Разделение изотопов урана. Чем отличается газовая центрифуга от молочного сепаратора

Правда что ли, скажете вы, природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.

В данный момент спросом в мире пользуются следующие виды обогащенного урана:

• 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.

Природный уран проходит только по первому пункту. Если предположить, что у нас в мире потребители урана это только коммерческие реакторы, то PHWR из них - это менее 10%. А если считать все остальное (транспортные, исследовательские) то… короче говоря природный уран ни к селу ни к городу. А значит почти любой потребитель требует наращивания процентного содержания легкого изотопа в смеси 235-238. Более того, уран используется не только в ядерной энергетике, но и в производстве брони, боеприпасов, и еще кое-чего. А там лучше иметь обедненный уран, что в принципе требует тех же процессов, только наоборот.

Про методы обогащения и будет статья.

В качестве сырья для обогащения используют не чистый металлический уран, а гексафторид урана UF 6 , который по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Для химиков отметим, что фторирование урана происходит в вертикальном плазменном реакторе.
Несмотря на все обилие методов обогащения на сегодняшний день только две из них используются в промышленных масштабах - газовая диффузия и центрифуги. В обоих случаях используется газ - UF 6 .

Ближе к делу о разделении изотопов. Для любого метода эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α – отношение доли «легкого» изотопа в «продукте» к его доле в первичной смеси.

Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию разделения изотопов приходится многократно повторять (каскады). Например, для газодиффузионного метода α=1.00429, для центрифуг значение сильно зависит от окружной скорости – при 250м/с α=1.026, при 600м/с α=1.233. Только при электромагнитном разделении α составляет 10-1000 за 1 цикл разделения. Сравнительная таблица по нескольким параметрам будет в конце.

Весь каскад машин по обогащению всегда разбит на ступени. В первой ступени каскада разделения поток исходной смеси разбивается на два потока: обедненный (удаляемый из каскада), и обогащенный. Обогащенный подается на 2-ю ступень. На 2-й ступени однажды обогащенный поток вторично подвергается разделению:
обогащенный поток 2-й ступени поступает на 3-ю, а ее обедненный поток возвращается на предыдущую (1-ю) и т.д. С последней ступени каскада отбирается готовый продукт с требуемой концентрацией заданного изотопа.

Коротко расскажу про основные методы разделения, применявшиеся когда либо в мире.

Электромагнитное разделение

По этому методу возможно разделить компоненты смеси в магнитном поле, причем с высокой чистотой. Электромагнитное разделение является исторически первым методом, освоенным для разделения изотопов урана.

Поскольку разделение можно выполнить с ионами урана, то конверсия урана в UF 6 в принципе - не обязательна. Этот метод дает высокую чистоту, но низкий выход при больших энергозатратах. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем. Ионный пучок попадает в вакуумную разделительную камеру в магнитном поле Н, направленном перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим окружностям с различными (в зависимости от массы) радиусами кривизны. Достаточно взглянуть на картинку и вспомнить школьные уроки, где все мы считали, по какому радиусу полетит электрон или протон в магнитном поле.

Схема, демонстрирующая принцип электромагнитного разделения.

Преимущество способа – использование относительно простой технологии (калютроны : CAL ifornia U niversity).
Применялся для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имел 5184 разделительные камеры - «калютроны», и впервые позволил получить килограммовые количества 235U высокого обогащения – 80% или выше.

В Манхэттенском проекте калютоны использовались после термодиффузии – на альфа-калютроны поступало сырье 7% (завод Y-12) и обогащась до 15%. Уран оружейного качества (до 90%) получался на бета-калютронах на заводе Y-12. Альфа и бета калютроны не имеют ничего общего с альфа и бета частицами, просто это две «линии» калютронов, одна для предварительного, вторая для конечного обогащения.

Метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Двух проходов достаточно для обогащения выше 80% из бедного вещества с исходным содержанием менее 1%. Производительность определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов - до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам).

Один из цехов электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США)

Гигантский альфа-калютрон того же завода

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» - специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Если пропускать газ, состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, состоящую из большого числа малых отверстий, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем,… т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Соответственно, газ, прошедший мимо сеток, оказывается обедненным легкими молекулами. Практически же всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вследствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим.

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал - должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

«О состоянии научно-исследовательских и практических работ Лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом»

Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и является разделительной ступенью

В качестве газа мы употребляем шестифтористый уран. Это соль, обладающая довольно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Что касается сеток, то к ним предъявляется требование, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул приблизительно равна 1/10000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.

В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90% легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней. Общая площадь сеток (площадью сеток определяется производительность всей установки) составит около 8000 м 2 . Общая мощность, расходуемая компрессорами, составит 20 000 кВт.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Применялся как одна из первых ступеней обогащения. В Манхэттенском проекте завод К-25 обогащал уран с 0.86% до 7%, далее сырье шло на калютроны. В СССР – многострадальный завод Д-1, а так же последовавшие за ним заводы Д-2 и Д-3, и так далее.

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип - более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

В Манхэттенском проекте это завод S-50 – он обогащал природный уран до 0.86%, т.е. всего в 1.2 раза увеличивал обогащение по пятому урану. В СССР работы по жидкостной диффузии велись Радиевым институтом в послевоенное время, но никакого развития это направление не получило.

Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте - Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Аэродинамическая сепарация

Аэродинамическая сепарация это своего рода вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа он завихряется в специальной форсунке. Вместо тысячи слов – см. рисунок, т.н. «сопло Беккера» для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении. Гексафторид урана очень тяжелый газ и приводит к износу мелких деталей форсунок (см. масштаб), и может переходит в твёрдое состояние на участках повышенного давления (например на входе в форсунку), поэтому гексафторид разбавляют водородом. Понятно, что при 4% содержании сырья в газе, да еще и пониженном давлении эффективность такого способа не велика. Развивалась этот способ пытались в ЮАР и ФРГ.

Все что вам нужно знать о аэродинамической сепарации есть на этой картинке

Варианты форсунок

Газовое центрифугирование

Наверное каждый человек (а гик уж и подавно!) слышавший хоть раз атомную энергетику, бомбы и обогащение, в общих чертах знает что такое центрифуга, как она работает и что в конструировании таких приборов есть много сложностей, секретов и ноу-хау. Поэтому про газовое центрифугирование скажу буквально пару слов. Однако, чесно говоря, газовые центрифуги имеют очень богатую историю развития и заслуживают отдельной статьи.

Принцип работы – разделение за счет центробежных сил в зависимости от абсолютной разницы в массе. При вращении (до 1000 об/с, окружная скорость – 100 - 600 м/с) более тяжелые молекулы уходят на периферию, более легкие – в центре (у ротора). Этот метод на данный момент является самым продуктивным и дешевым (исходят из цены $/EPP).

Гугл изибилует схематичными картинками устройства центрифуги, я лишь приведу пару фотографий как выглядит собранный каскад. В таком помещении кстати говоря достаточно жарко – гексафоторид урана там находится далеко не при комнатной температуре, и весь такой каскад нужно еще и охлаждать.

Каскад центрифуг фирмы URENCO. Большие, метра под 3 в высоту.

Бывают и поменьше, около полуметра. Наши отечественные.

Для понимания масштабов, или что такое «цех от горизонта до горизонта».

Лазерное обогащение

Физический принцип лазерного обогащения в том, что атомные энергетические уровни различных изотопов незначительно отличаются.
Этот эффект может быть использован для разделения U-235 от U-238, как в атомарном - AVLIS, так и в молекулярном виде - МLIS.

