоненты смеси в магнитном поле, причем с высокой чистотой. Электромагнитное разделение является исторически первым методом, освоенным для разделения изотопов урана.

Поскольку разделение можно выполнить с ионами урана, то конверсия урана в UF6 в принципе — не обязательна. Этот метод дает высокую чистоту, но низкий выход при больших энергозатратах. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем. Ионный пучок попадает в вакуумную разделительную камеру в магнитном поле Н, направленном перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим окружностям с различными (в зависимости от массы) радиусами кривизны. Достаточно взглянуть на картинку и вспомнить школьные уроки, где все мы считали, по какому радиусу полетит электрон или протон в магнитном поле.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 1
Схема, демонстрирующая принцип электромагнитного разделения.

Преимущество способа – использование относительно простой технологии (калютроны: CALifornia University).
Применялся для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имел 5184 разделительные камеры — «калютроны», и впервые позволил получить килограммовые количества 235U высокого обогащения – 80% или выше.

В Манхэттенском проекте калютоны использовались после термодиффузии – на альфа-калютроны поступало сырье 7% (завод Y-12) и обогащась до 15%. Уран оружейного качества (до 90%) получался на бета-калютронах на заводе Y-12. Альфа и бета калютроны не имеют ничего общего с альфа и бета частицами, просто это две «линии» калютронов, одна для предварительного, вторая для конечного обогащения.

Метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Двух проходов достаточно для обогащения выше 80% из бедного вещества с исходным содержанием менее 1%. Производительность определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов — до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам).

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 2
Один из цехов электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США)

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 3
Гигантский альфа-калютрон того же завода

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» — специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Коротко из доклада Кокоина (6 сентрябра 1945 года):

Если пропускать газ, состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, состоящую из большого числа малых отверстий, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем,… т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Соответственно, газ, прошедший мимо сеток, оказывается обедненным легкими молекулами. Практически же всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вследствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим.

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал — должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

«О состоянии научно-исследовательских и практических работ Лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом»

Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и является разделительной ступенью

В качестве газа мы употребляем шестифтористый уран. Это соль, обладающая довольно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Что касается сеток, то к ним предъявляется требование, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул приблизительно равна 1/10000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.

В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90% легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней. Общая площадь сеток (площадью сеток определяется производительность всей установки) составит около 8000 м2. Общая мощность, расходуемая компрессорами, составит 20 000 кВт.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Применялся как одна из первых ступеней обогащения. В Манхэттенском проекте завод К-25 обогащал уран с 0.86% до 7%, далее сырье шло на калютроны. В СССР – многострадальный завод Д-1, а так же последовавшие за ним заводы Д-2 и Д-3, и так далее.

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип — более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

В Манхэттенском проекте это завод S-50 – он обогащал природный уран до 0.86%, т.е. всего в 1.2 раза увеличивал обогащение по пятому урану. В СССР работы по жидкостной диффузии велись Радиевым институтом в послевоенное время, но никакого развития это направление не получило.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 4
Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте — Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Аэродинамическая сепарация

Аэродинамическая сепарация это своего рода вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа он завихряется в специальной форсунке. Вместо тысячи слов – см. рисунок, т.н. «сопло Беккера» для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении. Гексафторид урана очень тяжелый газ и приводит к износу мелких деталей форсунок (см. масштаб), и может переходит в твёрдое состояние на участках повышенного давления (например на входе в форсунку), по этому гексафторид разбавляют водородом. Понятно, что при 4% содержании сырья в газе, да еще и пониженном давлении эффективность такого способа не велика. Развивалась этот способ пытались в ЮАР и ФРГ.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 5
Все что вам нужно знать о аэродинамической сепарации есть на этой картинке

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 6
Варианты форсунок

Газовое центрифугирование

Наверное каждый человек (а гик уж и подавно!) слышавший хоть раз атомную энергетику, бомбы и обогащение, в общих чертах знает что такое центрифуга, как она работает и что в конструировании таких приборов есть много сложностей, секретов и ноу-хау. Поэтому про газовое центрифугирование скажу буквально пару слов. Однако, чесно говоря, газовые центрифуги имеют очень богатую историю развития и заслуживают отдельной статьи.

