Urāna bagātināšanas tehnoloģijas. Skatiet, kas ir “Urāna bagātināšana” citās vārdnīcās Vāji bagātināts urāns

Dabiskais urāns satur trīs urāna izotopus: 238 U (masas daļa 99,2745%), 235 U (dalība 0,72%) un 234 U (dalība 0,0055%). Izotops 238 U ir relatīvi stabils izotops, kas pats par sevi nav spējīgs uz kodolreakciju, atšķirībā no retā 235 U. Pašlaik 235 U ir primārais skaldāmais materiāls kodolreaktora un kodolieroču tehnoloģiju ķēdē. Tomēr daudziem lietojumiem 235 U izotopu īpatsvars dabiskajā urānā ir neliels, un kodoldegvielas sagatavošana parasti ietver urāna bagātināšanas posmu.

Iemesli kļūt bagātam

Kodolķēdes reakcija nozīmē, ka vismaz vienu neitronu no urāna atoma sabrukšanas uztvers cits atoms un attiecīgi izraisīs tā sabrukšanu. Sākotnēji tas nozīmē, ka neitronam ir “jāatduras” 235 U atomā, pirms tas atstāj reaktoru. Tas nozīmē, ka konstrukcijai ar urānu jābūt pietiekami kompaktai, lai varbūtība atrast nākamo urāna atomu neitronam būtu diezgan augsta. Bet, reaktoram darbojoties, 235 U pakāpeniski izdeg, kas samazina neitrona un 235 U atoma tikšanās iespējamību, kas liek reaktoros iebūvēt noteiktu šīs varbūtības rezervi. Attiecīgi zemais 235 U īpatsvars kodoldegvielā rada nepieciešamību:

• lielāks reaktora tilpums, lai neitrons tajā paliktu ilgāk;
• lielāka daļa no reaktora tilpuma būtu jāaizņem degvielai, lai palielinātu neitrona un urāna atoma sadursmes iespējamību;
• biežāk ir nepieciešams pārlādēt degvielu ar svaigu degvielu, lai reaktorā saglabātu doto tilpuma blīvumu 235 U;
• augsts vērtīgās 235 U īpatsvars lietotajā kodoldegvielā.

Kodoltehnoloģiju pilnveidošanas procesā tika atrasti ekonomiski un tehnoloģiski optimāli risinājumi, kas prasīja 235 U satura palielināšanu degvielā, tas ir, urāna bagātināšanu.

Kodolieročos bagātināšanas uzdevums ir gandrīz vienāds: ir nepieciešams, lai ārkārtīgi īsā kodolsprādziena laikā maksimālais 235 U atomu skaits atrastu savu neitronu, sabruktu un atbrīvotu enerģiju. Tam nepieciešams maksimālais iespējamais tilpuma blīvums 235 U atomi, kas sasniedzams ar maksimālu bagātināšanu.

Urāna bagātināšanas līmeņi

Dabīgais urāns ar 235 U saturu 0,72%, to izmanto dažos jaudas reaktoros (piemēram, Kanādas CANDU), plutonija ražošanas reaktoros (piemēram, A-1).

Tiek saukts urāns ar saturu no 235 U līdz 20%. maz bagātināts(Mazbagātināts urāns, LEU). Urāns ar 2-5% bagātinājumu tagad tiek plaši izmantots spēka reaktoros visā pasaulē. Urāns, kas bagātināts līdz 20%, tiek izmantots pētniecības un eksperimentālajos reaktoros.

Tiek saukts urāns ar 235 U saturu vairāk nekā 20%. ļoti bagātināts(ang. Augsti bagātināts urāns, HEU) vai ieročus. Kodolēras rītausmā tika izgatavoti vairāku veidu ieroču tipa kodolieroči, kuru pamatā bija urāns ar bagātinājumu aptuveni par 90%. Augsti bagātinātu urānu var izmantot kodoltermiskajos ieročos kā viltot(saspiežot apvalku) kodoltermiskais lādiņš. Turklāt augsti bagātinātu urānu izmanto kodolenerģijas reaktoros ar gariem degvielas cikliem (tas ir, ar retu uzpildīšanu vai bez tās), piemēram, kosmosa kuģu reaktoros vai kuģu reaktoros.

Paliek pārstrādes rūpnīcu atkritumu izgāztuvēs noplicināts urāns ar 235 U saturu 0,1–0,3%. To plaši izmanto kā bruņu caurduršanas artilērijas šāviņu serdeņus augstā urāna blīvuma un noplicinātā urāna zemo izmaksu dēļ. Nākotnē noplicināto urānu paredzēts izmantot ātro neitronu reaktoros, kur bez ķēdes reakcijas urānu-238 var pārveidot par ķēdes reakciju atbalstošu plutoniju-239. Iegūto MOX degvielu var izmantot tradicionālajos termiskajos neitronu jaudas reaktoros.

Tehnoloģijas

Daudzas no metodēm ir izmēģinātas rūpnieciskai urāna bagātināšanai, taču šobrīd gandrīz visas bagātināšanas iekārtas darbojas uz gāzes centrifugēšanas bāzes. Līdzās centrifugēšanai pagātnē plaši tika izmantota arī gāzveida difūzijas metode. Kodolēras rītausmā tika izmantotas elektromagnētiskās, termiskās difūzijas un aerodinamiskās metodes. Mūsdienās centrifugēšana parāda labākos ekonomiskos parametrus urāna bagātināšanai. Tomēr tiek veikti pētījumi par daudzsološām atdalīšanas metodēm, piemēram, lāzera izotopu atdalīšanu.

Bagātinātā urāna ražošana pasaulē

Izotopu atdalīšanas darbs tiek aprēķināts speciālās separācijas darba vienībās (SWP, angļu Separative work unit, SWU). Urāna izotopu atdalīšanas iekārtu jauda tūkstošos SWU gadā saskaņā ar WNA tirgus ziņojumu ar attīstības prognozi.

Valsts	Uzņēmums, rūpnīca	2012	2013	2015	2020
Krievija

Raksta saturs

URĀNA RŪPNIECĪBA. Urāns ir galvenais kodolenerģijas enerģijas avots, kas saražo aptuveni 20% no pasaules elektroenerģijas. Urāna rūpniecība aptver visus urāna ražošanas posmus, tostarp izpēti, izstrādi un rūdas ieguvi. Urāna pārstrādi reaktora degvielā var uzskatīt par dabisku urāna rūpniecības nozari.

Resursi.

Pasaulē pietiekami uzticami izpētītie urāna resursi, ko varētu izolēt no rūdas, izmaksājot ne vairāk kā 100 USD par kilogramu, ir aptuveni 3,3 miljardi kg U 3 O 8 . Aptuveni 20% no tā (apmēram 0,7 miljardi kg U 3 O 8, cm. attēls) attiecas uz Austrāliju, kam seko ASV (apmēram 0,45 miljardi kg U 3 O 8). Dienvidāfrikai un Kanādai ir ievērojami resursi urāna ražošanai.

Urāna ražošana.

Urāna ražošanas galvenie posmi ir rūdas ieguve pazemes vai atklātās raktuvēs, rūdas bagātināšana (šķirošana) un urāna ieguve no rūdas ar izskalošanos. Raktuvēs urāna rūda tiek iegūta no iežu masas, izmantojot urbšanas-sprādzienbīstamo metodi, sasmalcināto rūdu šķiro un sasmalcina, un pēc tam pārnes stipras skābes šķīdumā (sērskābā) vai sārmainā šķīdumā (vislabākais nātrija karbonāts). karbonātu rūdu gadījumā). Urānu saturošu šķīdumu atdala no neizšķīdušām daļiņām, koncentrē un attīra, sorbējot uz jonu apmaiņas sveķiem vai ekstrahējot ar organiskiem šķīdinātājiem. Koncentrātu, parasti U 3 O 8 oksīda formā, ko sauc par dzelteno kūku, pēc tam izgulsnē no šķīduma, žāvē un ievieto tērauda traukos ar ietilpību apm. 1000 l.

In situ izskalošanos arvien vairāk izmanto, lai iegūtu urānu no porainām nogulumu rūdām. Sārmains vai skābs šķīdums tiek nepārtraukti virzīts caur rūdas korpusā urbtajām urbumiem. Šo šķīdumu ar tajā pārnesto urānu koncentrē un attīra, un pēc tam no tā nogulsnējot iegūst dzelteno kūku.

Urāna pārstrāde kodoldegvielā.

Dabiskā urāna koncentrāts — dzeltenā kūka — ir kodoldegvielas cikla izejviela. Lai dabisko urānu pārvērstu degvielā, kas atbilst kodolreaktora prasībām, ir nepieciešami vēl trīs posmi: pārveide par UF 6, urāna bagātināšana un degvielas elementu (degvielas elementu) ražošana.

Pārvēršana uz UF6.

Lai pārvērstu urāna oksīdu U 3 O 8 par urāna heksafluorīdu UF 6, dzelteno kūku parasti reducē ar bezūdens amonjaku līdz UO 2, no kura pēc tam, izmantojot fluorūdeņražskābi, iegūst UF 4. Pēdējā posmā, iedarbojoties uz UF 4 ar tīru fluoru, tiek iegūts UF 6 - ciets produkts, kas sublimējas istabas temperatūrā un normālā spiedienā un kūst paaugstinātā spiedienā. Pieci lielākie urāna ražotāji (Kanāda, Krievija, Nigēra, Kazahstāna un Uzbekistāna) kopā var saražot 65 000 tonnu UF 6 gadā.

Urāna bagātināšana.

Nākamajā kodoldegvielas cikla posmā U-235 saturs UF 6 palielinās. Dabiskais urāns sastāv no trim izotopiem: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) un U-234 (0,01%). Sadalīšanās reakcijai kodolreaktorā ir nepieciešams lielāks U-235 izotopa saturs. Urāna bagātināšanu veic ar divām galvenajām izotopu atdalīšanas metodēm: gāzu difūzijas metodi un gāzu centrifugēšanas metodi. (Urāna bagātināšanā iztērēto enerģiju mēra separācijas darba vienībās, SWU.)

Ar gāzu difūzijas metodi cietais urāna heksafluorīds UF 6, samazinot spiedienu, tiek pārvērsts gāzveida stāvoklī un pēc tam tiek sūknēts caur porainām caurulēm, kas izgatavotas no īpaša sakausējuma, caur kuru sienām gāze var difundēt. Tā kā U-235 atomiem ir mazāka masa nekā U-238 atomiem, tie izkliedējas vieglāk un ātrāk. Difūzijas procesā gāze tiek bagātināta ar U-235 izotopu, un caur caurulēm izvadītā gāze tiek izsmelta. Bagātinātā gāze atkal tiek izlaista caur caurulēm, un process turpinās, līdz U-235 izotopa saturs paraugā sasniedz kodolreaktora darbībai nepieciešamo līmeni (3–5%). (Ieroču kvalitātes urānam nepieciešama bagātināšana līdz līmenim, kas pārsniedz 90% U-235.) Tikai 0,2–0,3% no U-235 izotopa paliek bagātināšanas atkritumos. Gāzu difūzijas metodi raksturo augsta enerģijas intensitāte. Rūpnīcas, kuru pamatā ir šī metode, ir pieejamas tikai ASV, Francijā un Ķīnā.

Krievijā, Lielbritānijā, Vācijā, Nīderlandē un Japānā izmanto centrifugēšanas metodi, kurā UF 6 gāze tiek rotēta ļoti ātri. Atšķirību dēļ atomu masā un līdz ar to arī centrbēdzes spēkiem, kas iedarbojas uz atomiem, gāze, kas atrodas netālu no plūsmas rotācijas ass, tiek bagātināta ar gaismas izotopu U-235. Bagātinātā gāze tiek savākta un ekstrahēta.

Degvielas stieņu ražošana.

Bagātināts UF 6 ierodas rūpnīcā 2,5 tonnu tērauda konteineros. No tā hidrolīzes ceļā iegūst UO 2 F 2, ko pēc tam apstrādā ar amonija hidroksīdu. Izgulsnēto amonija diuranātu filtrē un apdedzina, lai iegūtu urāna dioksīdu UO 2 , ko presē un saķepina mazās keramikas granulās. Tabletes ievieto caurulēs, kas izgatavotas no cirkonija sakausējuma (Zircaloy) un iegūst degvielas stieņus, t.s. degvielas elementi (degvielas elementi), kas apvieno aptuveni 200 gabalus pilnos degvielas komplektos, kas ir gatavi lietošanai atomelektrostacijās.

Izlietotā kodoldegviela ir ļoti radioaktīva un prasa īpašus piesardzības pasākumus uzglabāšanas un apglabāšanas laikā. Principā to var pārstrādāt, atdalot skaldīšanas produktus no atlikušā urāna un plutonija, ko var atkārtoti izmantot kā kodoldegvielu. Taču šāda apstrāde ir dārga, un komerciālas iekārtas ir pieejamas tikai dažās valstīs, piemēram, Francijā un Apvienotajā Karalistē.

Ražošanas apjoms.

Līdz 80. gadu vidum, kad cerības uz strauju kodolenerģijas pieaugumu neizdevās, urāna ražošana strauji samazinājās. Daudzu jaunu reaktoru celtniecība tika apturēta, un esošajos uzņēmumos sāka uzkrāties urāna degvielas rezerves. Līdz ar Padomju Savienības sabrukumu urāna piegāde Rietumos vēl vairāk palielinājās.

Raksta saturs

URĀNA RŪPNIECĪBA. Urāns ir galvenais kodolenerģijas enerģijas avots, kas saražo aptuveni 20% no pasaules elektroenerģijas. Urāna rūpniecība aptver visus urāna ražošanas posmus, tostarp izpēti, izstrādi un rūdas ieguvi. Urāna pārstrādi reaktora degvielā var uzskatīt par dabisku urāna rūpniecības nozari.

Resursi.

Pasaulē pietiekami uzticami izpētītie urāna resursi, ko varētu izolēt no rūdas, izmaksājot ne vairāk kā 100 USD par kilogramu, ir aptuveni 3,3 miljardi kg U 3 O 8 . Aptuveni 20% no tā (apmēram 0,7 miljardi kg U 3 O 8, cm. attēls) attiecas uz Austrāliju, kam seko ASV (apmēram 0,45 miljardi kg U 3 O 8). Dienvidāfrikai un Kanādai ir ievērojami resursi urāna ražošanai.

Urāna ražošana.

Urāna ražošanas galvenie posmi ir rūdas ieguve pazemes vai atklātās raktuvēs, rūdas bagātināšana (šķirošana) un urāna ieguve no rūdas ar izskalošanos. Raktuvēs urāna rūda tiek iegūta no iežu masas, izmantojot urbšanas-sprādzienbīstamo metodi, sasmalcināto rūdu šķiro un sasmalcina, un pēc tam pārnes stipras skābes šķīdumā (sērskābā) vai sārmainā šķīdumā (vislabākais nātrija karbonāts). karbonātu rūdu gadījumā). Urānu saturošu šķīdumu atdala no neizšķīdušām daļiņām, koncentrē un attīra, sorbējot uz jonu apmaiņas sveķiem vai ekstrahējot ar organiskiem šķīdinātājiem. Koncentrātu, parasti U 3 O 8 oksīda formā, ko sauc par dzelteno kūku, pēc tam izgulsnē no šķīduma, žāvē un ievieto tērauda traukos ar ietilpību apm. 1000 l.

In situ izskalošanos arvien vairāk izmanto, lai iegūtu urānu no porainām nogulumu rūdām. Sārmains vai skābs šķīdums tiek nepārtraukti virzīts caur rūdas korpusā urbtajām urbumiem. Šo šķīdumu ar tajā pārnesto urānu koncentrē un attīra, un pēc tam no tā nogulsnējot iegūst dzelteno kūku.

Urāna pārstrāde kodoldegvielā.

Dabiskā urāna koncentrāts — dzeltenā kūka — ir kodoldegvielas cikla izejviela. Lai dabisko urānu pārvērstu degvielā, kas atbilst kodolreaktora prasībām, ir nepieciešami vēl trīs posmi: pārveide par UF 6, urāna bagātināšana un degvielas elementu (degvielas elementu) ražošana.

Pārvēršana uz UF6.

Lai pārvērstu urāna oksīdu U 3 O 8 par urāna heksafluorīdu UF 6, dzelteno kūku parasti reducē ar bezūdens amonjaku līdz UO 2, no kura pēc tam, izmantojot fluorūdeņražskābi, iegūst UF 4. Pēdējā posmā, iedarbojoties uz UF 4 ar tīru fluoru, tiek iegūts UF 6 - ciets produkts, kas sublimējas istabas temperatūrā un normālā spiedienā un kūst paaugstinātā spiedienā. Pieci lielākie urāna ražotāji (Kanāda, Krievija, Nigēra, Kazahstāna un Uzbekistāna) kopā var saražot 65 000 tonnu UF 6 gadā.

Urāna bagātināšana.

Nākamajā kodoldegvielas cikla posmā U-235 saturs UF 6 palielinās. Dabiskais urāns sastāv no trim izotopiem: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) un U-234 (0,01%). Sadalīšanās reakcijai kodolreaktorā ir nepieciešams lielāks U-235 izotopa saturs. Urāna bagātināšanu veic ar divām galvenajām izotopu atdalīšanas metodēm: gāzu difūzijas metodi un gāzu centrifugēšanas metodi. (Urāna bagātināšanā iztērēto enerģiju mēra separācijas darba vienībās, SWU.)

Ar gāzu difūzijas metodi cietais urāna heksafluorīds UF 6, samazinot spiedienu, tiek pārvērsts gāzveida stāvoklī un pēc tam tiek sūknēts caur porainām caurulēm, kas izgatavotas no īpaša sakausējuma, caur kuru sienām gāze var difundēt. Tā kā U-235 atomiem ir mazāka masa nekā U-238 atomiem, tie izkliedējas vieglāk un ātrāk. Difūzijas procesā gāze tiek bagātināta ar U-235 izotopu, un caur caurulēm izvadītā gāze tiek izsmelta. Bagātinātā gāze atkal tiek izlaista caur caurulēm, un process turpinās, līdz U-235 izotopa saturs paraugā sasniedz kodolreaktora darbībai nepieciešamo līmeni (3–5%). (Ieroču kvalitātes urānam nepieciešama bagātināšana līdz līmenim, kas pārsniedz 90% U-235.) Tikai 0,2–0,3% no U-235 izotopa paliek bagātināšanas atkritumos. Gāzu difūzijas metodi raksturo augsta enerģijas intensitāte. Rūpnīcas, kuru pamatā ir šī metode, ir pieejamas tikai ASV, Francijā un Ķīnā.

Krievijā, Lielbritānijā, Vācijā, Nīderlandē un Japānā izmanto centrifugēšanas metodi, kurā UF 6 gāze tiek rotēta ļoti ātri. Atšķirību dēļ atomu masā un līdz ar to arī centrbēdzes spēkiem, kas iedarbojas uz atomiem, gāze, kas atrodas netālu no plūsmas rotācijas ass, tiek bagātināta ar gaismas izotopu U-235. Bagātinātā gāze tiek savākta un ekstrahēta.

Degvielas stieņu ražošana.

Bagātināts UF 6 ierodas rūpnīcā 2,5 tonnu tērauda konteineros. No tā hidrolīzes ceļā iegūst UO 2 F 2, ko pēc tam apstrādā ar amonija hidroksīdu. Izgulsnēto amonija diuranātu filtrē un apdedzina, lai iegūtu urāna dioksīdu UO 2 , ko presē un saķepina mazās keramikas granulās. Tabletes ievieto caurulēs, kas izgatavotas no cirkonija sakausējuma (Zircaloy) un iegūst degvielas stieņus, t.s. degvielas elementi (degvielas elementi), kas apvieno aptuveni 200 gabalus pilnos degvielas komplektos, kas ir gatavi lietošanai atomelektrostacijās.

Izlietotā kodoldegviela ir ļoti radioaktīva un prasa īpašus piesardzības pasākumus uzglabāšanas un apglabāšanas laikā. Principā to var pārstrādāt, atdalot skaldīšanas produktus no atlikušā urāna un plutonija, ko var atkārtoti izmantot kā kodoldegvielu. Taču šāda apstrāde ir dārga, un komerciālas iekārtas ir pieejamas tikai dažās valstīs, piemēram, Francijā un Apvienotajā Karalistē.

Ražošanas apjoms.

Līdz 80. gadu vidum, kad cerības uz strauju kodolenerģijas pieaugumu neizdevās, urāna ražošana strauji samazinājās. Daudzu jaunu reaktoru celtniecība tika apturēta, un esošajos uzņēmumos sāka uzkrāties urāna degvielas rezerves. Līdz ar Padomju Savienības sabrukumu urāna piegāde Rietumos vēl vairāk palielinājās.

KODEGDEGVIELAS BAGĀTINĀŠANA, urāna ļoti skaldāmā izotopa urāna 235 atdalīšana no dominējošā izotopa urāna 238. Urāna (VI) fluorīda gāzei tiek veikta difūzijas atdalīšana, kurā izmanto virkni starpsienu ar... ... Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

BAGĀTINĀŠANA- (1) spridzināšana, skābekļa ievadīšana atmosfēras gaisā tehnoloģiskā procesa intensifikācijai metālu kausēšanas laikā (sk.), (2) Derīgo izrakteņu apstrāde, dažādu metožu kopums melno, krāsaino un dārgmetālu rūdu apstrādei, akmeņogles, utt...... Lielā Politehniskā enciklopēdija

Urāna rūdas apstrāde ir procesu kopums minerālu urānu saturošu izejvielu primārajai apstrādei ar mērķi atdalīt urānu no citiem minerāliem, kas veido rūdu. Šajā gadījumā minerālvielu sastāvā nav izmaiņu, bet tikai to... ... Kodolenerģijas termini

urāna rūdas bagātināšana- Procesu kopums minerālu urānu saturošu izejvielu pirmapstrādei ar mērķi atdalīt urānu no citiem minerāliem, kas veido rūdu. Šajā gadījumā minerālvielu sastāvā nav izmaiņu, bet tikai to mehāniskā atdalīšana no... ... Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

Radiometriskā rūdas bagātināšana ir rūdas apstrādes process, kura pamatā ir dažāda veida starojuma mijiedarbība ar vielu. Rūdu radiometriskās bagātināšanas tehnoloģijā izšķir divu veidu procesus: Radiometriskā šķirošana ... ... Wikipedia

- (angļu magnētiskā separācija, minerālu magnētiskā koncentrācija; vācu magnetische Aufbereitung f der Bodenschätze) minerālu bagātināšana, kuras pamatā ir nevienmērīga magnētiskā lauka iedarbība uz minerālu daļiņām ar ... ... Wikipedia

- (a. ķīmiskā attīrīšana; n. chemische Aufbereitung; f. koncentrācija par voie chimique, enrichissement chimique; i. tratamiento quimico, preparacion quimica, elaboracion quimica) rūdu primārās apstrādes tehnoloģija, kolektīvā un... ... Ģeoloģiskā enciklopēdija

Urāns ir galvenais kodolenerģijas enerģijas avots, kas saražo aptuveni 20% no pasaules elektroenerģijas. Urāna rūpniecība aptver visus urāna ražošanas posmus, tostarp izpēti, izstrādi un rūdas ieguvi. Pārstrāde...... Koljēra enciklopēdija

Gandrīz gatavs darbam... Vikipēdija

Kodolreaktora degvielas elements Kodoldegviela ir viela, ko izmanto kodolreaktoros, lai veiktu kodola skaldīšanas ķēdes reakciju. Saturs 1 Vispārīga informācija 2 Klasifikācija ... Wikipedia

Grāmatas

• Isfahānas "Roze", Mišels Gevens, 2000. gadi. Irāna. Isfahānas pilsētas rajonā notiek zemestrīce ar lieliem postījumiem un upuriem. Saprotot, ka paši netiek galā, Irānas varas iestādes ir spiestas vērsties pie... Kategorija:

No redaktora: Ziņu reportāžas par Irānas kodolaktivitātēm kārtējo reizi pierāda urāna bagātināšanas tēmas aktualitāti. Šī žurnāla SDA izdevuma mērķis ir atbalstīt pamatotas debates ar informāciju un analīzi par urāna bagātināšanas statusu un procesu.

Rakstā aprakstīts urāna bagātināšanas process un tehnoloģijas, kā arī sniegts īss vēsturiskais fons. IN Īsumā sniegta informācija par urāna bagātināšanas rūpnīcu darbības stāvokli dažādās pasaules valstīs. Atbildot varat pārbaudīt savas zināšanas urāna bagātināšanas jomā .

Raksta, tabulas un pārbaudes pamatā ir ziņojums , ko 2004. gada oktobrī publicēja IEER Kodolpolitikas pētniecības institūtam. Saites ir sniegtas pārskatā.

Zināšanas un iespējas urāna bagātināšanas jomā ir kļuvušas diezgan plaši izplatītas gan kodolenerģētikā, gan kodolieroču radīšanā. Daudzējādā ziņā šis process jau ir ārpus kontroles. Un tas rada īpašas bažas, ņemot vērā topošos priekšlikumus, kas turpmākajās desmitgadēs varētu stimulēt plašāku kodolenerģijas izmantošanu visā pasaulē.

Piemēram, lai darbinātu tūkstoš 1000 MW kodolspēkstaciju (parasts piemērs daudzās kodolenerģijas attīstības programmās), būtu nepieciešama globāla urāna bagātināšanas jauda, ​​kas ir aptuveni 9–10 reizes lielāka nekā pašlaik Amerikas Savienotajās Valstīs. Ja kaut viens procents no šīs jaudas tiktu izmantots augsti bagātinātā urāna (HEU) ražošanai, tad gadā tiktu saražoti tādi HEU apjomi, kas ļautu izveidot no 175 līdz 310 kodolieročiem. Ņemot vērā paplašināto tirdzniecību ar specializētiem materiāliem, kas nepieciešami gāzes ģenerēšanas centrifūgu un citu bagātināšanas iekārtu celtniecībai un darbībai, kas varētu palielināt kodolenerģijas ražošanu, šķietami “miermīlīgo” tehnoloģiju tirdzniecības un izplatīšanas likumības noteikšana kļūs vēl grūtāka.

Ir svarīgi pievērst uzmanību valstīm, piemēram, Irānai, kuras pašlaik gūst panākumus savos centienos veidot atbalstu kodolieroču programmai. Tomēr vienlīdz svarīgi ir atcerēties, cik plaši izplatīta ir urāna bagātināšanas tehnoloģija un cik lielā mērā draudi varētu palielināties, ja šīs tehnoloģijas tiks atļauts izmantot jebkur pasaulē, cenšoties paplašināt kodolenerģijas izmantošanu. Citiem vārdiem sakot, mēs darām labi, ja neignorējam valstis, kurām ir progresīvas kodolieroču un atomenerģijas programmas, bet ņemam vērā to iespaidīgo izplatīšanas potenciālu un mazāk iespaidīgos rezultātus šajā jomā 1 . Visām piecām kodollielvalstīm, kas ir Kodolieroču neizplatīšanas līguma (NPT) dalībnieces – ASV, Krievijai, Apvienotajai Karalistei, Francijai un Ķīnai – ir urāna bagātināšanas rūpnīcas, kuras savulaik izmantoja ieroču kvalitātes HEU ražošanai. Visās piecās valstīs ir arī pilna mēroga bagātināšanas iekārtas, kas ir iesaistītas zemu bagātināta urāna (LEU) ražošanā, ko izmanto kā degvielu rūpnieciskiem kodolreaktoriem.

Bez piecām zināmajām kodolieroču valstīm tikai trīs citās valstīs ir urāna bagātināšanas iekārtas, kuras ir izmantotas, lai ražotu lielu daudzumu degvielas rūpnieciskiem kodolreaktoriem. Tomēr ir vairākas citas valstis, kas ir iesaistījušās bagātināšanas tehnoloģijās, un dažas no tām ir novērotas vai tiek turētas aizdomās par bagātināšanas potenciāla izmantošanu militāriem mērķiem. Īsumā izklāstīta šodien pieejamā informācija par urāna bagātināšanas rūpnīcu darbības stāvokli dažādās pasaules valstīs.

Pakistānā, vienā no tām valstīm, kas radīja kodolieročus, nebūdami KNL puses, ir rūpnīcas, kurās tās bagātināja HEU militāriem nolūkiem. Kā zināms, Dienvidāfrika arī ražoja kodolieročus, izmantojot bagātināto urānu, kas iegūts no pašas ražotnes. No otras puses, Indija un Izraēla radīja atombumbas no plutonija-239 (kas tiek ražots kodolreaktoros, kad nedalāms urāns-238 absorbē zemas enerģijas neitronu). Ziemeļkoreja, kas 2003. gada janvārī izstājās no KNL, nepaziņojot par to prasītos trīs mēnešus iepriekš, rada nopietnas aizdomas, ka tā ir ražojusi nelielu daudzumu kodolieroču, izmantojot plutoniju. Atklāts paliek arī jautājums par iespējamo urāna bagātināšanas programmas turpināšanu Ziemeļkorejā.