В методе используются пары урана, и лазеры, которые точно настроены на определенную длину волны, возбуждая атомы именно 235-го урана. Далее ионизированные атомы удаляются из смеси электрическим или магнитным полем.

Технология очень простая, и, вобще говоря, не требует каких то супер-сложных механических устройств типа диффузионных сеток или центрифуг, одна есть и другая проблема.
В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Планируемое обогащение - до 8%. Однако лицензирование приостановили - по причине проблем с распространением технологии. Современные технологии обогащения (диффузионная и центрифугирование) требуют специального оборудования, настолько специального, что, вобще говоря, при желании через мониторинг международных контрактов можно косвенно предположить, кто собирается «по тихому» (без ведома МАГАТЭ) обогащать уран или вести работы по этому направлению. И такой мониторинг действительно ведется. В случае, если лазерный метод обогащения докажет свою простоту и эффективность, работы по оружейному урану могут начать вести там, где это не очень нужно. Поэтому пока лазерный метод как то подминают.

К лазерным методам можно отнести так же и молекулярный метод, основанный на том, что на инфракрасных или ультрафиолетовых частотах происходит избирательное поглощение газом 235 UF 6 инфракрасного спектра, что в дальнейшем позволяет использовать метод диссоциации возбужденных молекул или химическое разделение.
Относительное содержание U-235 может быть увеличено на порядок уже в первой стадии. Таким образом, одного прохода достаточно, чтобы обеспечить обогащение урана, достаточное для ядерных реакторов.

Пояснения к «молекулярному» методу с химическим разделением.

Преимущества лазерного обогащения:

• Потребление электроэнергии: в 20 раз менее, чем для диффузии.
• Каскадность: число каскадов (от 0,7% до 3-5% по U-235) – менее 100, по сравнению с 150 000 центрифуг.
• Стоимость завода – существенно меньше.
• Экологичность: вместо гексафторида урана используется менее опасный металлический уран.
• Потребность в природном уране – на 30% меньше.
• На 30% меньше хвостохранилищ (хранилища отвала).

Сравнение показателей различных методов

Обогащение урана в России

В настоящее время в России действует четыре обогатительных комбината:

• АО «Ангарский электролизный химический комбинат» (г. Ангарск, Иркутсткая область),
• АО «ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край),
• АО «Уральский электрохимический комбинат» (г. Новоуральск, Свердловская область),
• АО «Сибирский химический комбинат» (г. Северск, Томская область).

Россия обладает мощнейшей индустрией разделения изотопов ~40% мирового рынка, базирующемся на наиболее экономичном (на сегодня) центрифужном методе.

На 2000г. мощности по обогащению в России распределены следующим образом: 40% - для собственных нужд, 13% - для переработки отвалов зарубежных пользователей, 30% - для переработки ВОУ и НОУ, и 17% - на внешние заказы. Все это - мирный атом. Производство обогащенного урана для военных целей у нас прекращено с 1989г. К 2004г. 170 т (из ~500 т) ВОУ (высоко обогащенного урана) было переработано по соглашению ВОУ-НОУ.

На этом все. Спасибо за внимание.

Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента. Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными трудностями, так как изотопы, представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково. Но — скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах — например в массе. Различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова — огромное количество раз. На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Основные методы разделения изотопов

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. Установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приемники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки — большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода — получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии. При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие из них обгонят более тяжелые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь — изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

Для некоторых легких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана — только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов — 250—350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффициент сепарации — 1.01 — 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Производители стабильных изотопов: В контур ГК «Росатом» входят предприятия, осуществляющие промышленное производство изотопов средних и тяжелых масс, а также изотопов благородных газов. Для промышленного разделения изотопов применяются электромагнитная и газо- центрифужная технологии. Эти технологии позволяют разделять изотопы практически всех элементов таблицы Менделеева. В число предприятий ГК «Росатом», использующих указанные методы разделения изотопов входят следующие:

1. ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор» - 209 наименований (электромагнитный метод).
2. ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод» производит 95 наименований изотопов (газоцентрифужный метод).
3. ОАО «Сибирский химический комбинат» - 91 наименование изотопов (газоцентрифужный метод).
4. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - 24 наименования (газоцентрифужный метод)

Комитет образования и науки Курской области Курчатовский филиал Областного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования "Курский государственный политехнический колледж"

Курсовая работа

по дисциплине: "Эксплуатация оборудования" на тему: "Разделение изотопов урана. Переработка обогащенного гексафторида урана"

Курчатов 2013

Введение

Разделение изотопов урана

1 Газодиффузионное разделение

2 Термодиффузионное разделение

3 Жидкостная термодиффузия

4 Центрифужное разделение

5 Аэродинамическое разделение

6 Электромагнитное разделение

7 AVLIS (испарение с использованием лазера)

8 Химическое разделение

9 Эффузия газов

10 Организация каскада разделения изотопов

Гексафторид урана

1 Требования к качеству гексафторида урана

2 Переработка обогащённого гексафторида урана

3 Водные методы переработки обогащённого урана

3.1 АДУ-процесс

3.2 АУК-процесс

4 Безводные методы переработки обогащённого урана

4.1 Восстановление гексафторида урана водородом

5 ВОУ-НОУ процесс

Заключение

Литература

Введение

Разделение изотопов урана является основой ядерного топливного цикла. В природном уране содержится 0,71% изотопа 235 U. Для реакторов АЭС необходим уран, обогащенный изотопом 235 U до (2,7-5) %, в оружейном уране содержание 235 U - 90%. Стоимость добычи урана из извлекаемых запасов, где содержание урана не менее чем в 10 3 раз превышает среднее в литосфере, 80 долл. США за килограмм элементного урана. Требуется ~ 6 кг природного урана (480 долл. США) для получения 1 кг урана с обогащением 3,2% и обеднением отвала до 0,2%. При этом услуги по обогащению обходятся в (350-400 долл. США) за 4,3 кг ЕРР (условные единицы работы разделения) и составляют 45% стоимости обогащенного урана. Масштаб производства в США - тысячи тонн обогащенного урана в год со стоимостью услуг по обогащению ~ 1 млрд долл. в год. При широкомасштабном производстве обогащенного урана совершенствование методов разделения изотопов урана является актуальной и очень не простой задачей Россия занимает лидирующее положение в центробежной технологии обогащения урана. Разработаны и внедряются в производство машины нового поколения. В настоящее время проблем с ядерным топливом в России нет, и в ближайшем будущем не предвидится. Это даёт возможность разрабатывать новые технологии обогащения без излишней спешки и избежать дорогостоящих ошибок в определении оптимальной технологии, тщательно изучая физико-химические процессы, отрабатывая элементную базу для получения надёжных данных о перспективности метода и по стоимости единицы работы разделения, и по уровню инвестиций в строительство промышленного предприятия, и по глубине извлечения 235 U.

Изотопы урана:

Уран имеет 14 изотопов, при этом только три из них встречаются в природе. Примерный изотопный состав природного урана следующий:

U 238 -> (4.51 миллиарда лет, альфа-распад) -> Th 234

Th 234 -> (24.1 дней, бета-распад) -> Pa 234

Pa 234 -> (6.75 часов, бета-распад) -> U 234

Обычно U-234 существует в равновесии с U-238, распадаясь и образуясь с одинаковой скоростью. Однако распадающиеся атомы U-238 существуют некоторое время в виде тория и протактиния, поэтому могут химически или физически отделиться от руды (выщелачиваться подземными водами). Поскольку U-234 обладает относительно коротким временем полураспада, весь этот изотоп, находящийся в руде, образовался в последние несколько миллионов лет. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад U-234.обладает периодом полураспада 23.9 миллиона лет и не встречается в природе в значительных количествах. Он накапливается, если уран облучается нейтронами в реакторах, и потому используется как "сигнализатор" отработанного уранового ядерного топлива.