Принцип работы – разделение за счет центробежных сил в зависимости от абсолютной разницы в массе. При вращении (до 1000 об/с, окружная скорость – 100 — 600 м/с) более тяжелые молекулы уходят на периферию, более легкие – в центре (у ротора). Этот метод на данный момент является самым продуктивным и дешевым (исходят из цены $/EPP).

Гугл изибилует схематичными картинками устройства центрифуги, я лишь приведу пару фотографий как выглядит собранный каскад. В таком помещении кстати говоря достаточно жарко – гексафоторид урана там находится далеко не при комнатной температуре, и весь такой каскад нужно еще и охлаждать.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 7
Каскад центрифуг фирмы URENCO. Большие, метра под 3 в высоту.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 8
Бывают и поменьше, около полуметра. Наши отечественные.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 9
Для понимания масштабов, или что такое «цех от горизонта до горизонта».

Лазерное обогащение

Физический принцип лазерного обогащения в том, что атомные энергетические уровни различных изотопов незначительно отличаются.
Этот эффект может быть использован для разделения U-235 от U-238, как в атомарном — AVLIS, так и в молекулярном виде — МLIS.

В методе используются пары урана, и лазеры, которые точно настроены на определенную длину волны, возбуждая атомы именно 235-го урана. Далее ионизированные атомы удаляются из смеси электрическим или магнитным полем.

Технология очень простая, и, вобще говоря, не требует каких то супер-сложных механических устройств типа диффузионных сеток или центрифуг, одна есть и другая проблема.
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. Планируемое обогащение — до 8%. Однако лицензирование приостановили — по причине проблем с распространением технологии. Современные технологии обогащения (диффузионная и центрифугирование) требуют специального оборудования, настолько специального, что, вобще говоря, при желании через мониторинг международных контрактов можно косвенно предположить, кто собирается «по тихому» (без ведома МАГАТЭ) обогащать уран или вести работы по этому направлению. И такой мониторинг действительно ведется. В случае, если лазерный метод обогащения докажет свою простоту и эффективность, работы по оружейному урану могут начать вести там, где это не очень нужно. По этому пока лазерный метод как то подминают.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 10

К лазерным методам можно отнести так же и молекулярный метод, основанный на том, что на инфракрасных или ультрафиолетовых частотах происходит избирательное поглощение газом 235UF6 инфракрасного спектра, что в дальнейшем позволяет использовать метод диссоциации возбужденных молекул или химическое разделение.
Относительное содержание U-235 может быть увеличено на порядок уже в первой стадии. Таким образом, одного прохода достаточно, чтобы обеспечить обогащение урана, достаточное для ядерных реакторов.

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 11
Пояснения к «молекулярному» методу с химическим разделением.

Преимущества лазерного обогащения:

  • Потребление электроэнергии: в 20 раз менее, чем для диффузии.
  • Каскадность: число каскадов (от 0,7% до 3-5% по U-235) – менее 100, по сравнению с 150 000 центрифуг.
  • Стоимость завода – существенно меньше.
  • Экологичность: вместо гексафторида урана используется менее опасный металлический уран.
  • Потребность в природном уране – на 30% меньше.
  • На 30% меньше хвостохранилищ (хранилища отвала).

Сравнение показателей различных методов

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? - 12

Обогащение урана в России

В настоящее время в России действует четыре обогатительных комбината:

Россия обладает мощнейшей индустрией разделения изотопов ~40% мирового рынка, базирующемся на наиболее экономичном (на сегодня) центрифужном методе.

На 2000г. мощности по обогащению в России распределены следующим образом: 40% — для собственных нужд, 13% — для переработки отвалов зарубежных пользователей, 30% — для переработки ВОУ и НОУ, и 17% — на внешние заказы. Все это — мирный атом. Производство обогащенного урана для военных целей у нас прекращено с 1989г. К 2004г. 170 т (из ~500 т) ВОУ (высоко обогащенного урана) было переработано по соглашению ВОУ-НОУ.

На этом все. Спасибо за внимание.

Автор: mphys

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля