Обогащенный уран что это такое


Зачем нужно обогащать уран? Подробный разбор

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 радиоактивный металл, который Дмитрий Менделеев внес в свою таблицу периодических элементов. Так для чего нужно обогащать уран и как это происходит?

Наше время

По сути, природная урановая руда 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.

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, атомные реакторы. 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 оружие массового поражения. Правда стоит уточнить – именно уран в бомбах давно уже не применяется, ему на смену пришел оружейный плутоний. Добывается он посредством специального облучения в реакторах низкообогащенного урана.

Мифы и интересные факты

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 обедненного урана, 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.

fb.ru

Зачем нужно обогащать уран - особенности, описание технологии и отзывы :

Ядерное оружие, хотим мы этого или нет, – реальность, с которой живет человечество с середины прошлого века. Ядерные реакторы, как бы не выступали критики атомной энергетики, вносят значительный вклад в энергосистемы разных стран. И там, и там применяется радиоактивный материал. В основном это уран, 92-й элемент таблицы Менделеева.

Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?

Чем же так страшен обогащенный уран

Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.

На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.

При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.

Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.

Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.

Урановые рудники: правда и вымысел

В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.

Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.

Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.

Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.

Урановая руда

Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.

Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.

Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.

Газодиффузионный способ обогащения

Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.

Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.

Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.

Центрифужный метод

Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.

Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.

Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.

Применение обогащенного урана

Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни – ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.

В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.

Изотоп 235 – более энергоемкое топливо. Обогащенным уран считается при содержании 235 изотопа более 20 %. Это основа ядерного оружия.

Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.

Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, – топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.

Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на термоядерный синтез как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.

www.syl.ru

Обогащение урана - это... Что такое Обогащение урана?

Относительные пропорции урана-238 (синий) и урана-235 (красный) на разных стадиях обогащения.

Обогащение урана — физический процесс увеличения соотношения содержания изотопа урана 235U к 238U. Изотоп 238U, несмотря на радиоактивность, является крайне стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции на тепловых нейтронах, в отличие от редкого 235U, интенсивно использующегося в атомной промышленности и для создания ядерного оружия. В настоящий момент 235U является основным ядерным топливом, без него невозможно получение плутония, использующегося для создания ядерного и термоядерного оружия. Однако, из-за того, что доля изотопа 235U мала (0,72 %), подготовка ядерного топлива обязательно должна включать стадию обогащения урана.

Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF6 приводится в очень быстрое вращение и из-за разницы в массе молекул происходит разделение изотопов, которые затем переводятся обратно в металл. В отходах остаётся только 0,2–0,3 % 235U.[1]

В 1992 году австралийской компанией Silex разработана технология обогащения урана путем заряда молекул UF6 с изотопом 235U в луче лазера. С 2006 года работы по технологии Silex ведет компания General Electric, в конце 2011 года успешно завершившая испытания оборудования для обогащения урана. Технология Silex должна позволить существенно снизить стоимость топлива для энергетических реакторов. Предполагается строительство установки по технологии Silex в г. Уилмингтон, штат Северная Каролина. На площади 5,5 га может разместиться установка, обеспечивающая топливом четыре десятка ядерных энергоблоков.

Примечания

  1. ↑ УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ — статья из энциклопедии «Кругосвет»

  • Ядерная энергия
  • Обеднённый уран

dic.academic.ru

Чем опасен уран и его соединения?

В сообщении посла Ирака в ООН Мохаммеда Али аль-Хакима от 9 июля говорится, что в распоряжение экстремистов ИГИЛ (Исламское государство Ирака и Леванта) попало около 40 килограммов урановых соединений. МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) поспешило заявить, что использованные Ираком ранее ядерные вещества имеют низкие токсические свойства, а потому захваченные исламистами материалы не представляют серьёзной угрозы. 

Источник в правительстве США, знакомый с ситуацией, сообщил агентству Reuters, что похищенный боевиками уран, вероятнее всего, не является обогащённым, поэтому едва ли может быть использован для изготовления ядерного оружия. Власти Ирака официально уведомили Организацию Объединённых Наций об этом инциденте и призвали «предотвратить угрозу его применения», сообщает РИА «Новости».

Соединения урана крайне опасны. О том, чем именно, а также о том, кто и как может производить ядерное топливо, рассказывает АиФ.ru.

Что такое уран?

Уран — химический элемент с атомным номером 92, серебристо-белый глянцеватый металл, периодической системе Менделеева обозначается символом U. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, содержится в земной коре (литосфере) и в морской воде и в чистом виде практически не встречается. Из изотопов урана изготавливают ядерное топливо.