В природном уране только один, относительно редкий, изотоп подходит для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Степень обогащения по U-235 в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования - минимум 80%, а более предпочтительно 90%.

Чистый U-238 имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г.

Важная область применения этого изотопа урана - производство плутония-239. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом U-238 нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.и U-232: Этот изотоп урана с периодом полураспада 162 000 лет не встречается в природе. Его можно получить из тория-232, облучением нейтронами, наподобии производства плутония:

Практически важное соединение урана - гексафторид урана UF 6 . Это единственное стабильное и легколетучее соединение урана, использующееся при разделении его изотопов - газовой диффузии и центрифугировании. В этом аспекте его применения важно и то, что фтор имеет всего один изотоп (это не вносит дополнительной усложняющей разницы в массах) и то, что UF 6 - стехиометрическое соединение (состоящее в точности из 6 атомов фтора и 1 атома урана).

При комнатной температуре оно представляет собой бесцветные кристаллы, а при нагреве до 56 °С сублимируется (испаряется без перехода в жидкую фазу).металл радиоактивность

Приблизительные энергетические эффективности указанных методов по отношению к газовой диффузии:

1. Разделение изотопов

Изотопы - химические элементы с одинаковым количеством протонов (одинаковым зарядом) и разным количеством нейтронов. У чётных атомов изотопов может быть много, у нечётных обычно не более двух.

Уникальность гексафторида урана заключается в том, что фтор не имеет изотопов т.е. молекулярная масса гексафторида урана зависит только от массы изотопов самого урана. Второй немаловажный фактор - газообразное состояние гексафторида урана уже при 56оС при атмосферном давлении.

Для выяснения места технологии разделения изотопов необходимо напомнить, что технология урана подразумевает передел рудного сырья в уранилнитрат, уранилнитрат через стадию оксидов и тетрафторида превращается в гексафторид, гексафторид разделяется на гексафторд урана-235 и гексафторид урана-238, а затем из гексафторида обогащенного изотопом U235 производится диоксид урана для ТВЭлов.

Исходный ядерно-чистый гексафторид урана, содержащий 99,3% гексафторида урана-238 и 0,7% гексафторида урана-235. Необходимо из этой смеси выделить гексафторид изотопа урана-235.

Существует множество методов разделения изотопов:

Газодиффузионный;

Центрифугирование;

Дистилляция (ректификация)

Электромагнитный

Термодиффузионный

Изотопный обмен

Лазерное разделение

Это не далеко полный список всех методов разделения изотопов, на практике сейчас применяется только три первых метода. Остальные методы не носят промышленного масштаба и используются только в экспериментальных работах, хотя часто являются более качественными нежели многотоннажные промышленные способы.

Газодиффузионным и центрифужным методом обычно разделяют изотопы тяжелых элементов (U 235 от U2 38), дистилляция или ректификафия применяется для разделения изотопов лёгких (обычно H 1 от Н 2 и Н 3 или Li 6 от Li 7).

Коэффициент разделения α=1,003 для газодиффузионных машин, и α=1,3 для центрифужных машин.

1 Газодиффузионное разделение изотопов

Первым удачным способом позволившим получит уран обогащённый изотопом U 235 , был способ газодиффузионного разделения.

Теоретически способ газодиффузионного разделения основан на зависимости скорости диффузии отдельных молекул от их веса.

Из формулы видно, что чем меньше вес молекулы тем больше её скорость. Т.е. лёгкие молекулы диффундируют дальше тяжёлых. Тогда можно представить коэффициент разделения, как отношение скоростей диффузии в следующем виде:

Зная, что масса гексафторида урана-238 равняется 352 г/моль а масса гексафторида урана-325 равняется 349 можно вычислить теоретический коэффициент разделения:  = 1,0043

Реально  = 1,003

Рассмотрим устройств газодиффузионной машины. Основной элемент представляет собой пористую перегородку (рис. 1) в которой происходит диффузия гексафторида урана. Как уже отмечалось, лёгкие молекулы имеют более длинный диффузионный пробег, и проникают за перегородку, тяжелые частицы перегородку не проходят.

Рис.1 Пористая перегородка

Разделитель представляет собой трубку из прессованного никелевого порошка с диаметром пор 1-10 мкм, наружная поверхность трубки покрывается непосредственно разделительной мембраной, диаметр пор которой составляет уже 0,03 мкм. Именно слой разделительной мембраны и задерживает некоторую часть тяжёлых молекул гексафторида урана-238. Мембраны представляют собой пленки с образованными травлением порами. Например, азотная кислота протравливает сплав 40/60 Au/Ag (Ag/Zn); либо электролитическим травлением алюминиевой фольги можно получить хрупкую алюминиевую мембрану. Составные барьеры собираются из маленьких дискретных элементов, упакованных в относительно толстую пористую перегородку.

Газ - гексафторид урана поступает в диффузионную машину и разделяется на две фракции. Одна фракция прошла через пористую перегородку и потеряла часть тяжёлых молекул, т.е. обогатилась лёгкими. Другая фракция через пористую перегородку не прошла, в отличие от части лёгких молекул, т.е перед перегородкой осталась фракция обеднённая лёгким изотопом.

Схематично газодиффузионную машину можно представить следующим образом:

Рис.2 Устройство газодиффузионной машины

Поступающий в газодиффузионную машину газ прогоняется барабаном через разделительные трубки. Предварительно газ нагревают до 75оС, давление 40-80 мм.рт.ст. Поскольку диффузия идёт с выделением тепла, то машину необходимо охлаждать.

Основные недостатки газодиффузионного метода разделения изотопов:

Недостаточная степень разделения

Разрушение Ni-перегородки. Гексафторид урана медленно реагирует с металлическим никелем по формуле:

Ni + UF 6 = UF 4 + NiF 2

В разделительном элементе постепенно происходит накапливание тетрафторида урана, который впоследствии удаляют, промыванием в трифториде хлора:

UF 4 тв + ClF 3 ж = UF 6 газ + ClF газ

3.Периодичность процесса из-за выключения на регенерацию.

Большие энергозатраты.

Большой расход охлаждающей воды

Большие производственные площади. Цеха по разделению изотопов занимают огромные площади в несколько гектар, обслуживающий персонал по цеху передвигается на велосипедах.

Ввиду всех перечисленных недостатков, в настоящее время большинство разделительных заводов переходит на новую технологию разделения изотопов - центрифугирование.

.2 Термодиффузия

Термодиффузия осуществляется в газовой или жидкой фазах в противоточной колонне, вдоль оси которой расположена нагретая металлическая нить (или трубка), а наружная стенка охлаждается. Перепад температур вызывает диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентраций <#"655758.files/image007.gif">

Давление газа в гравитационном поле зависит от его молекулярной массы, расстояния над точкой измерения и ускорения свободного падения.

Перепишем это уравнение для центробежного поля. Заменим давление на концентрацию, Ускорение свободного падения на центростремительное ускорение, высоту на радиус.

Тогда коэффициент разделения запишется, как отношение концентрации тяжёлого изотопа к лёгкому:

Таким образом если в диффузионных машинах коэффициент разделения зависел от отношения масс гексафторида урана-235 иурана-238, то в центрифугах он зависит от разности масс. Нетрудно посчитать, что в центрифугах коэффициент разделения равен 1,3.  = 1,3

Только на центрифугах возможно получать гексафторид урана обогащенный U 235 до 98%.

