Обогащение урана

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый 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. В 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.





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. В 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 экономически и технологически 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 до 20% называют низкообогащённым (англ. Low enriched uranium, LEU). Уран с обогащением 2...5% в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру. Уран с обогащением до 20% используется в исследовательских и экспериментальных реакторах.

Уран с содержанием 235U свыше 20% называют высокообогащённым (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%. Высокообогащённый 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 обеднённый уран с содержанием 235U 0,1…0,3%. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обеднённого урана. В будущем предполагается использование обеднённого урана в реакторах на быстрых нейтронах, где не поддерживающий цепную реакцию Уран-238 может трансмутировать в Плутоний-239, поддерживающий цепную реакцию. Полученное MOX-топливо может быть использовано в традиционных энергетических реакторах на тепловых нейтронах.

Технологии

Основная статья: Разделение изотопов

Известно много методов разделения изотопов[1]. 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. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В 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 обогащённого 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 [www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/ WNA Market Report] с прогнозом развития.

страна Компания, Завод 2012 2013 2015 2020
Россия ОАО ТВЭЛ (TENEX) 25000 26000 26578 28663
Германия, Голландия, Англия, URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия) 12800 14200 14400 14900
Франция Areva: Georges Besse I и II 2500 5500 7000 7500
Китай CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou 1500 2200 4220 7520
США URENCO: New Mexico 2000 3500 4700 4700
Пакистан, Бразилия, Иран, Индия, Аргентина Разные 100 75 100 170
Япония JNFL (англ.)русск., Rokkaasho 150 75 75 75
США USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon 5000 0 0 0
США Areva: Idaho Falls 0 0 0 0
США Global Laser Enrichment 0 0 0 0
Суммарное 49000 51550 57073 63526


См. также

Напишите отзыв о статье "Обогащение урана"

Примечания

  1. ↑ [atomexpert.org/content/удешевление-обогащения Удешевление обогащения. Атомный эксперт.] Обзор истории и технологий обогащения урана.

Ссылки

  • [www.cnec.group.cam.ac.uk/docs/presentations/20130117-Kidd-WNA.pdf Мировой рынок ядерного топлива], Cambridge, 2013.
  • [www.nuclear-weapon.ru/theory/uranium.htm Уран]
  • [www.radwaste.ru/News/Main/view?id=3507 Глоссарий терминов] // Minatom
  • [www.dw-world.de/dw/article/0,2144,1773792,00.html Справка: обогащение урана]
  • [reactors.ru/pub/radscout/rdscout.htm The Radioactive Boy Scout. Ken Silverstein. (перев. рус.)]
</table></td></tr></table>

