В этой статье расскажем, что значит обогащение урана без погружения в сложные формулы и описания. Вы узнаете, чем отличается обогащенный материал от «бедного» собрата, зачем это делают, что представляет собой процесс и как он осуществляется шаг за шагом, а также ― где в мире разработаны лучшие технологии.
Главное об обогащении урана
Обогащение урана ― сложный и высокотехнологичный процесс. Собрали ключевые тезисы статьи в список:
Цель обогащения урана ― увеличить долю «делящегося» изотопа урана-235 в смеси природных изотопов урана для эффективного использования в ядерных технологиях.
Большинство современных ядерных реакторов не могут устойчиво работать на природном уране из-за слишком низкой (0,7%) концентрации урана-235.
Основной метод обогащения урана ― газовое центрифугирование, или разделение изотопов в быстро вращающейся центрифуге возможно за счет разницы в массе атомов урана-235 и урана-238.
Центрифуга ― это высокотехнологичное устройство, вращающееся с огромной скоростью. Надежность и эффективность центрифуг критически важны.
Процесс обогащения многоступенчатый (каскадный). Уран предварительно превращают в газ. Каждая ступень центрифуг немного увеличивает концентрацию урана-235.
Глобальные игроки ― Россия, Китай, США, страны Европы, Япония и другие. Россия является технологическим лидером в газоцентрифужном обогащении урана.
Применение обедненного урана в основном неядерное ― балласты, бронебойные снаряды, радиационная защита. Также потенциально он может стать топливом будущего.
Обогащение урана – критически важная стадия ядерного топливного цикла, обеспечивающая топливом мирную атомную энергетику и другие ядерные технологии.
Что такое обогащение урана простыми словами
Представьте, что уран ― это похожие, но не совсем одинаковые братья-близнецы (уран-235 и уран-238). Они почти неразличимы, но у одного (уран-235) есть важное свойство: его атомы могут легко делиться в ядерном реакторе, высвобождая колоссальную энергию. Проблема в том, что в природном уране, который добывают из руды, такого «энергичного» брата урана-235 очень мало. Всего около 0,7%. Остальные 99,3% ― это более «ленивый» уран-238, который в обычных реакторах почти не участвует в цепной реакции деления.
Обогащение урана — это процесс увеличения доли «энергичного» урана-235. Фактически это разделение природного материала на две части. Первая содержит больше урана-235, чем в природе (например, 3−5% для АЭС), и это обогащенный уран. Вторая содержит меньше урана-235, чем в природе (обычно 0,1−0,3%), и это обедненный уран.
Говоря еще проще, обогащение урана — это «концентрация» нужного ученым и промышленникам изотопа.
СССР ― это родина не только атомной энергетики, но и газоцентрифужной технологии обогащения урана, которая оказалась наиболее эффективной из существующих в мире. В области мирного атома наша страна исторически является пионером, визионером и законодателем мод.
Зачем обогащают уран
Основная причина ― сделать возможной и эффективной работу большинства современных ядерных реакторов.
Для устойчивой работы реактора нужна цепная ядерная реакция. Это значит, что нейтрон, вылетевший при делении одного атома урана-235, должен с высокой вероятностью попасть в другой атом урана-235 и вызвать его деление. Если доля урана-235 в образцах слишком мала (как в природном уране), нейтроны чаще просто «убегают» или поглощаются без деления. Реакция в этом случае затухает.
Чтобы реактор на природном уране работал, его пришлось бы делать огромным и использовать для генерации энергии большое количество топлива. Это было бы неэффективно и экономически невыгодно.
Обогащение позволяет делать реакторы компактными и мощными, гораздо дольше использовать единицу топлива без замены, что также снижает количество опасных отходов, повышает безопасность и управляемость реакторов.
Для некоторых задач требуется уран с очень высокой долей урана-235. Например, исследовательские реакторы часто нуждаются в более высоком обогащении (до 20%) для получения интенсивных потоков нейтронов. Реакторам на атомных ледоколах или подводных лодках необходимо топливо с высокой энергоемкостью и длительным сроком службы без перезагрузки, поэтому и здесь используется высокообогащенный уран. Сверхвысокого обогащения (свыше 90% урана-235) требует и ядерное оружие, так как только так можно получить быструю и мощную цепную реакцию за доли секунды.
Как происходит обогащение урана
Сегодня практически все заводы по обогащению урана полагаются на газовое центрифугирование.
«В 50-е годы советские специалисты создали промышленную газоцентрифужную технологию разделения изотопов урана, и это изменило все. Уже первое-второе поколение центрифуг показали 20-кратное снижение потребления электроэнергии на единицу продукции по сравнению с газовой диффузией. С тех пор газоцентрифужная технология постепенно вытеснила все остальные альтернативы во всех странах, занимающихся производством обогащенного урана. С точки зрения эффективности у нее нет конкурентов», ― отмечает Александр Володенко.
