Table of Contents

Введение в разделение изотопов

Разделение изотопов является одним из наиболее технически сложных и стратегически важных промышленных процессов современной эпохи. В своей основе технология включает разделение изотопов данного элемента - атомов, которые имеют одинаковое количество протонов, но отличаются количеством нейтронов - для получения желаемого изотопного состава. В то время как различные элементы обрабатываются для медицинских, промышленных и научных целей, ни один из них не является более важным, чем уран. Способность обогащать расщепляющийся изотоп уран-235 (U-235) из гораздо более распространенного урана-238 (U-238) лежит в основе как гражданской ядерной энергетики, так и разработки ядерного оружия. В этой статье исследуется наука, методы, проблемы и глобальное значение обогащения урана, предлагая подробный взгляд на то, как, казалось бы, небольшая разница в массе нескольких нейтронов формирует международную безопасность и энергетическую политику.

Практическая важность разделения изотопов проистекает из того факта, что большинство встречающихся в природе элементов представляют собой смеси изотопов с почти идентичными химическими свойствами. Разделение их требует использования тонких физических различий - чаще всего массы - посредством процессов, которые являются энергоемкими и технологически сложными. Для урана исходным материалом является природная урановая руда, которая обычно содержит около 99,274% U-238 и 0,720% U-235 (остальные остатки являются следовыми количествами U-234). Поскольку только U-235 может поддерживать самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию с термическими нейтронами, концентрация этого изотопа должна быть увеличена для большинства практических применений. Процесс обогащения поэтому перемещает фракцию U-235 от 0,72% до уровней от 3-5% для топлива реактора легкой воды и до 90% или более для материала оружейного класса.

Понимание изотопов урана

Чтобы понять, почему необходимо обогащение, необходимо сначала понять ядерные свойства двух основных изотопов урана. Оба U-238 и U-235 радиоактивны, с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет (U-238) и 704 миллиона лет (U-235). Их цепи распада производят множество дочерних изотопов, некоторые из которых сами по себе радиоактивны и способствуют общей опасности урановой руды. Однако критическое различие заключается в их взаимодействии с нейтронами.

Расщепляемость U-235

U-235 является единственным естественным изотопом, который является расщепляющимся - это означает, что он может поглощать термический (медленно движущийся) нейтрон и впоследствии расщепляться на два более легких ядра, высвобождая энергию и дополнительные нейтроны. Эта цепная реакция является основой как для ядерных реакторов, так и для ядерного оружия. Вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление в U-235 составляет около 580 амбаров (единица ядерного поперечного сечения), тогда как для U-238 то же самое поперечное сечение эффективно равно нулю для тепловых нейтронов. U-238 может, однако, поглощать быстрые нейтроны и подвергаться делению, если энергия нейтрона выше около 1 МэВ, но это не полезно для устойчивых цепных реакций в большинстве конструкций реактора.

Поглощение нейтронов в U-238

U-238 плодороден, а не расщепляется. Когда U-238 захватывает нейтрон, он становится U-239, который бета-распады сначала до нептуния-239, а затем до плутония-239 (период полураспада 2,4 дня). Плутоний-239 сам расщепляется и может использоваться в качестве топлива, поэтому ядерные реакторы производят плутоний в качестве побочного продукта. Этот процесс преобразования используется в реакторах-размножителях для производства большего количества расщепляющегося материала, чем они потребляют. Однако для самого процесса обогащения присутствие U-238 является проблемой, потому что он действует как нейтронный яд — поглощающий нейтроны, которые в противном случае поддерживали бы цепную реакцию — если топливо не обогащено достаточно.

Естественный состав урана

Природный уран представляет собой смесь, которая оставалась по существу постоянной в течение геологических временных рамок из-за очень длительного периода полураспада основных изотопов. Изотопное соотношение удивительно равномерно по отложениям во всем мире. Единственный практический способ изменить это соотношение - это обогащение, которое требует подачи урана в виде газа гексафторида урана (UF6) - единственного химического соединения, которое может быть удобно испарено при комнатной температуре. UF6 сублимируется при 56,5 ° C при атмосферном давлении, что позволяет обрабатывать его в качестве газа в процессах, которые зависят от молекулярного движения. Разница в массе между 235UF6 (молекулярный вес ~ 349) и 238UF6 (молекулярный вес ~ 352) составляет всего около 0,86%, что является небольшим рычагом, который должны использовать все методы обогащения.