Urāns

Tikai viens dabā sastopams elements ir izejviela atombumbu izgatavošanai. Tas ir urāns, ķīmiskā zīme "U" 2. Urāna atšķirīgā īpašība, kas nepieciešama kodolieroču un atomenerģijas ražošanai, ir tā spēja skaldīties vai sadalīties divās vieglākās frakcijās, apstarojot ar neitroniem, un šajā procesā atbrīvot enerģiju.

Dabiskais urāns (tas ir, tas, kas tiek iegūts no zemes dzīlēm) rodas kā trīs dažādu izotopu kombinācija, tas ir, atomi ar trim dažādām atomu masām, kam būtībā ir tāda pati ķīmiskā, bet atšķirīgas kodolīpašības. Šie izotopi ir urāns-234, urāns-235 un urāns-238. Urāns-234 ir ļoti radioaktīvs mikroelements, kas atrodams dabiskajā urānā. Urāns-235 ir vienīgā skaldāmā viela, kas dabā atrodama ievērojamā daudzumā. Urāns-238 - šis izotops dominē dabiskajā urānā (99,284% no dabiskā urāna parauga masas ir urāns-238), taču to nevar skaldīt. Tomēr urānu-238 var atdalīt ar augstas enerģijas neitroniem, izdalot lielu enerģijas daudzumu, un tāpēc to bieži izmanto, lai palielinātu kodoltermisko vai ūdeņraža bumbu sprādzienbīstamību.

Dažas no šo trīs dabiskajā urānā atrodamo izotopu īpašībām ir apkopotas 1. tabulā. Tā kā urāns-234 veido ļoti nelielu daļu no kopējās dabiskā urāna masas un netiek izmantots nevienā nopietnā programmā, šajā rakstā mēs pakavēsimies. sīkāk tikai par pārējiem diviem izotopiem - urānu-235 un urānu-238.

1. tabula. Urāna izotopu kopsavilkums

Pateicoties nelielam U-235 daudzumam, dabiskais urāns noteiktos apstākļos var veicināt ķēdes reakciju, un tādējādi tas ir degviela noteikta veida reaktoriem (grafīta kodolreaktoriem un smagā ūdens kodolreaktoriem 3 — pēdējos Kanāda pārdod rūpnieciskā aprīkojumā). mērogs). Mūsdienās visizplatītākā tipa reaktorā (vieglā ūdens kodolreaktorā), kurā parastais ūdens kalpo kā dzesēšanas un regulēšanas līdzeklis, lai uzturētu reakciju, U-235 daļai kurināmā ir jāpārsniedz 0,7% - tā satura līmenis dabiskais urāns.

Ražošanas procesu kopumu, ko veic, lai palielinātu U-235 procentuālo daudzumu noteiktā urāna daudzumā, sauc par "urāna bagātināšanu". Šeit termins "bagātināšana" nozīmē skaldāmā izotopa U-235 procentuālās daļas palielināšanu. Vieglūdens kodolreaktoros parasti tiek izmantots 3–5 procenti bagātināta urāna, kas nozīmē, ka degviela satur 3–5 procentus U-235, bet pārējais faktiski ir U-238. Vielu ar šādu U-235 līmeni sauc par "zemu bagātinātu urānu" vai LEU.

Atombumbas nevar izveidot no dabīgā vai mazbagātināta urāna. U-235 īpatsvars ir pārāk mazs, lai pietiekami īsā laikā izraisītu pieaugošu "superkritisku" ķēdes reakciju, lai izraisītu sprādzienu. Lai izveidotu atombumbu, U-235 saturam urānā jābūt vismaz aptuveni 20%. Tomēr bumba, kas izgatavota no urāna, kas bagātināta līdz tik minimālai pakāpei, būtu pārāk apjomīga, lai to piegādātu, jo, lai to saspiestu superkritiskā masā, būtu nepieciešams milzīgs daudzums urāna un vēl vairāk parasto sprāgstvielu.

Praksē urāns, kas satur vismaz 90% U-235, jau ir izmantots kodolieroču radīšanai. Vielu ar šādu bagātināšanas līmeni sauc par augsti bagātinātu urānu jeb HEU. Atombumba, kas 1945. gada 6. augustā iznīcināja Hirosimu, tika izveidota no aptuveni 60 kilogramiem HEU. Augsti bagātināts urāns tiek izmantots arī pētniecībā un jūras spēku kodolreaktoros - uz gaisa kuģu bāzes kuģiem un zemūdenēm. HEU, kas paredzēts kodolpētniecības reaktoriem, var īpaši interesēt tos, kuri vēlas veikt kodolieroču sabotāžu, jo tas parasti ir mazāk drošs un bieži atrodas pilsētās vai universitāšu teritorijā. Atšķirībā no apstarotās kodolreaktoru degvielas, neapstarotā HEU nerada radioaktīvu apdraudējumu.

To pašu procesu un ražošanu var izmantot, lai bagātinātu urānu degvielai rūpnieciskos vieglā ūdens reaktoros, tas ir, lai izveidotu LEU, kā arī iegūtu HEU atombumbām. Tādējādi visas urāna bagātināšanas tehnoloģijas ir potenciāli kodolieroču izplatīšanas avoti. Turklāt dažas citas urāna bagātināšanas metodes ir daudz grūtāk atklāt, un tas rada papildu bažas par iespējamu nelegālu programmu esamību.

Urāna bagātināšana

Tā kā visiem urāna izotopiem ir praktiski vienādas ķīmiskās īpašības, urāna-235 īpatsvara pieaugums paraugā ir atkarīgs no izotopu atomu masas starpības (kam piešķirti šādi numuri: 234, 235 un 238). U-238 ir nedaudz vairāk par vienu procentu smagāks par U-235. Ja urānu pārvērš gāzē, tad molekulas, kas satur vieglāku U-235, vidēji pārvietosies ar lielāku ātrumu (noteiktā temperatūrā), salīdzinot ar smagākām molekulām, kas satur U-238.

Tipiskā bagātināšanas procesā dabiskā urāna gāzes plūsma, kas satur U-235 un U-238, tiek sadalīta divās plūsmās divu izotopu masas nelielās atšķirības dēļ. Viena plūsma kļūst bagātāka ar urānu-235 ("bagātinātā" urāna plūsma), bet otra kļūst nabadzīgāka ar šo izotopu ("noplicinātā" urāna plūsma, kur termins "noplicināts" nozīmē mazāku U-235 procentuālo daudzumu salīdzinājumā ar dabisko urāns). Sīkāka informācija par bagātināšanas procesiem ir sniegta zemāk, sadaļā “Bagātināšanas tehnoloģijas” 4.