Уран — тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. Фото: Commons.wikimedia.org / Original uploader was Zxctypo at en.wikipedia.

Радиоактивность урана

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядро урана нейтронами и сделали открытие: захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа* урана делится и выделяет огромную энергию за счёт кинетической энергии осколков и излучения. В 1939–1940 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович впервые теоретически объяснили, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Что такое обогащённый уран?

Обогащённый уран — это уран, который получают при помощи технологического процесса увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый . После извлечения 235U и 234U из природного урана оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В ядерной энергетике используют только обогащённый уран. Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используют как топливо в ядерных реакторах и в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технология, осуществлять которую под силу не многим странам. Обогащение урана позволяет производить атомное ядерное оружие — однофазные или одноступенчатые взрывные устройства, в которых основной выход энергии происходит от ядерной реакции деления тяжёлых ядер с образованием более лёгких элементов.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория** (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Сердечник снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана. Фото: Commons.wikimedia.org / Original uploader was Nrcprm2026 at en.wikipedia

В каких странах производят обогащённый уран?

  • Франция
  • Германия
  • Голландия
  • Англия
  • США
  • Япония
  • Россия
  • Китай
  • Пакистан
  • Бразилия
  • Иран
10 стран, дающих 94 % мировой добычи урана. Фото: Commons.wikimedia.org / KarteUrangewinnung

Чем опасны соединения урана?

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК — 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжёлые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия***). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Применение урана в мирных целях

  • Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную окраску стеклу.
  • Уран натрия используется как жёлтый пигмент в живописи.
  • Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).
  • В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
  • Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

*Изотоп — разновидности атомов химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

**Элемент III группы таблицы Менделеева, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл. Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования атомной энергии.

***Олигурия (от греч. oligos — малый и ouron — моча) — уменьшение количества отделяемой почками мочи.

aif.ru

Обогащение урана

В природном уране доля урана-235 (изотопа, который делится в современных ядерных реакторах) составляет всего около 0,7%, остальные 99,3% занимает пока не используемый уран-238. Этих 0,7% недостаточно для запуска и работы ядерного реактора. Поэтому долю урана-235 необходимо искусственно повысить до 4–5%, иначе говоря, обогатить уран по делящемуся изотопу.

Обогащение осуществляется, например, в газовых центрифугах, где газообразное соединение (гексафторид урана) раскручивается с огромной скоростью — 1500 оборотов в секунду! При этом более тяжелый изотоп (уран-238) «отжимается» к стенке, тогда как более легкий (уран-235) остается у оси вращения. Таким образом, удается разделить изотопы. Если соединить десятки тысяч центрифуг, то можно добиться высокой производительности.

Газовая центрифуга является уникальным, чрезвычайно сложным, высокотехнологичным оборудованием. Производством газовых центрифуг в России управляет Инжиниринговый центр «Русская газовая центрифуга». По качеству наше центрифужное оборудование не только не уступает, но и превосходит все импортные аналоги.

Предприятия по обогащению урана входят в Топливную компанию «ТВЭЛ», которая объединяет все предприятия и организации, так или иначе связанные с производством ядерного топлива.

Непосредственно обогащением урана занимаются четыре предприятия:

  • Ангарский электролизный химический комбинат (г. Ангарск, Иркутская область)
  • Производственное объединение «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край)
  • Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск, Свердловская область)
  • Сибирский химический комбинат (г. Северск, Томская область).

Их производственные мощности позволяют России в лице Росатома занимать 40% мирового рынка услуг по обогащению урана и планировать увеличение этой доли.

Россия обладает самой передовой технологией по обогащению урана — газоцентрифужной, которую, несмотря на все попытки, не удалось превзойти ни одной стране мира. Например, в 2007 году на базе Ангарского электролизного химического комбината были основаны еще две компании — ОАО «Международный центр по обогащению урана», а также российско-казахстанское совместное предприятие ЗАО «Центр по обогащению урана» (ЦОУ). МЦОУ поручено хранить запас урана с низким обогащением (3–5%) в количестве 120 тонн. Этот гарантийный запас сможет приобрести страна, лишенная по каким-либо причинам возможности покупки урана на свободном рынке, чтобы изготовить свежее ядерное топливо и обеспечить бесперебойную работу своей ядерной энергетики. Таким образом, Международный центр по обогащению урана является важным инструментом обеспечения международной безопасности. В настоящее время членами МЦОУ являются Россия, Казахстан, Армения и Украина. Российско-казахстанский проект «Центр по обогащению урана» (ЦОУ) в отличие от МЦОУ носит чисто коммерческий характер — предприятие создано для строительства новых мощностей по обогащению урана, которые будут расположены на производственной площадке Ангарского электролизного химического комбината. В результате мощности Ангарского комбината увеличатся вдвое, а Россия упрочит свое положение на мировом рынке обогатительных услуг.