Газовое центрифугирование ― многоступенчатый процесс. Он основан на небольшой разнице в массе атомов урана-235 и урана-238 (первый чуть легче, так как в его ядре на три нейтрона меньше). За счет этой, казалось бы, незначительной разницы в массе, отделить один от другого можно с помощью газового центрифугирования. Вот как это работает.
Получение «рабочего» газа
Природный уран в виде концентрата (обычно оксида урана U3O8) сначала превращают в гексафторид урана (UF6). Это единственное соединение урана, которое при умеренном нагреве (около 56 °C) переходит в газообразное состояние. Именно в виде газа UF6 уран поступает на завод по обогащению урана.
Центрифугирование
Газообразный гексафторид урана подается в центрифугу для обогащения урана. Эта высокотехнологичная установка представляет собой вертикальный цилиндр (ротор), вращающийся с огромной скоростью. Скорость вращения составляет десятки тысяч оборотов в минуту, а современные российские установки могут разгоняться до скорости более 1000 оборотов в секунду.
Если вспомнить ощущения, которые возникали в детстве, когда карусель раскручивалась все сильнее, можно понять, что испытывает уран во время работы центрифуги. Под действием чудовищной центробежной силы более тяжелые молекулы с атомом урана-238 «прижимаются» к внешней стенке центрифуги. Их отбрасывает к краям вращающегося цилиндра. В то же время более легкие молекулы с атомом урана-235 концентрируются ближе к оси вращения центрифуги.
Отбор фракций
В верхней части центрифуги установлены специальные отборники. Один забирает поток газа, где больше легкого и «энергичного» урана-235 (из центральной зоны), а второй — поток газа, где больше тяжелого и «медленного» урана-238 (из периферийной зоны).
Каскадирование
Одна центрифуга увеличивает концентрацию урана-235 совсем ненамного. Поэтому центрифуги соединяют в длинные последовательные цепочки — каскады. Обогащенный поток с одной ступени подается на вход следующей ступени для дальнейшего повышения концентрации урана-235. Обедненный поток либо отправляется обратно на предыдущие ступени, либо выводится как отход (так получается обедненный уран). Чем больше ступеней в каскаде, тем выше итоговое обогащение.
Достижение нужного «процента обогащения урана»
По мере прохождения газа через множество ступеней каскада концентрация урана-235 постепенно повышается до требуемого уровня — будь то 4−5% для АЭС, 20% для исследовательского реактора или выше. Полученный обогащенный гексафторид урана (UF6) затем превращают в топливные таблетки (оксид урана UO2) для АЭС или в другие нужные формы.
«Обогащенный уран необходим не только для работы АЭС, но и для производства ядерного топлива в целом, ― продолжает эксперт. ― А ядерное топливо требуется абсолютно всем типам реакторов: и энергетическим, и исследовательским, и транспортным (для энергетических установок атомных ледоколов)».
Добавим, что ранее ученые разделяли уран-235 и уран-238 и другими способами: с помощью газодиффузионного и термодиффузионного методов, электромагнитного и аэродинамического методов. Также сегодня активно исследуются и другие способы разделения «братьев», например, лазерное обогащение урана. Однако все они пока не могут сравниться с центрифугами с точки зрения экономических показателей.
В Соединенных Штатах уже несколько десятков лет ведутся работы по созданию лазерной технологии обогащения урана. Пока эти проекты ― на стадии исследований и опытно-конструкторских разработок.
В каких странах обогащают уран
Подходящие технологии и мощности по промышленному обогащению урана есть лишь в небольшом количестве стран. Это сложная, высокотехнологичная и стратегически важная отрасль, поэтому многие государства эксплуатируют ядерные реакторы и покупают топливо за рубежом.
«Если у вас маленькая страна с энергосистемой небольшой мощности, то такой путь ― наиболее оптимальный. Если страна крупная, динамично развивающаяся и имеющая планы по строительству большого количества атомных энергоблоков, то можно договориться с поставщиками топлива о локализации фабрикационного производства, а обогащенный уран можно покупать на мировом рынке ― это биржевой товар. В целом страны, обладающие технологией обогащения урана, ― это достаточно узкий закрытый клуб», ― рассуждает Александр Володенко.
Ниже представлен список стран, обладающих технологией обогащения урана.
Россия — мировой лидер по объему и технологиям газового центрифугирования. В топливном дивизионе Росатома 4 крупных предприятия, которые занимаются обогащением урана — УЭХК в Новоуральске, ЭХЗ в Зеленогорске, АЭХК в Ангарске, СХК в Северске.
Китай активно наращивает мощности, используя как собственные технологии, так и российские наработки.
США имеют значительные мощности, но в основном полагаются на менее эффективные газодиффузионные технологии, нежели на центрифуги, но постепенно переходят на центрифуги.