Urāna bagātināšanas rūpnīcas jauda palielināt U-235 procentuālo daudzumu ir izteikta vienībās, ko sauc par separatīvā darba vienību kilogramiem (SWU, angļu valodā izrunā "swuz"). Ražošanas līmeņa uzņēmumos rūpnīcu jaudas parasti svārstās no vairākiem simtiem līdz vairākiem tūkstošiem metrisko tonnu SWU (MTEPP) gadā. (1 MTERP = 1000 SWU.) Atdalīšanas darba vienība ir sarežģīta vienība, kas ir atkarīga gan no U-235 proporcijas, kas vēlama bagātinātajā plūsmā, gan no tā, cik daudz U-235 no izejmateriāla paliek noplicinātajā plūsmā. izotops. SWU var uzskatīt par piepūles apjomu, kas nepieciešams, lai sasniegtu noteiktu bagātināšanas līmeni. Jo mazāk U-235 no izejvielām jāsaglabā noplicinātajā urānā, jo vairāk SWU nepieciešams, lai sasniegtu vēlamo bagātināšanas pakāpi 5 .

SWU daudzums, ko nodrošina bagātināšanas iekārta, ir tieši atkarīgs no šīs iekārtas patērētās enerģijas daudzuma. Divas mūsdienās visizplatītākās bagātināšanas tehnoloģijas, kas sīkāk aprakstītas tālāk, būtiski atšķiras pēc to enerģijas patēriņa. Mūsdienu gāzu difūzijas iekārtām parasti ir nepieciešami 2400 līdz 2500 kilovatstundu (kWh) elektroenerģijas uz vienu SWU, savukārt gazifikatoru centrifūgu iekārtām uz vienu SWU ir nepieciešams tikai 50 līdz 60 kWh elektroenerģijas.

Lai darbinātu tipisku 1000 megavatu vieglā ūdens kodolreaktoru, kurā kā degvielu izmanto bagātinātu urānu, būtu nepieciešami aptuveni 100 000 līdz 120 000 SWU urāna bagātināšanas pakalpojumi gadā. Ja šādu bagātināšanu nodrošinātu gāzu difūzijas iekārta (tāda, kas pašlaik darbojas Padukā, Kentuki štatā, ASV), tad bagātināšanas procesā tiktu patērēti aptuveni 3–4 % no šī reaktora saražotās elektroenerģijas apjoma 6 . Savukārt, ja urāna degvielas bagātināšanu veiktu gāzes ģeneratoru centrifūgās (kas mūsdienās darbojas daudzviet pasaulē), tad bagātināšanas procesā tiktu patērēts mazāk nekā 0,1% no atomelektrostacijas saražotās elektroenerģijas gadā.

Papildus SWU kilogramam ir vēl viens svarīgs parametrs, kuru vērts apsvērt. Tā ir dabiskā urāna masa, kas nepieciešama, lai iegūtu vēlamo bagātinātā urāna masu. Tāpat kā SWU daudzuma gadījumā, nepieciešamais izejmateriāla daudzums būs atkarīgs arī no vēlamās bagātināšanas pakāpes, kā arī no U-235 daudzuma, kas paliek noplicinātajā urānā. Nepieciešamais dabiskā urāna daudzums samazināsies, samazinoties U-235 īpatsvaram, kas jāsaglabā noplicinātajā urānā.

Piemēram, bagātinot LEU vieglā ūdens kodolreaktoram, bagātinātā plūsma parasti satur 3,6 procentus U-235 (salīdzinājumā ar 0,7 procentiem dabiskajā urānā), bet liesā plūsma satur 0,2 līdz 0,3 procentus U-235. Lai saražotu vienu kilogramu šāda LEU, būs nepieciešami aptuveni 8 kilogrami dabiskā urāna un 4,5 SWU, ja pieļaujamā U-235 daļa noplicinātā urāna plūsmā ir 0,3%. Savukārt, ja noplicināšanas plūsmā paliktu tikai 0,2% U-235, tad būtu nepieciešami tikai 6,7 kilogrami dabiskā urāna, bet bagātināšanai aptuveni 5,7 SWU.

Lai iegūtu vienu kilogramu augsti bagātināta urāna (tas ir, urāna, kas satur 90% U-235), būs nepieciešami vairāk nekā 193 SWU un gandrīz 219 kilogrami dabiskā urāna ar nosacījumu, ka noplicinātajā urānā paliek 0,3% U-235. Ja pieļaujamais U-235 īpatsvars noplicinātajā urānā ir 0,2%, būs nepieciešami gandrīz 228 SWU un vairāk nekā 176 kilogrami dabiskā urāna.

2. tabulā sniegts kopsavilkums par izmaksām (dabiskā urāna un bagātināšanas pakalpojumiem), kas nepieciešamas, lai ražotu vienu kilogramu LEU un vienu kilogramu HEU ar 0,2% un 0,3% U-235 noplicinātā urāna plūsmā.

2. tabula. Viena kilograma mazbagātināta urāna iegūšanas izmaksas
un viens kilograms augsti bagātināta urāna

LEU = urāns, kas satur 3,6% U-235, parasti izmanto vieglā ūdens reaktorā.
HEU = urāns, kas satur 90% U-235, ko parasti izmanto kodolieroču ražošanai.
SWU = Separation Work Unit
kg = kilograms

Ņemot vērā, ka nepieciešamais dabiskā urāna un SWU apjoms bagātināšanas procesā mainās pretējā virzienā noteiktai bagātināšanas pakāpei, dabiskais urāns ir lēts, bet bagātināšanas pakalpojumi ir dārgi, bagātināšanas rūpnīcu īpašnieki piekritīs “atbrīvot” lielāku daļu U-235 noplicinātajā plūsmā (tas ir, viņiem būs izdevīgāk izmantot vairāk dabiskā urāna un mazāk SWU). Savukārt, ja dabiskais urāns ir dārgāks par bagātināšanas pakalpojumiem, tad rūpnīcu īpašnieki izvēlēsies pretējo variantu.

Lai bagātinātu urānu atombumbai, kas līdzvērtīga tai atombumbai, ko ASV nometa uz Hirosimu (tas ir aptuveni 60 kg HEU), būtu nepieciešamas 10,6 līdz 13,1 metriskās tonnas dabiskā urāna, kā arī 11 600 līdz 13 700 SWU bagātināšanai. Tomēr, lai izveidotu sarežģītākus kodolieroču veidus, būtu nepieciešams daudz mazāk nekā puse no šī daudzuma. Mūsdienu urāna bumbu veidiem parasti nepieciešami tikai 20-25 kilogrami HEU.

Ja dabiskā urāna vietā kā izejvielu HEU ražošanai izmantotu zemu bagātinātu urānu (satur 3,6% U-235), tad, lai ražotu vienu kilogramu augstas kvalitātes urāna, būtu nepieciešami tikai 70–78 SWU un 26–27 kilogrami izejvielu. bagātināts urāns. Tas nozīmē, ka, lai ražotu HEU, kas līdzvērtīga Hirosimas bumbai, būtu jābagātina tikai 1,6 tonnas LEU, kas ir mazāk nekā viena desmitā daļa no kopējā LEU daudzuma, kas nepieciešams, lai katru gadu darbinātu vienu 1000 MW kodolreaktoru. Tādējādi aptuveni divas trešdaļas no kopējiem urāna bagātināšanas pakalpojumiem, kas nepieciešami ieroču kvalitātes HEU ražošanai, ir iesaistīti urāna bagātināšanā no dabiskā urāna (0,7% U-235) līdz LEU (3,6% U-235). Tomēr tikai aptuveni viena trešdaļa no kopējā pakalpojumu apjoma ir iesaistīta LEU bagātināšanā ar tā galīgo pārstrādi HEU (90% U-235), kā parādīts diagrammā.