www.russianatom.ru

Промышленное обогащение урана

Для целей ядерной энергетики и ядерного военного комплекса требуется уран, способный поддерживать цепную реакцию деления не только в чистом металле, но и в его соединениях, например, оксидах. Концентрация 235U, делящегося нейтронами любых энергий, в природном уране низка - 0,711%. Поэтому требуется обогащение природного урана до 2,4^19,5% для энергетических ядерных реакторов.

Для разделения изотопов урана используются различные технологии: электромагнитное разделение, газовая диффузия, жидкостная термодиффузия, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация и др. UF6 является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения природного урана. Связано это с двумя обстоятельствами: l) фтор имеет один стабильный изотоп (19F), поэтому молекулярная масса UF6 зависит только от массы изотопов урана; 2) UF6 переходит в газообразное состояние уже при температуре 560 при атмосферном давлении.

Электромагнитный метод основан на том, что два иона, имеющие одну и ту же энергию, но различные массы, фокусируются в разных точках плоскости, если они проходят через однородное магнитное поле, перпендикулярное их траектории. Коллекторы собирают по отдельности два главных изотопа 235U и 238U с довольно большой степенью чистоты. Коэффициент разделения приближается к юо%, но производительность одной установки невелика. Общая производительность может быть увеличена за счёт увеличения концентрации 235U в исходном продукте.

Первая практически применяемая в промышленных масштабах технология разделения 2з8и и 235U была основана на газопроницаемости пористых оболочек. В основу метода газовой диффузии положено различие скоростей теплового движения молекул изотопных веществ (UFe).

Замечание. Газодиффузионный метод основан на законе Грэхэма (предложен в 1829 г. Т. Грэхэмом и развит в 1896 г. Дж.У. Рэлеем): если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через

него пройдёт несколько больше лёгкого газа, чем тяжёлого. В ноябре 1942 г. Юри и Даннинг (Колумбийский университет, США) создали газодиффузионный метод разделения изотопов урана.

Рис. 1. Схема аппарата для разделения изотопов урана методом газовой диффузии.

Как известно, значение коэффициента молекулярной диффузии D пропорционально длине свободного пробега и средней скорости теплового движения молекул:

где М - масса молекулы, Т - температура среды, R- газовая постоянная.

Из формулы видно, что чем меньше вес молекулы тем больше её скорость и выше коэффициент диффузии и часть смеси, прошедшая через фильтр обогащается лёгким изотопом. При истечении в абсолютный вакугде М, и М2 - молекулярные веса легкой и тяжелой изотопных молекул.

ум достигается максимальное значение коэффициента разделения изотопных молекул при их диффузии через пористые перегородки:

В газодиффузионном методе используется UFe, который можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами - 349(235+19,6) и 352(238+19-6). Максимальный коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина ещё меньше. Повысить концентрацию 2ззи от 0,72 до 99% можно только с помощью 4000 тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах завода - величина того же порядка.

Рис. 2. Разделение изотопов урана методом газовой диффузии.

Эффективность процесса обогащения определяется диаметром пор и числом пор, приходящихся на единицу площади поверхности мембраны. Скорость диффузии задаётся длиной свободного пробега молекул и тем, что на него влияет - масса молекул, давление, температура. Переход в кнудсеновский режим диффузии начинается там, где длина свободного пробега становится больше размера пор, молекулы чаще сталкиваются со стенками пор, чем между собой. Для реализации кнудсеновского режима необходимо уменьшать размер пор. К тому же, чем меньше диаметр пор, тем больше можно повышать рабочее давление газа, достигая той же степени разделения без увеличения числа газодиффузионных ступеней. В СССР были созданы диффузионные фильтры, эффективно работающие длительное время при достаточно высоких давлениях в химически агрессивной среде гексафторида урана. Их механическая прочность позволяет допускать эксплуатацию в течение длительного времени в условиях переменных давлений и вибрации. Фильтр делается из двух слоёв — несущего, который обеспечивает необходимую механическую прочность, и делящего. Сделанный из прессованного никелевого порошка, диффузионный фильтр представляет собой пористую трубку (диаметр пор ~5 мкм) диаметром 15 мм, длиной 550 мм и толщиной стенки 0,15 мм. Нанесённый на поверхность трубки делящий слой толщиной 0,01 мм имеет поры, средний диаметр которых ~о,оз мкм. Опыт эксплуатации показал, что такие фильтры имеют хорошие разделительные характеристики и могут работать без регенерации более десяти лет.