Нидерланды, Великобритания, Германия объединились в консорциум URENCO и используют газоцентрифужную технологию. Заводы, соответственно, расположены в этих странах.
Япония имеет собственный завод по обогащению центрифужным методом.
Иран развивает свои обогатительные мощности (и снова центрифуги).
Пакистан, Индия и Бразилия имеют ограниченные мощности для собственных нужд.
Разница между обогащенным и обедненным ураном
Главное отличие обогащенного и обедненного урана, как мы отметили выше, в содержании изотопа урана-235:
Природный уран содержит примерно 0,7% урана-235.
Низкообогащенный (НОУ) — до 20% урана-235 (основа топлива для АЭС).
Высокообогащенный (ВОУ) — свыше 20% урана-235 (для исследовательских реакторов, морского флота, оружия).
Обедненный уран — меньше 0,7% урана-235 (обычно 0,1–0,3%). Это основной «отход» процесса обогащения.
Применение
Обогащенный уран используют как ядерное топливо (на АЭС, в исследовательских реакторах, в корабельных установках) и как компонент ядерного оружия.
Обедненный уран из-за высокой плотности и относительной дешевизны используют как:
балласт и противовес в авиации и судостроении (использование сокращается);
сердечники бронебойных снарядов и элемент брони танков;
защиту от радиации (в медицине и в промышленности);
потенциальное сырье для реакторов будущего (реакторов на быстрых нейтронах, где уран-238 может «перестраиваться» в поддерживающий цепную реакцию плутоний-239) и основа замкнутого ядерного топливного цикла.
Обедненный уран слаборадиоактивен, к тому же химически токсичен, как и все соединения урана. Поэтому его хранение и использование требуют особой осторожности.
«Обедненный гексафторид урана ― ОГФУ ― корректнее называть не отходами, а оборотами обогатительного производства. Он содержит множество ценных элементов, которые подлежат повторному вовлечению в ядерный топливный цикл, и не только», ― объясняет эксперт.
Как отмечает Александр Володенко, существуют технологии и производственные участки, в том числе в топливном дивизионе «Росатома», по переработке ОГФУ в химически безопасную форму ― оксид урана.
Если производство ОГФУ ― фторирование ― называют конверсией урана, то обесфторивание, то есть отделение фтора ― это деконверсия.
«Деконверсия (по технологии пирогидролиза) позволяет переводить ОГФУ в химически безопасное состояние ― закись-окись урана в виде порошка. В такой форме обедненный уран может бесконечно долго храниться в контейнерах на открытых площадках без каких-либо рисков для окружающей среды. Также он полностью безопасен для перевозки. Именно в форме закиси-окиси уран наиболее часто встречается в природе.
Обедненный уран необходим для изготовления уран-плутониевого топлива для реакторов на быстрых нейтронах. Также в результате деконверсии получаются фторсодержащие продукты ― плавиковая кислота и безводный фтористый водород. Частично эта продукция реализуется на рынке, частично ― поставляются «обратно» на конверсионное производство Росатома», ― рассказывает Александр Володенко.
Мнение эксперта: есть ли риски хранения обедненного урана
Отходы обогащения урана в виде обедненного урана достигают по всему миру миллионов тонн и хранятся они в стальных контейнерах. Часть перерабатывают для дообогащения. Наука Mail спросила у эксперта, существуют ли реальные риски при хранении и перевозке таких отходов.
«Атомная промышленность существует уже 80 лет. За это время вопросы обращения с ОГФУ полностью отрегулированы, включая безопасное хранение и перевозку, в том числе на уровне МАГАТЭ. Пока неизвестен ни один случай крупной аварии с ОГФУ, которая бы привела к пострадавшим среди населения», ― отвечает Александр Володенко.
По мнению Александра Володенко, риски применительно к гексафториду ― это вопросы по сути не ядерной и радиационной безопасности, а химической промышленности.
Уровень радиоактивности обедненного урана, определяемый содержанием радиоактивного изотопа урана-235, ― по определению намного ниже, чем у природной урановой руды. При этом в мире ведется активная торговля природным ураном, и это ни у кого не вызывает обеспокоенности.
«Сам по себе гексафторид ― это химически агрессивное вещество, но существует практика его безопасного хранения в специальных контейнерах на производственных площадках, ― продолжает эксперт. ― Причем в состояние газа урановый гексафторид приводят только для обогащения в каскадах центрифуг, а внутри контейнера он находится в твердом агрегатном состоянии, напоминающем плотный снежный наст или измельченный лед. В случае разгерметизации контейнера (например, в результате долгого использования в климатических условиях перепада температур), то есть в случае появления в поверхности контейнера небольшого отверстия, гексафторид начинает активно реагировать с влагой, которая содержится в атмосферном воздухе».
Это приводит к появлению на поверхности корки уранилфторида, нелетучего твердого вещества. Такая химическая реакция не позволяет продуктам из контейнера выбраться наружу.