Tādējādi mazbagātināta urāna krājumi, ja tie tiek uzturēti bagātināšanai piemērotā stāvoklī (tas ir, piemēram, urāna heksafluorīds), var kļūt par izejmateriālu vienkāršākai un ātrākai ļoti bagātināta urāna ražošanai, ko izmanto kodolieroču radīšanai. Šis ir viens no visbīstamākajiem bagātināšanas tehnoloģiju plašās izplatības aspektiem, kas ir daļa no kodolenerģijas izplatīšanas.

Bagātināšanas pakalpojumi, kas nepieciešami, lai no dabiskā urāna ražotu augsti bagātinātu urānu

Bagātināšanas tehnoloģijas

Plaši izmantotas četras urāna bagātināšanas tehnoloģijas. Trīs no tiem — gāzes difūzija, gāzu centrifugēšana un sprauslas/aerodinamiskā atdalīšana — ir balstīti uz urāna pārvēršanu par urāna heksafluorīda (UF 6) gāzi. Ceturtā metode, elektromagnētiskā atdalīšana, ir balstīta uz jonizētas urāna gāzes izmantošanu, kas iegūta no cietā urāna tetrahlorīda (UCL 4).

Gāzes difūzija

Gāzveida difūzijas process tika izmantots, lai bagātinātu gandrīz visu zemu un augstu bagātināto urānu, kas tika ražots Amerikas Savienotajās Valstīs. Šī metode pirmo reizi tika izstrādāta 1940. gados Manhetenas projekta ietvaros un daļēji tika izmantota, lai bagātinātu urānu Hirosimas bumbai. Visas piecas zināmās kodolvalstis, kas ir Līguma par kodolieroču neizplatīšanu (NPT) dalībvalstis, savulaik ir nodevušas ekspluatācijā gāzu difūzijas iekārtas, taču līdz šim šādas iekārtas turpina darboties tikai ASV un Francijā. Difūzijas procesā ir nepieciešams sūknēt urānu, kas ir gāzveida stāvoklī, caur lielu skaitu porainu barjeru. Tas ir ļoti energoietilpīgs process.

Lai pārvērstu urānu gāzveida stāvoklī, kurā tas var piedalīties gāzveida difūzijas procesā, dabisko urānu pārvērš urāna heksafluorīdā (UF 6). Urāna heksafluorīda molekulas, kas satur U-235 atomus, kas ir nedaudz vieglākas, pārvietosies cauri katrai barjerai ar nedaudz augstāku atdalīšanas pakāpi nekā tās, kas satur U-238 atomus. Lai vizualizētu šo procesu, mēs varam minēt smilšu pūšanas piemēru caur daudziem sietiem. Mazākie smilšu graudi labāk iziet cauri katram sietam, un tādējādi pēc katra sijāšanas posma tie veidos nedaudz lielāku procentuālo daļu no kopējā smilšu graudu tilpuma, salīdzinot ar procentuālo daļu, kāds tie bija iepriekšējā sijāšanas posmā. Diagramma vienam no šiem skrīninga posmiem gāzes difūzijas iekārtā ir parādīta 1. attēlā.

UF 6 molekulu, kas satur U-235 un U-238, masas un līdz ar to arī ātruma atšķirības ir nelielas. Tādējādi, lai bagātinātu lielu rūpniecisko vai militāro urāna daudzumu, ir nepieciešami tūkstošiem bagātināšanas posmu. Gāzveida difūzijas iekārtā posmi ir būvēti “kaskādēs”, kas ļauj katrā posmā palielināt iepriekšējos posmos iegūto bagātināšanu, kā arī efektīvāk izmantot noplicinātā urāna plūsmu. Lai saprastu šādas ražošanas apmērus, jums jāzina, ka gāzu difūzijas rūpnīcas būvniecības laikā, kas celta 40. gadu sākumā Oak Ridžā, Tenesī štatā, ASV, tā bija lielākā industriālā iekārta pasaulē.

Sarežģītākais uzdevums, būvējot gāzu difūzijas iekārtu, ir caurlaidīgu barjeru izgatavošana, kas nepieciešamas difuzoru darbībai. Šādu barjeru materiālam jābūt ļoti izturīgam un jāspēj saglabāt tādu pašu poru diametru vairākus iekārtas darbības gadus. Tas ir ļoti sarežģīts uzdevums, izmantojot urāna heksafluorīda gāzi, kas ir ļoti kodīga. Tipiski barjeras ir tikai 5 milimetrus (mazāk nekā 0,2 collas) biezas, un to atveres ir tikai 30 līdz 300 reizes lielākas par viena urāna atoma diametru.

Papildus tam, ka iekārtas darbībai ir nepieciešams liels elektroenerģijas daudzums, gāzu difūzijas iekārtās esošie kompresori rada arī daudz siltuma, kas ir jāizkliedē. Amerikāņu iekārtās siltuma pārnese notiek, izmantojot ozona slāni noārdošus hlorfluorogļūdeņražus (CFC), piemēram, CFC-114 dzesētāju (bieži sauktu par freonu vai freonu-114). CFC ražošanu, importu un izmantošanu 1987. gadā stingri ierobežoja Monreālas Protokols par vielām, kas noārda ozona slāni, ko Amerikas Savienotās Valstis ieviesa ar 1990. gada grozījumiem Gaisa piesārņojuma kontroles likumā (Tīra gaisa akts).

Šādu pasākumu rezultātā 1995. gadā ASV tika pārtraukta freona ražošana. No 1991. līdz 2002. gadam šīs vielas emisijas atmosfērā no lielajiem patērētājiem ASV samazinājās par gandrīz 60%. Tomēr emisijas no gāzu difūzijas rūpnīcas Padukā, Kentuki štatā, ASV, šajā periodā palika praktiski nemainīgas, no 1989. līdz 2002. gadam samazinoties tikai par 7%. 2002. gadā Paducah bagātināšanas rūpnīca caur noplūdušām caurulēm un citām iekārtām atmosfērā izlaida vairāk nekā 197,3 metriskās tonnas freona. Šī vienīgā iekārta vien radīja vairāk nekā 55% no visām lielākajām ASV ražošanas emisijām no šī ozona slāni noārdošā CFC 2002. gadā.

Tā kā freons Amerikas Savienotajās Valstīs nav ražots kopš 1995. gada, Amerikas Urāna bagātināšanas korporācija (USEC) 7 šobrīd meklē dzesēšanas šķidrumu, kas nesatur CFC. Bet jebkuram citam aukstumaģentam joprojām būs siltuma uztveršanas potenciāls, un tādējādi, pat ja tie nerada draudus ozona slānim, tie joprojām būs potenciāli bīstami globālās sasilšanas un klimata pārmaiņu ziņā.

Gāzu difūzijas iekārtu raksturīga iezīme - liela siltuma izlaide - ļauj identificēt tās, kuru darbība ievērojami pārsniedz 100 MTERP gadā. Tomēr šāda informācija, visticamāk, būs svarīga tikai, lai noteiktu darbības zināmās iekārtās, nevis nelikumīgās vietās, jo ir daudzi citi rūpnieciskie procesi, kas ražo lielu daudzumu siltuma. Tāpēc, lai gan urāna bagātināšanas iekārtas, piemēram, gāzu difūzijas iekārtas, ir gandrīz neiespējami paslēpt to lieluma, jaudas prasību un siltuma ražošanas dēļ, joprojām ir ārkārtīgi grūti identificēt jebkuru objektu no attāluma, ja nav pieejami apkārtējās vides paraugi (piemēram, augsnes paraugi), kas var skaidri norādīt uz bagātināta urāna klātbūtni.