Рис. з. Диффузионный каскад. При комнатной температуре UFe - твёрдое вещество, поэтому процесс разделения проводится при повышенных температурах и давлениях, т.е. условиях, когда UF6 переходит в газовую фазу. Поскольку' тройная точка UF6 находится при 550, то в системе должна поддерживаться температура 70-^80°. UFr> - термически устойчивое соединение, однако оно чрезвычайно активно взаимодействует с водой, обладает сильным коррозионным воздействием на большинство металлов и несовместимо с органическими материалами, например, с обычными смазочными маслами. По этой причине должны применяться специальные смазки, рабочие жидкости для насосов и фторированные материалы для прокладок. Для изготовления оборудования используется никель или алюминий. Коррозия обусловливает дополнительные затруднения при выборе материалов для фильтров, поскольку фильтры должны обеспечить неизменные параметры разделения в течение длительного времени.

Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран. В 1979 98% всего урана производилось подобным способом. К середине 1980-х этот метод стал вытесняться методом центрифугирования.

Изменение диффузионного равновесия газа при наличии перепада температур, также широко используется в практике разделения изотопов. Термо диффузионное разделение изотопов урана происходит в жидком UF6, находящемся под большим давлением между двумя поверхностями - горячей и холодной. Благодаря разности масс изотопов урана и сложным межмолекулярным силам, происходит разделение изотопов.

Жидкостная термодиффузия оказалась первой технологией, на которой были получены существенные количества низкообогащённого урана. Это самый простой из всех методов разделения, но предельная степень обогащения по 235U всего ~1%. Серьёзным недостатком этого метода является большое потребление энергии.

В настоящее время доминирующим способом разделения изотопов урана является газовое центрифугирование, в котором газообразный UFe газ под сильным разряжением находится в центрифуге, которая представляет собой цилиндр и является ротором, т.е. вращается в электромагнитном поле. На дне центрифуги имеется корундовая игла для снижения трения, во время вращения центрифуга приподнимается «взлетает» и вращается без соприкосновения с частями кожуха. Скорость вращения достигает юо тыс. об/мин. Вращение создаёт центробежную силу, под действием которой более тяжёлые газовые молекулы, содержащие 238U, движутся к стенкам сосуда, а более лёгкие молекулы, содержащие 23sU, собираются в центре цилиндра. Поток, слегка обогащённого по 235UF6, подаётся на следующую центрифугу с более высокой степенью обогащения, а поток слегка обеднённого вещества подаётся назад на более низкую ступень обогащения. Процесс обогащения урана использует большое количество вращающихся цилиндров. Включённые последовательно и параллельно, они образуют газоразделительные каскады. Коэффициент разделения зависит от разности масс изотопов и от скорости вращения центрифуги. Степень обогащения на одной центрифуге намного больше, чем на одной, диффузионной ячейке (а=1,з по сравнению с 1,003 для диффузионного способа).

Центрифуга Зиппе (Zippe) - усовершенствованная газовая центрифуга, отличительной особенностью которой является использование высокой температуры. Основание вращающихся цилиндров нагревается, вызывая интенсивные конвекционные потоки, которые перемещают 235U в верхнюю часть цилиндра, где его забирают ковшами.

Разделение на одной ультрацентрифуге намного эффективнее, чем на одной диффузионной ступени: для достижения требуемого разделения требуется намного меньше установок. К тому же потребление энергии в ю раз меньше. Правда стоимость каждой центрифуги существенно превышает стоимость диффузионного модуля.

Рис. 4. Усовершенствованная центрифуга Зиппе, для разделения изотопов урана (сочетание вращения и нагрева).

В настоящее время перспективным считается лазерный метод разделения изотопов. Способ основан на том, что различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определённого изотопа. Получившиеся ионы можно легко разделить магнитным полем.

Процесс разделения состоит из нескольких стадий: 1. Из твёрдотельной фазы получают пар рабочего элемента (при использовании UF6 эта стадия отсутствует). Этот пар содержит естественную смесь изотопов. 2. Полученный пар ионизируют излучением лазеров. Для преимущественной ионизации нужного изотопа излучение лазера должно иметь очень малый разброс по частоте и его необходимо с большой точностью настроить на переходы соответствующего изотопа. 3. Ионы, имеющие обогащенный изотопный состав, экстрагируются из пара и транспортируются на коллектор с помощью электрического поля или его комбинации с магнитным полем.