Коэффициент разделения зависит от двух факторов:

От разности масс изотопов

От скорости вращения центрифуги

Рассмотрим устройство центрифужной машины.

Рис. 4. Устройство центрифуги для разделения изотопов

Центрифуга представляет собой цилиндр диаметром 15см, высотой 0,5м. В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6). За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на "тяжелую" и "легкую" фракции. На дне центрифуги имеется корундовая игла для снижения трения, во время вращения центрифуга приподнимается "взлетает" и вращается без соприкосновения с частями кожуха. Скорость вращения достигает 100 тыс. об/мин. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а в верху и в низу. Это возникает из-за конвекционных потоков - крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и в низу цилиндра установлены две небольших трубочки - заборника. В нижнею трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю - смесь с большей концентрацией атомов 235U. Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

1.5 Аэродинамическое разделение

Аэродинамическое разделение разработано в ЮАР (процесс UCOR, использующий вихревые трубки с давлением 6 бар) и Германии (используются искривленные сопла, работающие с давлением 0,25-0,5 бар).

Единственная страна, применявшая этот метод на практике - ЮАР, где было произведено 400 кг оружейного урана на предприятии в Валиндабе, закрытом в конце восьмидесятых. Коэффициент разделения ~1,015, энергозатраты ~3300 кВт-ч/МПП-кг.

6 Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приемники, где и накапливаются. Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80% из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1%). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки - большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода - получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12, вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамм 80% U-235 в день. Из-за высоких накладных расходов Y-12 был закрыт в 1946 г.

Схематическое изображение электромагнитного разделительного устройства (рис.5); точки показывают направление магнитного поля, перпендикулярное плоскости рисунка.

Внимания заслуживают методы, пока промышленно неприменяемые:

Испарение с использованием лазера

Химическое разделение

Разделение изотопов при помощи светового давления

Фотохимические реакции электронно-возбужденных частиц

Двухступенчатое возбуждение атомов и молекул

Селективная фотопредиссоциация

Возбуждение молекул излучением инфракрасного диапазона

Изотопный эффект в химических реакциях, протекающих в термодинамически неравновесных условиях

Конденсация газа колебательно-возбужденных молекул

Изотопный эффект в химических реакциях, протекающих в магнитном поле

Разделение при адсорбции

Селективная диффузия, стимулированная лазерным излучением

Резонансное управление процессами на поверхности лазерным излучением

Лазерная химия на поверхности раздела двух сред

Лазерное стимулирование химических реакций на границе раздела двух жидкостей

1.7 AVLIS (испарение с использованием лазера)

Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определенного изотопа. Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая технология имеет чрезвычайную эффективность, однако в промышленных масштабах пока не применяется. Технология, разрабатываемая в США, но до сих пор не развита далее опытных образцов. Имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой.

Рис.6. Лазерное разделение изотопов.

1.8 Химическое разделение

Химическое разделение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твердое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. Химическое разделение урана разрабатывалось в Японии и Франции, но, как и AVLIS, никогда не использовалось. Французкий метод Chemex использует противоток в высокой колонне двух несмешиваемых жидкостей, каждая содержащая растворенный уран. Японский метод Asahi использует реакцию обмена между водным раствором и мелкоизмельченной смолой, через которую медленно просачивается раствор. Оба способа нуждаются в катализаторах для ускорение процесса концентрации. Процесс Chemex нуждается в электричестве на уровне 600 кВт-ч/МПП-кг.

Ирак разрабатывал эту технологию (в виде смешанного производства Chemex/Asahi) для обогащения U-235 до 6-8% и последующем дообогащением в калютроне.

1.9 Эффузия газов

изотоп уран гексафторид термодиффузия

Эффузия газов основана на том, что при молекулярном истечении (эффузии)

смеси изотопно замещенных молекул <#"655758.files/image015.gif">

10 Организация каскада разделения изотопов

Уже говорилось о том, что для разделения изотопов необходимо большое количество разделительных машин (центрифужных или диффузионных).

Одну диффузионную машину можно схематично представить на схеме (рис.7) следующим образом:

Сбоку входит исходная смесь. Через перегородку проходит частично обогащённый лёгким изотопом газ, вниз уходит частично обеднённый легким изотопом (тяжёлый) газ. Для достаточного разделения необходимо соединить в каскад сотни таких машин (рис.8).

Рис.8 Разделительный каскад.

Верхняя часть каскада называется стадией обогащения, нижняя стадией обеднения.

Для получения гексафторида урана с содержанием U 235 не менее 90% необходим каскад из 600 стадий разделения.

Разделение изотопов один из наиболее дорогих операций в технологии урана, приведём примерные цены на килограмм урана в долларах США, в зависимости от степени обогащения (цены значительно зависят от объёмов производства и спроса):прир - 27$2% - 130$5% - 440$90% - 10000$

Всего на заводах СССР было получено около 600 тонн урана обогащенного на 90%по изотопу U 235 .

После разделительных заводов. Обеднённый уран идёт на захоронение. В нашей стране накопилось более 100 тыс. Тонн обеднённого урана. Обеднённый гексафторид урана закачивается в специальные контейнеры, если эти контейнеры поставить на железнодорожные платформы то такой эшелон займёт всю дорогу от Москвы до Владивостока. Отвальный гексафторид урана представляет некоторую экологическую опасность и уже разработаны схемы по его конверсии, ведь гексафторид урана огромный источник так необходимого производству фтороводорода и фтора.

В Табл.3 на примере трех видов изотопов проведено сравнение методов разделения изотопов для водорода, углерода и урана.

2. Гексафторид урана

ПДК - 0,015 мг/м3

Производство UF 6 - главная и неразрывная часть ЯТЦ. Через UF 6 проходит весь уран, добываемый из недр. Также как и весь регенерируемый уран после переработки на РХЗ для возвращения в ЯТЦ проходит снова фторирование и последующее дообогащение.

Для проведения цепной ядерной реакции необходим изотоп U235, которого в природном уране содержится лишь 0,72%.

Рис. 9. Фазовая диаграмма состояния UF 6 .

1 Требования к качеству UF 6

Существует две марки гексафторида урана в зависимости от степени обогащения по изотопу U 235 . 6 - коммерческий - природный или содержанием до 3% U 235 6 - обогащенный (регенерированный, оружейный).

При концентрации лёгкого изотопа менее 3% уран считается ядерно безопасным, т.е у него нет критической массы способной с самопроизвольной цепной реакции. Коммерческий уран является обычным химическим реактивом, имеющим свободную рыночную стоимость. Все торговые операции с оружейным ураном запрещены по закону о нераспространении ядерного оружия.

2.2 Переработка обогащённого гексафторида урана

После газодиффузионного завода обогащённый изотопом U235 гексафторид урана необходимо переработать до диоксида урана, а из диоксида изготовить ТВЭЛы ядерных реакторов. ТВЭЛы бывают металлические, оксидные, силицированные и др. Их изготовление очень сложный и наукоёмкий процесс, к исходным веществам предьявляются повышенные требования по чистоте. Металлические ТВЭЛы используются для наработки плутония; оксидные - применяются в энергетических реакторах. Обогащение гексафторида урана является одной из ключевых стадий всей ядерно-химической технологии. Методы переработки обогащённого гексафторида урана делятся на два стандартных типа:

Водные методы переработки

а) Гидролиз с нитратом алюминия

б) Аммонийдиуранатный процесс (АДУ)

в) Аммонийуранлкарбонатный процесс (АУК).