Отрывок, характеризующий Обогащение урана

– «Je leur ai montre le chemin de la gloire» – сказал он после недолгого молчания, опять повторяя слова Наполеона: – «ils n'en ont pas voulu; je leur ai ouvert mes antichambres, ils se sont precipites en foule»… Je ne sais pas a quel point il a eu le droit de le dire. [Я показал им путь славы: они не хотели; я открыл им мои передние: они бросились толпой… Не знаю, до какой степени имел он право так говорить.]
– Aucun, [Никакого,] – возразил виконт. – После убийства герцога даже самые пристрастные люди перестали видеть в нем героя. Si meme ca a ete un heros pour certaines gens, – сказал виконт, обращаясь к Анне Павловне, – depuis l'assassinat du duc il y a un Marietyr de plus dans le ciel, un heros de moins sur la terre. [Если он и был героем для некоторых людей, то после убиения герцога одним мучеником стало больше на небесах и одним героем меньше на земле.]
Не успели еще Анна Павловна и другие улыбкой оценить этих слов виконта, как Пьер опять ворвался в разговор, и Анна Павловна, хотя и предчувствовавшая, что он скажет что нибудь неприличное, уже не могла остановить его.
– Казнь герцога Энгиенского, – сказал мсье Пьер, – была государственная необходимость; и я именно вижу величие души в том, что Наполеон не побоялся принять на себя одного ответственность в этом поступке.
– Dieul mon Dieu! [Боже! мой Боже!] – страшным шопотом проговорила Анна Павловна.
– Comment, M. Pierre, vous trouvez que l'assassinat est grandeur d'ame, [Как, мсье Пьер, вы видите в убийстве величие души,] – сказала маленькая княгиня, улыбаясь и придвигая к себе работу.
– Ah! Oh! – сказали разные голоса.
– Capital! [Превосходно!] – по английски сказал князь Ипполит и принялся бить себя ладонью по коленке.
Виконт только пожал плечами. Пьер торжественно посмотрел поверх очков на слушателей.
– Я потому так говорю, – продолжал он с отчаянностью, – что Бурбоны бежали от революции, предоставив народ анархии; а один Наполеон умел понять революцию, победить ее, и потому для общего блага он не мог остановиться перед жизнью одного человека.
– Не хотите ли перейти к тому столу? – сказала Анна Павловна.
Но Пьер, не отвечая, продолжал свою речь.
– Нет, – говорил он, все более и более одушевляясь, – Наполеон велик, потому что он стал выше революции, подавил ее злоупотребления, удержав всё хорошее – и равенство граждан, и свободу слова и печати – и только потому приобрел власть.
– Да, ежели бы он, взяв власть, не пользуясь ею для убийства, отдал бы ее законному королю, – сказал виконт, – тогда бы я назвал его великим человеком.
– Он бы не мог этого сделать. Народ отдал ему власть только затем, чтоб он избавил его от Бурбонов, и потому, что народ видел в нем великого человека. Революция была великое дело, – продолжал мсье Пьер, выказывая этим отчаянным и вызывающим вводным предложением свою великую молодость и желание всё полнее высказать.
– Революция и цареубийство великое дело?…После этого… да не хотите ли перейти к тому столу? – повторила Анна Павловна.
– Contrat social, [Общественный договор,] – с кроткой улыбкой сказал виконт.
– Я не говорю про цареубийство. Я говорю про идеи.
– Да, идеи грабежа, убийства и цареубийства, – опять перебил иронический голос.
– Это были крайности, разумеется, но не в них всё значение, а значение в правах человека, в эманципации от предрассудков, в равенстве граждан; и все эти идеи Наполеон удержал во всей их силе.
– Свобода и равенство, – презрительно сказал виконт, как будто решившийся, наконец, серьезно доказать этому юноше всю глупость его речей, – всё громкие слова, которые уже давно компрометировались. Кто же не любит свободы и равенства? Еще Спаситель наш проповедывал свободу и равенство. Разве после революции люди стали счастливее? Напротив. Mы хотели свободы, а Бонапарте уничтожил ее.
Князь Андрей с улыбкой посматривал то на Пьера, то на виконта, то на хозяйку. В первую минуту выходки Пьера Анна Павловна ужаснулась, несмотря на свою привычку к свету; но когда она увидела, что, несмотря на произнесенные Пьером святотатственные речи, виконт не выходил из себя, и когда она убедилась, что замять этих речей уже нельзя, она собралась с силами и, присоединившись к виконту, напала на оратора.
– Mais, mon cher m r Pierre, [Но, мой милый Пьер,] – сказала Анна Павловна, – как же вы объясняете великого человека, который мог казнить герцога, наконец, просто человека, без суда и без вины?
– Я бы спросил, – сказал виконт, – как monsieur объясняет 18 брюмера. Разве это не обман? C'est un escamotage, qui ne ressemble nullement a la maniere d'agir d'un grand homme. [Это шулерство, вовсе не похожее на образ действий великого человека.]
– А пленные в Африке, которых он убил? – сказала маленькая княгиня. – Это ужасно! – И она пожала плечами.
– C'est un roturier, vous aurez beau dire, [Это проходимец, что бы вы ни говорили,] – сказал князь Ипполит.
Мсье Пьер не знал, кому отвечать, оглянул всех и улыбнулся. Улыбка у него была не такая, какая у других людей, сливающаяся с неулыбкой. У него, напротив, когда приходила улыбка, то вдруг, мгновенно исчезало серьезное и даже несколько угрюмое лицо и являлось другое – детское, доброе, даже глуповатое и как бы просящее прощения.
Виконту, который видел его в первый раз, стало ясно, что этот якобинец совсем не так страшен, как его слова. Все замолчали.
– Как вы хотите, чтобы он всем отвечал вдруг? – сказал князь Андрей. – Притом надо в поступках государственного человека различать поступки частного лица, полководца или императора. Мне так кажется.
– Да, да, разумеется, – подхватил Пьер, обрадованный выступавшею ему подмогой.
– Нельзя не сознаться, – продолжал князь Андрей, – Наполеон как человек велик на Аркольском мосту, в госпитале в Яффе, где он чумным подает руку, но… но есть другие поступки, которые трудно оправдать.
Князь Андрей, видимо желавший смягчить неловкость речи Пьера, приподнялся, сбираясь ехать и подавая знак жене.

Вдруг князь Ипполит поднялся и, знаками рук останавливая всех и прося присесть, заговорил:
– Ah! aujourd'hui on m'a raconte une anecdote moscovite, charmante: il faut que je vous en regale. Vous m'excusez, vicomte, il faut que je raconte en russe. Autrement on ne sentira pas le sel de l'histoire. [Сегодня мне рассказали прелестный московский анекдот; надо вас им поподчивать. Извините, виконт, я буду рассказывать по русски, иначе пропадет вся соль анекдота.]
И князь Ипполит начал говорить по русски таким выговором, каким говорят французы, пробывшие с год в России. Все приостановились: так оживленно, настоятельно требовал князь Ипполит внимания к своей истории.
– В Moscou есть одна барыня, une dame. И она очень скупа. Ей нужно было иметь два valets de pied [лакея] за карета. И очень большой ростом. Это было ее вкусу. И она имела une femme de chambre [горничную], еще большой росту. Она сказала…
Тут князь Ипполит задумался, видимо с трудом соображая.


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=Обогащение_урана&oldid=81249297»

Навигация