Все типы изотопов металлического урана в основном используются в ядерной энергетике. В ядерных реакторах происходят контролируемые цепные реакции, позволяющие вырабатывать огромное количество электроэнергии. Может использоваться как низко, так и высокообогащенный уран (в реакторах на быстрых нейтронах).
Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный?
Правда ли, что природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.
- 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.
Это будет статья о методах обогащения. Сырьем для обогащения служит не чистый металлический уран, а UF.6который, благодаря своим свойствам, является наиболее подходящим химическим соединением для обогащения изотопов. Для химиков следует отметить, что фторирование урана осуществляется в вертикальном плазменном реакторе. Несмотря на большое количество методов обогащения, на сегодняшний день в промышленных масштабах используются только два: Газообразная диффузия и центрифугирование. В обоих случаях используется газ UF6.
К делу: Разделение изотопов. В обоих методах эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α — соотношением между долей «легкого» изотопа в «продукте» и его долей в первичной смеси.
В большинстве методов α немного больше единицы, поэтому один процесс разделения изотопов приходится повторять несколько раз (каскады) для достижения высокой концентрации изотопов. Например, в процессе газовой диффузии α = 1,00429, а в центробежных машинах значение сильно зависит от окружной скорости — при 250 м/с α = 1,026, при 600 м/с α = 1,233. Только в электромагнитной сепарации α составляет 10-1000 за 1 цикл сепарации. В конце будет приведена сравнительная таблица для различных параметров.
Весь каскад обогатительной машины всегда делится на этапы. На первой стадии каскада разделения поток сырья разделяется на два потока: обедненный поток (который удаляется из каскада) и обогащенный поток. На этапе 2 подается обогащенный корм. На стадии 2 обогащенный поток разделяется во второй раз: обогащенный поток со стадии 2 поступает на стадию 3, а обедненный поток возвращается на предыдущую стадию (стадию 1) и т.д. На последнем этапе каскада отбирается конечный продукт с желаемой концентрацией определенного изотопа.
Я кратко опишу основные методы разделения, когда-либо использовавшиеся в мире.
Электромагнитное разделение
С помощью этого метода можно разделить компоненты смеси в магнитном поле и с высокой степенью чистоты. Электромагнитная сепарация является исторически первым методом, разработанным для разделения изотопов урана.
Поскольку разделение может осуществляться с ионами урана, преобразование урана в UF6в принципе не требуется. Этот метод обеспечивает высокую чистоту, но низкую эффективность и высокое энергопотребление. Материал, изотопы которого необходимо разделить, помещается в тигель с источником ионов, испаряется и ионизируется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры под действием сильного электрического поля. Пучок ионов попадает в вакуумную сепарационную камеру в магнитном поле H, которое перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим собственным контурам с различными (в зависимости от их массы) радиусами кривизны. Посмотрите на рисунок и вспомните школьные уроки, на которых мы все вычисляли радиус, с которым электрон или протон будет лететь в магнитном поле.
Диаграмма, показывающая принцип электромагнитной сепарации.
Преимуществом этого метода является использование относительно простой технологии (calyutrons: CAL ifornia U niversity), которая применялась для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имела 5184 разделительные камеры — «calyutrons» — и позволила впервые получить килограммовые количества 235U с высоким обогащением — 80% и более.
В Манхэттенском проекте калютроны использовались после термодиффузии — альфа-калютроны питались 7% (завод Y-12) и обогащались до 15%. Оружейный уран (до 90%) производился из бета-калютрона на заводе Y-12. Альфа- и бета-калитроны не имеют ничего общего с альфа- и бета-частицами, а представляют собой две «линии» калитронов, одна для предварительного обогащения, другая — для окончательного.
Метод может разделять любую комбинацию изотопов и имеет очень высокую скорость разделения. Двух проходов достаточно для обогащения более 80 % плохого вещества с исходным содержанием менее 1 %. Производительность определяется ионным током и эффективностью захвата ионов — до нескольких граммов изотопов в день (суммарно для всех изотопов).
Один из цехов электромагнитной сепарации в Ок-Ридже (США).
Гигантский А-катетер на том же заводе
Диффузионные методы
Для первого обогащения использовались диффузионные методы. Наряду с электромагнитным методом, он исторически является одним из первых. Под диффузионным методом обычно подразумевается газовая диффузия, при которой гексафторид урана нагревается до определенной температуры и пропускается через «сито» — специально сконструированный фильтр с отверстиями определенного размера.
Выдержка из отчета Кокоина (6 сентября 1945 года):
Если газ, состоящий из двух типов молекул (в нашем случае двух изотопов), пропустить через маленькое отверстие или через решетку, состоящую из множества маленьких отверстий, то можно увидеть, что легкие молекулы газа проходят в большем количестве, чем тяжелые. Важно отметить, что это явление происходит только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем, т.е. когда свободный путь молекулы больше диаметра отверстия. Следовательно, газ, проходящий через решетки, кажется бедным легкими молекулами. На практике, однако, всегда существует обратная проницаемость газа через решетку, поэтому увеличение концентрации легких изотопов (обогащение) на самом деле несколько меньше.
Самым важным здесь является теорема о размере отверстий. Первоначально решетка была механической, но никто не знает, как она устроена сегодня. Кроме того, материал должен функционировать при высоких температурах, отверстия не должны засоряться, их размер не должен изменяться под воздействием коррозии и т.д. Технология диффузионных барьеров до сих пор остается секретной — то же ноу-хау, что и для центрифуг.
Более подробная информация под спойлером, из того же отчета.
«О состоянии научно-исследовательской и практической работы лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом».
Чем больше перепад давления в сети, тем больше обогащение. Перепад давления обычно создается компрессором (насосом), который перемещает газ между ситами. Эта система, состоящая из сит и компрессора, перемещающего газ, является этапом сепарации.
В качестве газа мы используем гексафторид урана. Это соль, обладающая относительно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Правило для сит заключается в том, что диаметр их отверстия должен быть меньше длины свободного пробега молекул гексафторида урана. Последнее, как известно, обратно пропорционально давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул составляет около 1/10000 мм. Таким образом, если бы мы смогли построить тонкую решетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.
Сегодня мы научились строить решетки с отверстиями примерно 5/1000 мм, то есть в 50 раз больше длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором происходит разделение изотопов в таких решетках, должно быть меньше 1/50 от атмосферного давления. На практике мы предполагаем, что работаем при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа в непрерывном процессе может быть достигнуто с помощью масштабной установки, состоящей из большого количества последовательно соединенных ступеней. Расчеты показывают, что для получения продукта, обогащенного до концентрации 90% легких изотопов (концентрация, достаточная для производства взрывчатых веществ), необходимо соединить в каскад около 2000 таких ступеней. Установка, которую мы частично проектируем и строим, рассчитана на производство 75-100 г урана-235 в день. Машина будет состоять примерно из 80-100 «колонн», с 20-25 этапами в каждой колонне. Общая площадь сети (площадь сети определяет мощность всей установки) составит около 8000 м 2. Общая мощность, потребляемая компрессорами, составит 20 000 кВт.