Безводные методы переработки

Восстановление гексафторида урана водородом.

Также разработан т.н. ВОУ-НОУ процесс позволяющий переводить оружейный высокообогащённый уран (ВОУ) в энергетический низкообогащённый уран (НОУ).

2.3 Водные методы переработки

Первой стадией переработки является гидролиз гексафторида урана водой до уранилфторида. Гидролиз происходит с большим выделением тепла по уравнению:

UF 6 + 2H 2 O = UO 2 F 2 + 4HF

Этот процесс можно осуществить путём барботажа газообразного гексафторида урана через воду или смешением жидкого гексафторида под давлением с водой. В обоих случаях предусматривается отвод тепла от аппаратов гидролиза. В результате гидролиза получается водный раствор UO 2 F 2 и HF с концентрацией урана 100 г/л. На отечественных заводах применяется метод гидролиза гексафтоида урана с использованием нитрата алюминия. Этот способ позволяет уже на начальной стадии связать F-ион в прочное соединение и вывести его из растворов на стадии экстракции. Химизм процесса описывается следующей схемой:

UF 6 + 2H 2 O = UO 2 F2 + 4HF 2 F 2 + Al(NO 3) 3 = UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3

HF + 2Al(NO 3) 2 = 2AlF 2 NO 3 + 4HNO 36 + 3Al(NO 3) 2 + 2H 2 O = UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3 + 4HNO 3

Комплексы AlF 2 NO 3 и AlF(NO 3) 2 подавляют диссациирующие действие F-иона на процесс экстракции урана и защищают аппаратуру от коррозионной нестойкости. В результате гидролиза получается водный раствор UO 2 F 2 и HF с концентрацией U 100 г/л. В процессе гидролиза идет бурное выделение тепла. После гидролиза нужно проводить контроль содержания U и HF.

Таблица 10.Растворимость UF 6 в H 2 O в зависимости от концентрации HF

	Конц. UO2F2 %

По аппаратурному оформлению различают два метода гидролиза: барботажный и струйный. Барботажный метод заключается в подаче гексафторида урана в раствор через газоподводную трубку в аппарат с мешалкой. Струйный метод - более современный и производительный. По струйному методу гексафторид урана подаётся в верхнюю часть вертикального аппарата, а водный раствор тангенциально вводится через стенку и по винтовой траектории опускается вниз.

Рис.10. Барботаж UF6 Рис.11.Струйный метод

Производительность струйного метода:25 кг/ч по UF 6 , 50 л/ч по H 2 O; давление: 4 атм.; t=104 °C. Экстракцию проводят в экстракторах ящечного типа. Операция состоит из 8 ступеней экстракции и 4-х ступеней реэкстракции. В качестве экстрагента используется 30% раствор ТБФ в керосине. На экстракцию подаётся раствор с концентрацией урана 20-30 г/л, концентрация азотной кислоты 180-220 г/л. Соотношение органической фазы к водной 1/(3-4). Концентрация урана в органической фазе составляет 70-90 г/л. Экстракцию ведут противоточным методом. Реэкстракцию проводят слабым раствором азотной кислоты при рН=1. Из полученных растворов нитрата уранила проводят осаждение полиураната аммония.

2 (NO 3) 2 + NH 4 OH → (NH 4) 2 U 4 O 13 + NH 4 NO 3

Прокаливанием из полиураната аммония получается закись-окись урана. Прокаливание проводят в горизонтальных вращающихся печах. Температура в печи 690 о -730 о С.

(NH 4) 2 U 4 O 13 → U 3 O 8 + NH 3 +N 2 +H 2 O

Восстановление проводится большим избытком водорода в горизонтальных вращающихся печах при температуре 650 о -750 о С.

U 3 O 8 + H 2 →UO 2 + H 2 O

Схема водного гидролиза гексафторида урана с использованием нитрата алюминия приведена на рис.12.

Рис.12. Технологическая схема водного гидролиза UF 6 .

В случае некондиции произведённых таблеток, их можно вновь прокалить до U 3 O 8 . Закись-окись урана растворяют в азотной кислоте, а полученный таким образом азотнокислый уранил перечищают экстракцией на трибутилфосфате. Затем из очищенного уранилнитрата осаждают аммиаком полиуранат аммония, прокаливают его до закиси-окиси и восстанавливают снова до диоксида урана.

3.1 АДУ-процесс

Своим названием АДУ-процесс обязан аммонийдиуранату, являющемуся исходным продуктом для получения многих соединений, в том числе и керамического UO 2 .

Обычно под АДУ-процессом подразумевают классическую схему получения керамического UO 2 из UF 6 (гидролиз UF 6 в воде или в растворе аммиака - осаждение полиураната аммония - сушка - прокалка - восстановление).

АДУ-процесс реализуемый во фторидных системах, предназначен для переработки UF 6 , содержащего повышенную концентрацию 235 U либо обедненного по изотопу 235 U. Получаемый порошок UO 2 с содержанием до 5% U используется для изготовления таблетированного топлива энергетических реакторов типа ВВР, а порошок UO2, обедненный по изотопу 235 U, - для топлива зоны воспроизводства реакторов на быстрых нейтронах.

Осаждение полиураната аммония ведётся большим избытком аммиака по следующей схеме:

HF + NH 4 OH = NH 4 F + H 2 O

UO 2 F 2 + 6NH 4 OH = (NH 4) 2 U 2 O 7 + 4NH 4 F + 3H 2 O

при недостатке аммиака возможна реакция.

UO 2 F 2 + 3NH 4 OH = (NH 4) 3 UO 2 F 5 + 3HF + 3H 2 O

Извлечение урана в осадок составляет более 99,5%. Для осаждения можно использовать агитаторы с мешалками, а фильтрацию осуществлять на барабанных вакуумных фильтрах. Отфильтрованный осадок полиураната аммония содержит несколько процентов фтора. Его дальнейшая переработка заключается в термической диссоциации до U 3 O 8 и последующем восстановлением до диоксида урана. Процесс удобно проводить в печах кипящего слоя. Последующая переработка UO 2 заключается в холодном прессовании и затем спекании образцов в атмосфере водорода при температуре 1750 о С. Ввиду того, что из полиураната аммония получается мелкодисперсный диоксид циркония, прессованные образцы имеют очень высокую плотность - не менее 95% от теоретической, т.е ~10 г/см3.

3.2 АУК-процесс

АУК-процесс берёт своё название от аммонийуранилкарбоната Промышленный способ получения керамического UO 2 из UF 6 осуществляется через промежуточное соединение (NH 4) 4 UO 2 (CO 3) 3 .

Аммонийуранилкарбонат образуется по реакции:

6 + 5H 2 O + 10NH 3 + 3CO 2 → (NH 4) 4 UO 2 (CO 3) 3 + 6NH 4 F.

(NH 4) 4 → 4 NH 3 + 3CO 2 + 1,75 H 2 O +UO 3 ∙ 0,25 H 2 O .

Конечным продуктом прокаливания является U3O8 (на воздухе) и UO2 (в водороде). Разложение (NH 4) 4 протекает ступенчато, сначала до моногидрата триоксида урана с постепенной потерей воды в дальнейшем. Процесс дегидратации можно представить следующим образом:

UO 3 ∙H 2 O → UO 3 ∙0,65H 2 O → UO 3 ∙ 0,5H 2 O → UO 3 ∙ 0,25H 2 O.

Соединение UO 3 ∙ 0,25H 2 O образуется в качестве промежуточного продукта при прокалке в атмосфере всех газов и существует вплоть до температуры 653К.