Почему обогащают уран?

Цель обогащения состоит в том, чтобы увеличить концентрацию U-235 до уровня, где самоподдерживающаяся цепная реакция может поддерживаться в данной конструкции реактора. В то время как природный уран может использоваться в нескольких типах реакторов (в первую очередь, реакторы Magnox в Великобритании и реакторы CANDU в Канаде), подавляющее большинство ядерных электростанций в мире - более 400 единиц - являются реакторами легкой воды (LWR), которые требуют обогащенного урана. LWR используют обычную воду как охлаждающую жидкость, так и нейтронный модератор, и поглощение нейтронов водородом в воде является значительным, что требует более высокой концентрации U-235 в топливе.

Низкообогащенный уран (LEU)

Низкообогащенный уран обычно содержит 3–5% U-235. Это стандартное топливо для реакторов с водой под давлением (PWR) и реакторов с кипящей водой (BWR). НОУ не считается непосредственно используемым оружием, потому что ядерное устройство требует критической массы, которая была бы непрактично большой с такой низкой концентрацией. Тем не менее, НОУ может быть дополнительно обогащен до более высоких уровней, если у него есть возможность. Большинство коммерческих обогатительных установок производят НОУ для выработки электроэнергии под международными гарантиями.

Высокообогащенный уран (HEU)

Высокообогащенный уран определяется как содержащий по меньшей мере 20% U-235, но оружейный материал обычно превышает 80% и часто 90% + U-235. ВОУ используется в военно-морских реакторах (например, для авианосцев и подводных лодок) из-за требований к компактной плотности мощности, а также в некоторых исследовательских реакторах и изотопных производственных объектах. Риск распространения, связанный с ВОУ, является экстремальным, поэтому международные усилия постоянно стремятся минимизировать его использование и преобразовывать исследовательские реакторы в топливо НОУ. Одно ядерное оружие требует примерно 15-25 кг ВОУ, в зависимости от конструкции.

Топливный цикл

Обогащение является ключевым этапом ядерного топливного цикла. Процесс начинается с добычи урана, фрезерования и преобразования в UF6. После обогащения UF6 превращается в порошок диоксида урана (UO2), прессуется в гранулы и изготавливается в топливные стержни. Отработанное топливо из реакторов по-прежнему содержит около 1% U-235 (плюс плутоний и продукты деления) и может быть переработано для переработки расщепляющегося материала, хотя это спорно из-за проблем с распространением. Сам процесс обогащения производит хвостовой поток обедненного урана (обычно содержащий 0,2-0,3% U-235), который хранится в качестве UF6 или дополнительно обрабатывается для использования в бронебойных боеприпасах или радиационном экранировании.

Методы разделения изотопов

За последние восемь десятилетий ученые и инженеры разработали множество физических процессов для разделения изотопов урана. Каждый метод использует небольшую разницу в массе, но с резко различающейся эффективностью, затратами и технологическими проблемами. Сегодня технология газовых центрифуг доминирует на рынке обогащения, но понимание альтернатив обеспечивает контекст для исторической эволюции и продолжающегося поиска лучших методов.

Газообразная диффузия

Газообразная диффузия была первой крупномасштабной технологией обогащения урана, развернутой во время Манхэттенского проекта и широко используемой Соединенными Штатами, Францией, Советским Союзом и Соединенным Королевством до конца 20-го века. Процесс основан на принципе, что более легкие молекулы UF6 диффундируют через пористую мембрану быстрее, чем более тяжелые. Теоретический коэффициент разделения на стадию дается квадратным корнем отношения молекулярных масс: sqrt(352/349) ≈ 1,0043. Этот невероятно маленький фактор означает, что для производства даже низкообогащенного урана требуются тысячи стадий. Типичный диффузионный каскад может потребовать 1200-1400 стадий. Потребление энергии огромно - около 2500 кВтч на SWU (отдельный рабочий блок) - потому что газ должен быть сжат и охлажден между каждой стадией, и мембраны должны поддерживаться в высоком вакууме с одной стороны.

Сами диффузионные мембраны являются шедевром материаловедения, как правило, изготовлены из спеченного никеля или оксида алюминия с порами всего 10-20 нанометров в диаметре. Любой дефект или засорение разрушили бы разделение. Газообразные диффузионные установки в США (Падука и Пикетон) работали с 1950-х годов до 2013 года, когда последний объект (Падука) был закрыт из-за высоких затрат и устаревания. Сегодня коммерческие диффузионные установки не остаются в эксплуатации.

Газовая центрифуга

Метод газовой центрифуги, разработанный первоначально в 1940-х годах, но усовершенствованный в 1960-х-1980-х годах, стал глобальным стандартом, потому что он потребляет только около 50 кВтч на SWU - примерно в 50 раз более энергоэффективный, чем диффузия. Принцип работы прост: газ UF6 подается в цилиндрический ротор, который вращается на чрезвычайно высоких скоростях, обычно 60 000 - 80 000 оборотов в минуту (RPM) для алюминиевых роторов и до 100 000 оборотов в минуту для передовых композитных роторов из углеродного волокна. Полученная центробежная сила создает градиент давления: более тяжелые молекулы (U-238) концентрируются у оси, в то время как более легкие (U-235) концентрируются вблизи оси. Коэффициент разделения на стадии зависит от скорости и длины ротора и может быть до 1,1-1,3, что означает, что требуется гораздо меньше стадий - обычно несколько сотен для производства НОУ.

Центрифуги расположены в каскадах тысяч машин, соединенных последовательно и параллельно для достижения необходимого уровня обогащения. Конструкция каскада позволяет использовать несколько точек подачи и вывода продукта на промежуточных стадиях. Критической для производительности центрифуги является система баланса и подшипника ротора, которая должна работать без вибрации в течение многих лет. Мощность обогащения центрифуги измеряется в SWU в год, начиная от нескольких SWU для более старых конструкций до более 100 SWU для современных машин, таких как G-6, используемый в установках Urenco. Центрифуги также очень чувствительны к чистоте подачи газа - любые коррозионные примеси могут повредить компоненты ротора или молекулярного насоса.

Лазерное обогащение

Лазерное изотопное разделение (LIS) предлагает потенциал для гораздо более высоких факторов разделения, поскольку оно непосредственно нацелено на электронные или вибрационные энергетические уровни изотопа. Исследованы два основных подхода: разделение изотопов атомного пара (AVLIS) и разделение молекулярных лазерных изотопов (MLIS). В AVLIS урановый металл испаряется в вакуумной камере, и точно настроенный лазерный луч избирательно возбуждает атомы U-235 (которые имеют немного другую длину волны поглощения из-за гипертонического расщепления). Возбужденные атомы затем ионизируются вторым лазером и собираются на заряженных пластинах, в то время как нейтральные атомы U-238 падают на дно. AVLIS продемонстрировал коэффициенты разделения более 1000 в лабораторных условиях, но масштабирование до промышленного производства оказалось непомерно сложным и дорогим.

MLIS использует газ UF6 в сочетании с газом-носителем, таким как аргон или водород. Настраиваемый углекислый газ или лазер на свободных электронах настроен на вибрационный режим, уникальный для 235UF6. Возбужденные молекулы затем избирательно диссоциируются вторым лазером, что позволяет отделять продукт химически. Несмотря на десятилетия исследований (включая возглавляемую США программу SILVA во Франции и проект US Silex), в настоящее время не работает ни одна коммерческая установка по обогащению лазера. Однако Global Laser Enrichment (партнерство между GE-Hitachi и Silex Systems) лицензировала технологию Silex и разрабатывает коммерческий объект в Северной Каролине, хотя его будущее остается неопределенным из-за экономических и нормативных препятствий.