Такая технология имеет высокую эффективность.

При завершении процесса обогащения урана, обычно в отходах остается 0.25+0.4% 235U, так как извлекать этот изотоп до конца экономически невыгодно. Обогащённый уран полезный продукт, а польза от обеднённого урана весьма незначительна - сегодня только 5% производимого в мире обеднённого урана находит применение.

Обогащенный изотопом 235U поток UF6 гидролизуют водными растворами, осаждают и прокаливают осадок, либо подвергают восстановительном)' пирогидролизу влажным Н2 до 1Ю2 или металлического урана. Полученные продукты используют для изготовления компонентов атомных бомб, или топлива для промышленных реакторов с целью наработки оружейного плутония. Обедненный изотопом ^UFe восстанавливают до UF4 и далее до металла, либо подвергают пирогидролизу до U3Oe.

Рис. 5. Газовые центрифуги в цех)' по разделению изотопов урана.

Разделительная способность обогатительного завода измеряется в единицах массы переработанного вещества (МПП) за единицу времени, например МПП-кг/год или МПП- тонн/год. Выход обогащённого продукта с предприятия заданной мощности зависит от концентрации нужного изотопа во входной породе, выходных отходах и конечном продукте. Исходное содержание полезного изотопа определено природным его содержанием. Зато два остальных параметра можно изменять. Если уменьшить степень извлечения изотопа из исходного вещества, можно увеличить скорость его выхода, но платой за это будет увеличение требуемой массы сырья. Принимая остаточную концентрацию в 0,25%, завод с производительностью 3100 МПП-кг/год произведёт 15 кг 90% 2»5U ежегодно из природного урана. Если взять в качестве сырья трёхпроцентный 235U (топливо для АЭС) и концентрацию 0.7% в отходах производства, тогда достаточно мощности 886 МПП-кг/год для того же выхода.

Единица работы разделения (Separative Work Unit, SWU), EPP - функция количества переработанного урана, состава исходного материала, и степени обогащения; она пропорциональна полному времени работы установки, требуемому для её достижения. Работа разделения, выполненная на отдельной ступени, определяется как концентрационное увеличение, достигнутое на этой ступени и выраженное в виде отношения потоков на выходе и входе.

Замечание. Современные центрифужные установки потребляют 50-^60 кВ-ч электроэнергии на ЕРР. Для получения 1 кг урана с обогащением 3,6% (1,48 кг обогащенного иКб) необходимо затратить 4,5 ЕРР.

Работа разделения (ЕРР) выражается в SWU - кг 51У или кг UTA (от немецкого Urantrennarbeit, т.е. на уран требуемая работа): l SWU = 1 кг = 1- кг UTA; 1 kSWU= nSW= it UTA; iMSWU= 1 кгSW= ikt UTA Единица EPP (SWU) - единица работы, затраченная на разделения 1 кг U, показывающая энергию, задействованную в обогащении, если количества исходного

вещества, хвостов и полученного продукта выражены в килограммах.

Рис. 6. Схема процесса обогащения урана методом центрифугирования.

Кроме единиц работы разделения (ЕРР), производимых

обогатительной установкой, учитывается другой параметр - масса природного урана, требуемая для производства нужного количества обогащённого урана. Количество требуемого материала зависит от уровня обогащения и от количества 235U в обеднённом уране. Однако, в отличие от ЕРР, требующихся в ходе обогащения, которые увеличиваются с уменьшением содержания 235U в обеднённом уране, количество необходимого природного урана уменьшается с уменьшением концентрации 235U в обеднённом ураном продукте.

Поскольку требования количества природного урана и ЕРР противоречат друг друга, то если природный уран дёшев, а обогащение дорого, то заводы будут стремиться оставлять больше 235U в обеднённом уране, а если природный уран сравнительно дорог, а обогащение довольно дёшево, то заводы выберут противоположный сценарий.

В России обогащением урана занимаются четыре предприятия: Ангарский электролизный химический комбинат (г. Ангарск, Иркутская область), Производственное объединение «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край), Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск, Свердловская область), Сибирский химический комбинат (г. Северск, Томская область). Их производственные мощности позволяют России в лице Росатома занимать 40% мирового рынка услуг по обогащению урана.

studme.org


Смотрите также