3(UO 3 ∙ 0,25H 2 O) + H 2 → U 3 O 8 + 1,75 H 2 O + 74,8 кДж.

В соответствии с данными рентгенодифракционного анализа продукт этой реакции идентифицирован как U 3 O 8 . Конечным продуктом восстановлением является порошок UO 2 .

4 Безводные методы переработки обогащённого урана

4.1 Восстановление UF6 водородом

Гексафторид урана водородом восстанавливают до тетрафторида и фтороводорода, далее тетрафторид сплавлением с кальцием восстанавливают до металлического урана и дифторида кальция.

Взаимодействие гексафторида урана в водородом описывается уравнением:

UF 6 + H 2 = UF 4 + 2HF + 16,5 кДж/моль

Реакция протекает со значительной убылью свободной энергии. Однако энергия активации реакции восстановления UF 6 водородом очень велика и для успешного проведения процесса необходим подвод тепла. Восстановление гексафторида водородом - реакция первого порядка.

Для реализации рассматриваемого процесс существует два метода подвода тепла: либо через стенку, либо в реактор впрыскивают небольшое количество фтора, который взаимодействуя с водородом выделяет достаточное количество тепла. Аппаратура для восстановления гексафторида урана водородом делится на два типа по способу подвода тепла:

Реактор с горячими стенками;

Реактор с холодными стенками.

Разбавление гексафторида азотом, вплоть до эквимолярного состава газов на входе, не снижает эффективности процесса. Уменьшение избытка H2 приводит к повышению удельного веса UF4. Существенным недостатком процесса восстановления гексафторида урана водородом в реакторе с горячей стенкой, является перегрев стенок за счёт тепла реакции, особенно в первых по ходу газа зонах. Это приводит к сплавлению твёрдого материала, в связи с чем необходимо периодически прекращать работу и очищать стенки. Обычно реактор работает 78 часов, а затем останавливается на чистку. Для воспрепятствования накапливания на стенках мягкого порошка UF 4 необходима вибрация реактора.

Выход был найден в виде совместной подачи в реактор UF6 и F 2 . За счёт тепла реакции сжигания водорода во фторе.

H 2 + F 2 = 2HF + 30,6 кДж/моль

в факеле возбуждается реакция восстановления гексафторида урана водородом. На Рис.13 представлена конструкция аппарата с горячими стенками.

Рис. 13. Аппарат с горячими стенками для восстановления гексафторида урана.

Реактор представляет собой вертикальную трубу (рис.13), в верхний фланец реакторавмонтирована форсунка для смешения реакционных газов и впрыска их в зону реактора. Обогрев трёхступенчатый.

Такой способ, проводимый в реакторе с холодными стенками, вполне удовлетворителен, как со стороны эксплуатационных характеристик, так и со стороны качества производимого тетрафторида урана. Однако необходимость сжигания F 2 в значительно дешёвый HF снижает экономическую эффективность такого способ переработки.

Рассмотрение тех или иных химических реакций в системе начинают с термодинамического анализа, который позволяет оценить наиболее вероятные варианты химических превращений, их последовательность и глубину, влияние основных внешних факторов (температуры, давления) на протекание процессов.

В газовых методах гидролиз UF 6 проводят при повышенных температурах (обычно при 473-973 К). Поэтому правильнее этот процесс назвать пирогидролизом. В реальных процессах в присутствии водорода приходится считаться с существованием двух многоступенчатых цепочек превращений UF6, ведущих к образованию твердых промежуточных соединений.

Цепочка превращений UF 6 → UO 2 F 2 → UO 2:

6 + 2H 2 O = UO 2 F 2 + 4HF 2 F 2 + H 2 = UO 2 + 2HF 2 F 2 + H 2 O = UO 3 + 2HF 3 + H 2 = UO 2 + H 2 O 2 F 2 + 2/3H 2 O +1/3H 2 = UO 2,67 + 2HF 2,67 + 2/3H 2 = UO 2 + 2/3H 2 O 2 F 2 + H 2 = 1/2UO 2 + 1/2UF 4 + H 2 O

/2UF 4 + H 2 O = 1/2UO 2 + 2HF

Цепочка превращений UF 6 → UF 4 →UO 2:

6 + H 2 = UF 4 + 2HF, 4 + 2H 2 O = UO 2 + 4HF.

Суммарной реакцией взаимодействия гексафторида урана со смесью водорода и водяного пара является реакция:

UF 6 + 2H 2 O + H 2 = UO 2 + 6HF.

Термодинамический анализ взаимодействия в системе UF 6 - H 2 O - H 2 состоит в определении основных термодинамических параметров и определении условий протекания процесса. Оценивая влияние температуры на общий характер протекания химических реакций в процессах газовой конверсии UF 6 , можно отметить, что увеличение температуры должно способствовать обесфториванию и постепенному переходу от уранилфторидного продукта реакции конверсии к оксидным системам. В связи с тем, что реакции обесфторивания протекают с увеличением объема системы, снижение общего давления в системе должно способствовать получению оксидов урана с меньшим содержанием остаточного фтора.

Цепочка превращений при кислородно-водородной конверсии гексафторида урана.

Цепочка превращения:

UF 6 + H 2 = UF 4 + 2HF,

UF 4 + 2H 2 O = UO 2 + 4HF,

H 2 + O 2 = 2H 2 O,

или 6 + 2H 2 O = UO 2 F 2 + 4HF, 2 F 2 + H 2 = UO 2 + 2HF,

или 2 F 2 + H 2 O = UO 3 + 2HF

UO 3 + H 2 = UO 2 + H 2 O

Суммарная реакция восстановительного гидролиза в кислородно-водородном пламени может быть записана в следующем виде:

UF 6 (г) + Н 2 изб + О 2 изб → UO 2 тв + 6HF + Н 2 О остаточная

Ход изменений энергии Гиббса при повышении температуры, протекающих при гидролизе гексафторида урана парами воды, благоприятно сказывается на глубине прохождения гидролиза и последующей реакции восстановления уранилфторида водородом. Необходимо отметить что, гидролиз уранилфторида до триоксида обратим и при относительно высоких температурах протекает в прямом направлении.

В продуктах реакции пламенного реактора (температура около 1300°С) обнаружены UО 2 , UO 3 , UF 4 , U(OH) 4 , Н 2 О, UО 2 F 2 . Основным элементом, загрязняющим конечный продукт, был фтор, содержание которого составляло 4-8%.

Содержание фтора в продукте, полученном пламенным пирогидролизом, значительно снижалось при термической обработке его в водороде при 1000°С и достигало значения менее 3·10-3, что вполне удовлетворительно. Подача исходных продуктов организована следующим образом. Три газа (UF 6 , O 2 и F 2) поступают по центральной трубке, a H 2 - по кольцевому зазору; F 2 подают только в самом начале для инициирования процесса взаимодействия UF 6 с водородом.

5 ВОУ-НОУ процесс

Технология ВОУ-НОУ включает операции по переводу высокообогащённого урана (ВОУ) в низкообогащённый уран (НОУ). Необходимость такой конверсии возникла в середине 1990-х годов вследствие двустороннего разоружения США и России. Наработанный ранее высокообогащенный (90%) уран необходимо переводить в низкообогащенный (1,6 - 4,4%), пригодный для использования в мирных целях для изготовления ТВЭлов для ВВЭР. Поставленная задача решается методом разбавления высокообогащенного урана низкообогащенным через стадию фторирования. Поскольку гексафторид урана газообразное соединение, то таким образом достигается равномерная гомогенизация смеси. Преимуществами такого смешения является являются менее затратная организация обеспечения ядерной безопасности и требуемой точности дозирования смешиваемых продуктов, оперативность управления процессом смешивания. Промышленная технологическая схема такого производства представлена на рис.14.