Другие методы

Электромагнитное разделение изотопов (калутрон, используемый в Манхэттенском проекте) использует большие магниты для изгиба пучков ионов урана, с более легкими ионами, следующими за более плотным радиусом. Хотя он достиг высокого обогащения, его пропускная способность мизерна, а потребление энергии огромно. Тепловая диффузия, основанная на температурных градиентах в жидкости или газе, использовалась в Манхэттенском проекте для производства частично обогащенного корма для калутронов. Метод сопла Беккера, который заставляет UF6 через изогнутое сопло на сверхзвуковой скорости, был испытан в Германии и Бразилии, но никогда не масштабировался коммерчески. Наконец, методы химического обмена используют крошечные различия в скорости реакции между изотопами в химических реакциях - они используются для других элементов, таких как бор или литий, но не были успешными для урана в промышленном масштабе.

Наука, стоящая за обогащением газовых центрифуг

Учитывая, что газовая центрифуга доминирует в современной обогатительной промышленности, она заслуживает более глубокого изучения.Физика центробежного разделения коренится в гидродинамике и термодинамике в экстремальных условиях вращения.

Основные принципы центробежного разделения

При спинах цилиндрического ротора газ внутри подвергается радиальному центробежному ускорению, которое в миллионы раз сильнее гравитации.Распределение радиального давления равновесия задается барометрическим уравнением, модифицированным для центробежной силы: P(r) = P0 exp (m ω2 r2 / (2kT) ), где P0 — давление на оси, m — молекулярная масса, ω — угловая скорость, r — радиус, k — постоянная Больцмана, а T — температура. Поскольку показатель экспоненты пропорционален массе, более тяжелые молекулы испытывают большее давление (и, следовательно, концентрацию) возрастание на внешней стенке по сравнению с более легкими молекулами. Коэффициент обогащения α (отношение изотопных соотношений на внешнем и внутреннем радиусах) задается α = exp ( (M2−M1) ω2 r2 / (2RT) ), где M1 и M2 — молярные массы двух UF6 видов, а R — универсальная газовая постоянная.

Дизайн каскадов и SWU

Один центрифугальный этап обычно достигает коэффициента обогащения (на этап) от 1,05 до 1,20 для урана. Чтобы достичь 3-5% обогащения от 0,72% природного корма, каскаду может потребоваться 10-20 этапов в идеальном противотоковом расположении, но на практике асимметрия и потери смешивания требуют большего. Размер каскада измеряется в разделительных рабочих единицах (SWU), которые количественно оценивают количество разделения, достигнутого на единицу энергии и капитальных инвестиций. Один SWU эквивалентен работе, необходимой для разделения данной массы корма на два потока (продукт и хвосты) указанных композиций. Глобальная мощность обогащения в настоящее время составляет около 70 миллионов SWU в год, причем основными поставщиками являются Urenco (Великобритания / Нидерланды / Германия), Росатом (Россия), Орано (Франция) и CNNC (Китай).

Ключевые компоненты центрифуги

Современные центрифуги состоят из тонкостенной трубки ротора (до 0,5 м в диаметре и 2-5 м в длину), изготовленной из высокопрочного алюминиевого сплава или углеродно-волоконного композита, чтобы выдерживать огромное напряжение обруча (более 400 МПа на ободе). Ротор приводится в действие электродвигателем вверху или внизу, с магнитным подшипником или подшипником иглы на другом конце, чтобы поддерживать низкое трение. Внутри ротора стационарный центральный столб держит молекулярный драговый насос для извлечения обогащенного продукта и обедненных хвостов. Вся сборка заключена в вакуумный корпус для предотвращения аэродинамического сопротивления. Критическая скорость ротора должна быть выше рабочей скорости, чтобы избежать вибрационного резонанса. Сложные системы магнитной подвески позволяют ротору свободно вращаться в течение многих лет с минимальным обслуживанием.

