Оригинал взят у arctus

* * *
Добыть природный уран — это полдела. Для того чтобы он мог работать в реакторе, давая энергию, его нужно обогатить. То есть увеличить в нем содержание изотопа U235 примерно в пять раз. А это занятие очень и очень непростое, поскольку U235 от своего полного химического «родственника» U238 отличается совсем чуть-чуть — всего тремя нейтронами из имеющихся в ядре более чем двухсот тридцати.

Известны три способа обогащения урана. Причем все они требуют использования урана в виде газообразного соединения с минимумом «лишних» атомов в молекуле. Наиболее удобным из таких соединений оказался гексафторид, в котором «тяжелый» атом урана соединен с шестью «легкими» атомами фтора, и который превращается в газ при температуре 56,5°С.

Первый способ обогащения — газодиффузионный. В нем гексафторид урана «продавливается» через мелкопористую среду, и в результате более легкие молекулы с U235 «забегают вперед», накапливаясь во фронтальной части газодиффузионной колонны.

Второй способ обогащения — газоцентрифужный. В нем гексафторид урана поступает во вращающуюся с большой скоростью центрифугу, и в ней более легкие молекулы с U235 накапливаются ближе к оси вращения, а более тяжелые молекулы с U238 «отбрасываются» к стенкам и удаляются.

Третий способ (который пока не вышел из опытно-производственной стадии) — лазерно-электростатический. В нем лазерное излучение с очень точно подобранным уровнем энергии избирательно «выбивает» электроны из атомов U235 в гексафториде, превращая их в положительно заряженные ионы. А далее эти ионы «прилипают» к отрицательному электроду обогатительной установки.

Сложно? На самом деле гораздо сложнее, чем здесь написано. И не только сложно, но еще и весьма дорого. А потому стран, которые имеют собственные мощности обогащения урана, в мире всего 15. В алфавитном порядке: Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Бельгия, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония. Причем у России — 40% мировых мощностей обогащения урана, у США — 20%, у Франции — 15%, у Германии, Великобритании и Бельгии вместе — 22%, у остального мира — всего 3%.

Но ведь обогащать уран можно по-разному. Можно до энергетических 3,5% U235, а можно и до оружейных 80-90% U235 (и затем делать ядерное оружие). И потому страны, которые занимаются обогащением урана, обязаны поставить свои обогатительные комплексы под контроль и инспектирование МАГАТЭ.

Однако для нашей темы важнее другое.

Поскольку на первых стадиях «ядерной гонки» между Западом и СССР главным вопросом были бомбы, сфера обогащения урана была строго засекречена. И если Запад (прежде всего, США) пошел по линии газодиффузионного обогащения, то СССР — по пути центрифуг.

В результате оказалось, что и по затратам энергии на обогащение урана, и по эффективности обогащения «русский способ» лучше американского минимум в 20 раз! Вот какое «экономическое ядерное оружие» придумали и создали советские умельцы. Причем за более чем 20 лет, прошедшие после раскрытия части советских «центрифужных» секретов, ни США, ни какая-либо другая страна в этой сфере «догнать и перегнать» Россию не смогла. Сейчас у США и Франции только появляются современные качественные центрифуги, но достаточного количества заводов, способных поставить дешевое хорошее обогащение на промышленный поток, еще нет. И построить такие заводы — опять-таки дело сложное и долгое.
* * *
Из отрывка работы Ю.В. Бялого по ядерной энергетике в рамках цикла "Большая энергетическая война".
Читайте :
- о ресурсообеспеченности ядерной энергетики;
- первой десятка стран-обладателей этих резервов;
- мировая борьба за контроль имеющихся крупных месторождений урана, горячая и "тихая";
- важные ньюансы контрактов на строительство АЭС.

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.

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

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.

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.)

обогащение урана, обогащение урана американский метод

Обогащение урана Информацию О

Обогащение урана является одним из ключевых шагов в создании ядерного оружия. Только определенный вид урана работает в ядерных реакторах и бомбах.

Отделение этого типа урана от более распространенного сорта требует большого инженерного мастерства, несмотря на то, что технологиям необходимым для этого, уже десятилетия. Задача состоит не в том чтобы выяснить как отделить уран, а в том, чтобы построить и запустить оборудование, необходимое для выполнения этой задачи.

Урана атомы, как и атомы элементов встречающиеся в природе в разновидности называются изотопами. (Каждый изотоп имеет различное количество в своем ядре.) Уран-235, изотоп, который составляет менее 1 процента всего природного урана, обеспечивает топливом для ядерных реакторов и ядерных бомб, в то время как уран-238, изотоп, который составляет 99 процентов природного урана, не имеет ядерного использования.

Ключ к разделению

Ключ к их разделению заключается в том, что атомы урана-235 весят несколько меньше, чем атомы урана-238.

Для того чтобы отделить малюсенькое количество урана-235, который присутствует в каждом природном образце урановой руды, инженеры сначала с помощью химической реакции превращают уран в газ.

Затем газ вводят в центрифужные трубы цилиндрические формы размером с человека или больше. Каждая трубка вращается по своей оси на невероятно высоких скоростях, вытягивая более тяжелые молекулы газа урана-238 в центр трубки, оставляя более легкие молекулы газа урана-235 ближе к краям трубки, где их можно высосать.

Каждый раз, когда газ вращают в центрифуге, только небольшое количество урана-238 газ удаляется из смеси, поэтому трубы используются в серии. Каждая центрифуга вытаскивает немного урана-238, а затем передает слегка очищенную газовую смесь на следующую трубу и т. д.

Преобразование газового урана

После разделения газообразного урана-235 на многих этапах центрифуг, инженеры используют другую химическую реакцию для преобразования газового урана обратно в твердый металл. Этот металл можно позже сформировать для пользы в или реакторах или бомбах.

Поскольку каждый шаг только очищает смесь уранового газа на небольшое количество, страны могут позволить себе только запускать центрифуги, которые спроектированы до самого высокого уровня эффективности. В противном случае производство даже небольшого количества чистого урана-235 становится непомерно дорогим.

И проектирование и изготовление этих центрифужных труб требует определенного уровня инвестиций и технического ноу-хау за пределами досягаемости многих странах. Трубы требуют особенные типы стали или смесей которые выдерживают значительное давление при вращении, должны быть совершенно цилиндрическими и изготовлены специализированными машинами, трудными для построения.

Вот пример создания бомбы, которую Соединенные Штаты сбросили на Хиросиму. Нужно 62 кг урана-235, чтобы сделать бомбу, по данным «создание атомной бомбы» (Саймон и Шустер, 1995).

Разделение этих 62 кг от почти 4 тонн урановой руды произошло в крупнейшем в мире здании и использовало 10 процентов электроэнергии всей страны. Для строительства сооружения потребовалось 20 000 человек, 12 000 человек эксплуатировали объект, а в 1944 году его оснащение обошлось более чем в 500 миллионов долларов.»Это около $7,2 миллиарда долларов в 2018 году.

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

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
• Япония
• Россия
• Китай
• Пакистан
• Бразилия

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.