Рис.14 Технологическая схема процесса ВОУ-НОУ.

К НОУ предъявляются высокие требования по чистоте. В нем, в частности, должно быть гарантировано содержание

плутония < 0,05 Бк/г U

нептуния < 0,01 Бк/г U

урана -234 < 10 000 мкг/г U - 235

урана -236 < 5 000 мкг/г U - 235

Исходя из этих треобований, в технологическую схему перевода оружейного урана из элементного состояния в его гексафторид и разбавления низкообогащенным ураном были введены две дополнительные операции:

во-первых, была введена стадия экстракционной очистки оксидов высокообогащенного урана от плутония, продуктов деления и легирующих добавок.

во-вторых, была организованна наработка из природного урина гексафторида урана-разбавителя с 1,5% содержанием урана-235 с пониженным содержанием изотопов урана-234 и урана-236 .Из рис. 1 видно, что важнейшим элементом в технологии переработки оружейного урана в ядерное энергетическое топливо является процесс фторирования оксидов высокообогащенного урана. На фторирование поступает порошкообразная закись-окись урана (октаоксид триурана) и фтор, предварительно прошедший очистку от фтористого водорода методом селективной сорбции последнего на гранулах фторида натрия. Реакция фторирования протекает при температуре 350 -г 400 °С. Процесс фторирования осуществляют в непрерывном режиме в период переработки одной партии при противотоке твердой и газообразной фаз реагентов. Твердые порошкообразные остатки от фторирования, в которых концентрируются нелетучие фториды продуктов распада радионуклидов, продукты коррозии (фториды Fe, Ni , Си), а также нелетучие фториды плутония, в микроскопических количествах присутствующего в уране, после переработки одной или нескольких партий оксидов урана выгружаются из реактора и направляются для извлечения урана. Газовая фаза, выходя из реактора,проходит двухступенчатую фильтрацию от уносимой твердой фазы и поступает на десублимацию полученного гексафторида урана из газового потока. Кроме того, на первой технологической цепочке перед десублимацией газовый поток проходит сорбционную колонну, в которой селективно улавливается плутоний, который подвергся возгонке вместе с гексафторидом урана, по реакции

Собранный в десублиматоре гексафторид урана при размораживании десублиматора подвергается вакуумной тренировке с целью удаления из него неконденсирующихся газов и примеси фтористого водорода, после чего гексафторид урана пере- конденсируется из десублиматора в транспортные емкости и отправляется потребителю (заводу по разделению изотопов).

Технологические газы после десублиматора, содержащие в основном неконденсирующие газы F2, 02 и другие, проходят очистку от гексафторида урана путем улавливания его на гранулах фтористого натрия по реакции:

F 6 + 2 Na F = U F 6 2 Na F ,

а затем направляются на нейтрализацию фтора и санитарную очистку в систему газоочистки Аппаратурное оформление технологических процессов на установке определяется свойствами перерабатываемых материалов и реагентов, главными из которых являются;

высокая химическая токсичность фтора, фтороводорода, гексафторида урана и других летучих и нелетучих фторидов, участвующих в технологическом процессе. По химической опасности большинство из них относятся к веществам 1 класса;

высокая радиотоксичность высокообогащенного урана и других нуклидов, присутствующих в нем: следовые количества плутония, урана-232 и продуктов их распада; это относит перерабатываемый материал по радиоопасности к веществам класса А;

высокообогащенный уран является ядерно-опасным, т. е. при определенных условиях возможно возникновение самопроизвольной цепной реакции распада (СЦР).

Вопросы ядерной безопасности на установке решены тем, что все технологическое и вспомогательное оборудование, включая: реактор-фторатор, бункер, десублиматор, сорбционные колонны, санфильтры - имеют либо ядернобезопасную геометрию, либо ограничения по объему и загрузке аппаратов и величине одновременно перерабатываемой партии высокообогащенного урана

Заключение

Несмотря на то, что уран низкого обогащения - ценное сырье для производства высокообогащенного урана, газодиффузионные установки низкого обогащения невозможно легко переделать для производства урана высокого обогащения. Высокое обогащение требует много меньших по размеру ступеней, из-за резкого снижения коэффициента обогащения и проблем с критичностью (накопление критической массы урана) у больших по размеру блоков.

Огромные размеры обогатительной системы ведут к длительному времени заполнения ее материалом (обогащаемым веществом), до начала выхода продукта. Обычно это время установления равновесия составляет 1-3 месяца. Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран, даже Аргентина создала действующее обогатительное предприятие для своей тайной оружейной программы (в настоящее время прекращенной). В 1979 году более 98% всего урана производилось с использованием этого процесса. К середине 1980-х эта доля сократилась до 95% с освоением метода центрифугирования.

Доминирующий способ разделения изотопов для новых производств, хотя уже существующие мощности - по большей части газодиффузионные. Каждая центрифуга обеспечивает гораздо больший коэффициент разделения, чем одна газовая ступень. Требуется много меньше ступеней, всего около тысячи, правда стоимость каждой центрифуги гораздо выше.

Газовое центрифугирование требует ~1/10 часть энергии, требующейся газовой диффузии (его энергопотребление 100-250 кВт-ч/МПП-кг) и обеспечивает более легкое наращивание масштаба производства.

Из развивающихся ядерных стран этой достаточно сложной технологией владеют Пакистан и Индия.

Многие страны заявляют о программах создания или развития парка энергетических ядерных реакторов. Согласно прогнозу Всемирной ядерной ассоциации, к 2020 году установленные мощности АЭС в мире увеличатся с текущих 360 ГВт (2007г.) до 446 ГВт. Поэтому увеличится потребность в обогащении урана, поскольку большинство существующих и планируемых к строительству реакторов используют в качестве топлива уран, обогащенный до 3,5-4 % по изотопу 235 U.

В целом, развитие европейских обогатительных компаний имеет твердую основу в виде надежной технологии, значительных существующих мощностей и надежной производственной базы центрифуг.

Литература

1. Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана, М.Госатомиздат, 1978.

Справочник по ядерной энерготехнологии: пер. с англ./ Ф.Ран, А.Адамантиадес, Дж.Кентон, Ч.Браун; под.ред. В.А.Легасова. -М.:Энергоатомиздат, 1989.-752с.

Галкин Н.П., Майоров А.А., Верятин И.Д Химия и технология фтористых соединений урана, М.:Госатомиздат, 1961.

Ч.Харрингтон, А.Рюэле Технология производства урана, М.:Госхимиздат, 1961.

В.С.Емельянов, А.И.Евстюхин Металлургия ядерного горючего, М.:Атомиздат, 1968.

Жиганов А.Н, Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана, как керамического ядерного топлива, Томск, 2003.

Шевченко В.Б, Судариков Б.Н. Технология урана. - М.:Госатомиздат, 1961.

Майоров А.А., Браверманн И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.:Энергоатомиздат, 1985.

Смайли С. Аппаратурное оформление гетерогенных процессов в технологии урана.-М.:Госатомиздат, 1963.

Химия актиноидов, под ред Дж.Каца, Г.Сиборга, Л.Морсс. Том 1. М."Мир",1991.

Петерсон З, Уаймер Р. Химия в атомной промышленности.-М.:Атомиздат, 1967.