Термические и потоки соображения

Газопоток внутри центрифуги находится в экстремальном режиме: число Рейнольдса может быть очень высоким из-за высокого вращения, но поток часто ламинарный из-за небольшого радиального зазора. Осевой встречный ток индуцируется температурным градиентом или скапом для усиления разделения. Газовый поток поступает вблизи центра, а небольшая фракция (обычно несколько процентов на проход) извлекается в виде продукта вблизи оси, в то время как объем (хвосты) выходит на внешнюю стенку. Эффективность центрифуги измеряется ее «фактором разделения» и «разрезом стадии», которые определяют, сколько машин необходимо параллельно и последовательно для достижения целей пропускной способности.

Проблемы и соображения

Обогащение урана — это не просто триумф физики и техники, это также представляет собой огромные экономические, экологические проблемы и проблемы безопасности, которые формируют глобальную политику.

Потребление энергии и экономика

В то время как газовые центрифуги гораздо более эффективны, чем диффузия, обогащение остается значительным потребителем электроэнергии. Типичная обогатительная установка мощностью 10 миллионов SWU/год может потребовать 500-700 мегаватт электроэнергии. Стоимость обогащения является основным компонентом цен на ядерное топливо - в настоящее время около 50-70 долларов за SWU на спотовом рынке. Капитальные затраты на строительство центрифужной установки огромны: новый объект может стоить миллиарды долларов и занять десятилетие, чтобы вывести в интернет, отчасти из-за строгих требований к контролю качества и нераспространению. Это привело к высококонцентрированному рынку, где только несколько стран и компаний обладают технологией.

Риски распространения

Возможно, наиболее серьезной проблемой является двоякое использование технологии обогащения. Те же центрифуги, которые производят НОУ для реакторов, могут быть переконфигурированы для производства ВОУ для бомб. Следовательно, распространение технологии центрифуг жестко контролируется Группой ядерных поставщиков и контролируется Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Такие страны, как Иран, Северная Корея и Пакистан, столкнулись с международными санкциями или изоляцией за разработку местных программ обогащения без полной прозрачности. МАГАТЭ применяет гарантии, такие как сдерживание, камеры наблюдения и отбор проб окружающей среды для обнаружения любого отвлечения ядерного материала на незаявленную деятельность. Задача заключается в балансировании права на мирную ядерную энергию (статья IV Договора о нераспространении) с необходимостью предотвращения распространения оружия.

Отходы и воздействие на окружающую среду

Обогащение производит большое количество хвостов обедненного урана (DU) - в настоящее время более 1,5 миллионов тонн, хранящихся во всем мире. DU химически токсичен и слабо радиоактивен, что создает проблемы с долгосрочным хранением и удалением. Хвосты часто хранятся в виде UF6 в стальных цилиндрах, которые могут со временем разъедать и выделять коррозионный фторид водорода. Альтернативы включают преобразование DU в более стабильный оксид (U3O8) и использование его в гражданских приложениях, таких как радиационное экранирование или противовесы. Однако универсально принятого решения для удаления массивных запасов DU нет.

Технологическая эволюция и будущее

Продолжаются исследования технологий обогащения следующего поколения. Лазерное обогащение, как уже упоминалось, может резко сократить как потребление энергии, так и количество этапов, потенциально позволяя обогащение за один проход. Однако технология остается на годы от коммерческой жизнеспособности из-за сложности надежной работы мощных импульсных лазеров в промышленных масштабах в течение многих лет. Другой подход, «ультрацентрифуга», направлена на то, чтобы еще больше повысить скорость ротора с использованием передовых материалов, таких как высокопрочные углеродные нанотрубки. В ближайшей перспективе отрасль сосредоточена на улучшении существующих конструкций центрифуг для увеличения выходной мощности SWU на машину и сокращения простоев технического обслуживания.

Глобальное воздействие и регулирование

Стратегическое значение обогащения отражено в сложной сети международных договоров, институтов и коммерческих соглашений, которые управляют им.

Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) и МАГАТЭ

ДНЯО разделяет страны на государства, обладающие ядерным оружием (СЯО: пять постоянных членов Совета Безопасности ООН) и государства, не обладающие ядерным оружием (СЯО ООН). СЯО, подписывающие договор, соглашаются не разрабатывать ядерное оружие и принимать гарантии МАГАТЭ по всем ядерным материалам и объектам. Взамен они получают доступ к мирным ядерным технологиям, включая обогащение, в соответствии со статьей IV. МАГАТЭ применяет соглашения о всеобъемлющих гарантиях и дополнительные протоколы, которые позволяют проводить более широкие инспекции и отбор проб окружающей среды. Годовой бюджет МАГАТЭ на гарантии составляет около 150 миллионов евро, но он сталкивается с растущими требованиями, поскольку все больше стран проявляют интерес к потенциалу обогащения.

Основные объекты обогащения и поставщики

Сегодня большинство мощностей по обогащению сосредоточено в горстке стран. Urenco управляет центрифугами в Великобритании (Капенхерст), Нидерландах (Альмело) и Германии (Гронау), общей мощностью около 20 миллионов SWU/год. Orano (ранее Areva) управляет заводом Georges Besse II во Франции, также используя технологию центрифуг, производя около 7,5 миллионов SWU/год. Российский Росатом управляет большим центрифуговым комплексом в Зеленогорске, Ангарске и других местах, с общей мощностью более 28 миллионов SWU/год, что делает его крупнейшим в мире поставщиком. Китай быстро расширил свои собственные мощности по обогащению, оцениваемые в более чем 10 миллионов SWU/год, для топлива своего растущего парка реакторов и, возможно, для других целей. Соединенные Штаты, когда-то крупный производитель на основе диффузии, теперь полагаются на американский завод Urenco (завод Urenco в Нью-Мексико) и небольшой центрифуговый завод, управляемый Global Nuclear Fuel (совместное предприятие с GE Hitachi).

Международные усилия по минимизации рисков распространения

Было выдвинуто несколько предложений по снижению опасности распространения обогащения: многосторонние топливные банки, где страны обеспечили бы доступ к НОУ без строительства собственных обогатительных установок; преобразование исследовательских реакторов на основе НОУ; и создание международных центров обогащения под надзором МАГАТЭ. Банк НОУ МАГАТЭ, созданный в 2019 году и расположенный в Казахстане, имеет 90-тонный резерв НОУ для любого государства-члена, которое испытывает сбои в поставках. Кроме того, США и Россия заключили соглашение о закупке НОУ (мегатонны до мегаватт), которое свело 500 тонн НОУ из демонтированных российских боеголовок в НОУ для американских реакторов — фактически ликвидировав треть мировых военных запасов НОУ.

Будущее обогащения в меняющемся энергетическом ландшафте

По мере перехода мира к низкоуглеродной энергетике ядерная энергетика признается надежным источником базовой нагрузки электроэнергии с почти нулевыми выбросами. Спрос на услуги по обогащению, по прогнозам, будет расти, особенно если реакторы IV поколения (такие как реакторы с быстрым охлаждением газа, реакторы с расплавленной солью) станут коммерческими. Некоторые из этих проектов требуют более высоких уровней обогащения (до 20% U-235), известных как высокопрочный низкообогащенный уран (HALEU). Производство HALEU создает новые проблемы, поскольку оно пересекает 20-процентный порог, который является традиционным пределом для НОУ, и требует новых правил транспортировки и хранения. Министерство энергетики США в настоящее время поддерживает пилотные проекты по созданию отечественных производственных возможностей HALEU.

Обогащение урана останется в центре ядерной энергетики и ядерного нераспространения в обозримом будущем. Наука эволюционировала от сырых калутронов Второй мировой войны до сложных центрифуг сегодняшнего дня, но фундаментальная проблема - использование разницы в 0,86% массы для создания материала, который может либо привести к власти города, либо уничтожить их - остается определяющим технологическим достижением с глубокими этическими и политическими измерениями.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к обзору технологий обогащения МАГАТЭ и подробному руководству Всемирной ядерной ассоциации по обогащению урана . Дополнительную перспективу рисков распространения можно найти в отчетах от Инициатива по ядерной угрозе .