Разделение изотопов

Разделение изотопов - технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента , выделяются отдельные изотопы этого элемента. Основное применение процесса разделения изотопов - производство ядерного топлива, оружейных радиоактивных материалов, и прочие применения, связанные с использованием радиоактивных веществ. В таких случаях разделение обычно преследует цель обогащения или обеднения материала определёнными радиоактивными изотопами.

Общие принципы

Разделение изотопов (например извлечение , 235 U , ) всегда сопряжено со значительными трудностями, ибо изотопы , представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента , химически ведут себя практически одинаково. Но - скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах - например в массе .

Как бы то ни было, различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова - огромное количество раз.

На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части - обогащённую и обеднённую нужным изотопом. Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащённой части. Для исключения такой потери ценного сырья обеднённый поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей.

Исходный материал не поступает на первую стадию каскада. Он вводится в систему сразу на некоторую, n-ю ступень. Благодаря этому с первой ступени выводится в утиль сильно обеднённый по основному изотопу материал.

Основные используемые методы разделения изотопов

• Электромагнитное разделение
• Газовая диффузия
• Жидкостная термодиффузия
• Газовое центрифугирование
• Аэродинамическая сепарация
• Лазерное разделение изотопов
• Химическое обогащение
• Фотохимическое разделение

В любом случае, количество произведённого обогащённого материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дёшево, то производительность каскада можно увеличить за счёт отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлёченного полезного элемента (пример - производство дейтерия из обычной воды). При необходимости достигается большая степень извлечения изотопа из материала-сырца (например, при обогащении урана или плутония).

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами . Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приёмники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки - большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода - получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12 , вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамма 80 % U-235 в день.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии.

При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и лёгкие из них обгонят более тяжёлые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь - изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

Для некоторых лёгких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана - только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия - циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Жидкостная термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более лёгкие из них при существовании разницы температуры имеют свойство оказываться в более нагретой области. Коэффициент разделения зависит от отношения разницы массы изотопов к общей массе и больший для лёгких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева. Поэтому широко не применяется.

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные газовые центрифуги , то центробежная сила разделит более лёгкие или тяжёлые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с лёгкими, и с тяжёлыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов - 250-350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффициент сепарации - 1.01 - 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую лёгкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование - основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Аэродинамическая сепарация

Этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подаётся под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте , использовалась ЮАР и Германией.

Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определённого изотопа. Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая технология имеет чрезвычайную эффективность и применялась в ЮАР (MLIS), КНР (CRISLA), США (AVLIS) и Франции (SILVA). Технология имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой. На смену AVLIS пришла SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) разработки "General Electric" и "Hitachi". Начато строительство завода в Уилмингтоне , штат Северная Каролина .

Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении лёгких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твёрдое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащённый и обеднённый потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение - самая энергосберегающая технология получения тяжёлой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения 6 Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Разделение изотопов" в других словарях:

разделение изотопов - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN isotope separationisotope fractionation …

разделение изотопов - izotopų atskyrimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. isotope separation vok. Isotopentrennung, f rus. разделение изотопов, n pranc. séparation d isotopes, f … Radioelektronikos terminų žodynas

Обусловлено различиями физико хим. свойств, связанными с их массой и определяющими разные скорости их диффузии, испарения и т. д. Термодинамические особенности изотопов и их соединений несколько различаются, чем объясняется их несколько отличное… … Геологическая энциклопедия

разделение изотопов в высокоградиентном магнитном поле - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN high gradient magnetic isotope separation … Справочник технического переводчика

разделение изотопов в оперативном режиме - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN isotope separation on lineISOL … Справочник технического переводчика

разделение изотопов выпариванием с помощью лазеров - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN atomic vapor laser isotope separationAVLIS … Справочник технического переводчика

разделение изотопов методом химического обмена - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN CHEMEX (chemical exchange) process … Справочник технического переводчика

разделение изотопов на молекулярном уровне с помощью лазеров - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN molecular laser isotope separationMLIS … Справочник технического переводчика

Разделение изотопов, основанное на изотопич. сдвиге уровней энергии атомов и молекул и использовании резонансного воздействия лазерного излучения. Интенсивное монохроматическое излучение лазера, вызывая переходы между соответствующими энергетич.… … Физическая энциклопедия

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии. Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое под воздействием центробежной силы отделяется от легкого. Так в чем же её значимость и уникальность?

Для начала ответим на другой вопрос - а вообще, зачем разделять уран?
Природный уран, который прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234).

Уран-238 - это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей. А вот, что можно сделать из урана-235? Ну, во-первых, атомную бомбу, во-вторых, топливо для АЭС. И вот тут мы подходим к ключевому вопросу - как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?!

Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см.
Для того, чтобы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ . Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории

В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения - пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей.

Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней».

Доклад Берии Сталину о подготовке первого атомного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте - 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну, а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто заводы, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции.

На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813 была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения. Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска. Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод в Уральский электрохимический комбинат - крупнейшее в мире разделительное производство.

Уральский электрохимический комбинат - крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, но была отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз!

Как устроена центрифуга?

Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6) . За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а вверху и внизу. Это возникает из-за конвекционных потоков - крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и внизу цилиндра установлены две небольших трубочки - заборника. В нижнюю трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю - смесь с большей концентрацией атомов 235U . Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Как устроена центрифуга?

Технические особенности

Ну, во-первых, скорость вращения у современного поколения центрифуг достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее, чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем. Иголка тоже непростая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким - ГТ). Нетрудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной.

Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли. Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать - километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии. Генерал на совещании сказал: "Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год". И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся. Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг - многие сотни тысяч.»

На фото: испытания первого поколения центрифуг.

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра.

Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного. Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд. Но вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.»

Кто изобрел?

О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью. Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще, принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века.
Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли. Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ--5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков.

Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства. В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень. Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений. Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга — на треть плод немецкой мысли, а на две трети — советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых.

Итак, что же придумал Сергеев?

А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито. Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила...».
Позже, оказавшись за пределами СССР, Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой».

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем. Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль. Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее «Русской центрифугой».

Наши дни

На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии - закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ . Эта сделка (высокообогащенный уран - низкообогащенный уран) была, да и остается, крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта, российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд. долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта. Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство. Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Sp-force-hide { display: none;}.sp-form { display: block; background: #ffffff; padding: 15px; width: 960px; max-width: 100%; border-radius: 5px; -moz-border-radius: 5px; -webkit-border-radius: 5px; border-color: #dddddd; border-style: solid; border-width: 1px; font-family: Arial, "Helvetica Neue", sans-serif; background-repeat: no-repeat; background-position: center; background-size: auto;}.sp-form input { display: inline-block; opacity: 1; visibility: visible;}.sp-form .sp-form-fields-wrapper { margin: 0 auto; width: 930px;}.sp-form .sp-form-control { background: #ffffff; border-color: #cccccc; border-style: solid; border-width: 1px; font-size: 15px; padding-left: 8.75px; padding-right: 8.75px; border-radius: 4px; -moz-border-radius: 4px; -webkit-border-radius: 4px; height: 35px; width: 100%;}.sp-form .sp-field label { color: #444444; font-size: 13px; font-style: normal; font-weight: bold;}.sp-form .sp-button { border-radius: 4px; -moz-border-radius: 4px; -webkit-border-radius: 4px; background-color: #0089bf; color: #ffffff; width: auto; font-weight: 700; font-style: normal; font-family: Arial, sans-serif;}.sp-form .sp-button-container { text-align: left;}