Gāzes centrifugēšana

Pašlaik pasaulē galvenā urāna bagātināšanas metode ir gāzu centrifugēšana. Šī tehnoloģija tika apspriesta Amerikas Savienotajās Valstīs Manhetenas projekta ietvaros, bet tādas metodes kā gāzu difūzija un elektromagnētiskā atdalīšana tika tālāk izstrādātas pilna apjoma ražošanai. Vēlāk centrifugēšanas metodi Krievijā izstrādāja speciālistu grupa, kuru vadīja Austrijas un Vācijas zinātnieki, kuri tika sagūstīti Otrā pasaules kara laikā. Laika gaitā tika atbrīvots zinātniskās grupas vadītājs Krievijā. Vispirms viņš atveda šo tehnoloģiju uz ASV un pēc tam uz Eiropu, kur viņš sāka ieviest šo metodi rūpnieciskās kodoldegvielas bagātināšanai.

Centrifugēšana ir izplatīta metode, ko izmanto dažādiem mērķiem, piemēram, plazmas atdalīšanai no smagākajām sarkanajām asins šūnām. Centrifugēšanas cikls veļas mašīnā darbojas pēc līdzīga centrbēdzes principa. Bagātināšanas procesā urāna heksafluorīda gāzi ievada ātri rotējošos cilindros. Lai sasniegtu maksimālo bagātināšanas pakāpi katrā posmā, mūsdienu centrifūgas spēj griezties ar ātrumu, kas ir tuvu skaņas ātrumam. Šī iemesla dēļ ir ārkārtīgi grūti kontrolēt centrifugēšanas procesu, jo ar augstu rotācijas pakāpi centrifūgai ir jābūt izturīgai, gandrīz ideāli līdzsvarotai un gatavai darboties šādā formā daudzus gadus, neapstājoties apkopei. .

Rotējošās centrifūgas iekšpusē smagākas molekulas, kas satur U-238 atomus, galvenokārt virzās uz cilindra ārpusi, savukārt vieglākas molekulas, kas satur U-235, paliek tuvāk centrālajai asij. Gāze šajā cilindrā pēc tam sāk cirkulēt no apakšas uz augšu, virzot noplicināto urānu, kas atrodas tuvāk ārsienai, uz augšu, un ar U-235 bagātināto gāzi no centra uz leju. Abas plūsmas, vienu bagātu un otru liesu, pēc tam var izņemt no centrifūgas un ievadīt blakus esošajos posmos, lai izveidotu iepriekš aprakstīto kaskādi ar difuzoriem gāzu difūzijas iekārtās. Šādas centrifūgas diagramma ir parādīta 2. attēlā.

Līdzīgi kā gāzveida difūzijas procesā, urāna bagātināšanai ar gāzes centrifugēšanu ir nepieciešami tūkstošiem līdz desmitiem tūkstošu soļu, lai bagātinātu lielus urāna apjomus rūpnieciskiem vai militāriem nolūkiem. Turklāt, tāpat kā gāzveida difūzijas iekārtās, arī centrifūgu iekārtās jāizmanto īpaši materiāli, lai novērstu koroziju, ko izraisa urāna heksafluorīds, kas, reaģējot ar mitrumu, var veidot ļoti kodīgu fluorūdeņražskābes gāzi. Viena no svarīgākajām gāzes centrifugēšanas priekšrocībām salīdzinājumā ar gāzes difūzijas procesu ir tāda, ka, sasniedzot vienādu bagātināšanas pakāpi, šim procesam ir nepieciešams 40-50 reizes mazāk elektroenerģijas. Centrifūgu izmantošana palīdz arī samazināt izmantotā siltuma daudzumu, kas rodas, saspiežot UF 6 gāzi, un tādējādi samazina nepieciešamo aukstumaģentu, piemēram, freona, daudzumu.

Lai gan atdalīšanas jauda katrā posmā ir lielāka nekā gāzveida difūzijas procesam, parasti tam nepieciešams daudz mazāk urāna, ko var centrifugēt katrā posmā noteiktā laikā. Parastās modernās centrifūgas spēj sasniegt aptuveni 2 līdz 4 SWU gadā. Tāpēc būtu nepieciešams no 3000 līdz 7000 centrifūgām, lai bagātinātu pietiekami daudz ieroču kvalitātes HEU gadā, lai to izmantotu, lai izveidotu kodolieroci, kas līdzvērtīga Hirosimā nomestajam kodolieročam. Šāda ražošana var patērēt no 580 000 līdz 816 000 kWh elektroenerģijas, ko var nodrošināt iekārta, kuras jauda ir mazāka par 100 kilovatiem. Izveidojot modernus ieroču veidus, šos skaitļus var samazināt līdz 1000-3000 centrifūgām un 193 000-340 000 kWh.

Paredzams, ka mūsdienu centrifūgu modeļos bagātināšanas pakāpe katrā posmā būs desmit reizes lielāka nekā pašlaik darbojošās centrifūgas. Tas varētu vēl vairāk samazināt HEU ražošanas izmaksas. Vecāka Eiropas centrifūgas modeļa pārdošana tādām valstīm kā Lībija, Irāna un Ziemeļkoreja, izmantojot tīklu, kuru vada A.Q., sacīja avoti. Kāns, kurš iepriekš vadīja Pakistānas kodolieroču programmu, ir īpaši satraucošs no kodolieroču izplatīšanas perspektīvas, jo centrifūgas ir mazākas un bagātināšanas procesa laikā tām ir nepieciešama mazāka jauda.

Elektromagnētiskā metode urāna radioaktīvo izotopu atdalīšanai (EMIS)

Radioaktīvo izotopu atdalīšanas elektromagnētiskā metode ir trešais urāna bagātināšanas veids, kas ir plaši izmantots pagātnē. Elektromagnētiskās atdalīšanas iekārta tika izstrādāta Manhetenas projekta ietvaros Oak Ridžā, Tenesī. Šī metode tika izmantota, lai bagātinātu dabisko urānu un pēc tam bagātinātu urānu, kas sākotnēji tika apstrādāts gāzveida difūzijas rūpnīcā, kas arī atradās Oak Ridge rūpnīcā. Šīs instalācijas izmantošana tika apturēta tūlīt pēc kara tās augsto izmaksu un zemās produktivitātes dēļ.

Irāka radīja šo tehnoloģiju 1980. gados kā daļu no savas HEU programmas tās relatīvās vienkāršības dēļ. Tomēr tas ražoja tikai nelielus vidēji bagātināta urāna apjomus (tikai virs 20%).

Elektromagnētiskās atdalīšanas process balstās uz to, ka, pārvietojoties magnētiskajā laukā, uzlādēta daļiņa iet pa izliektu ceļu, kura rādiuss ir atkarīgs no daļiņas masas. Smagākas daļiņas cirkulēs vairāk nekā vieglākas, ja daļiņas ir vienādi uzlādētas un pārvietojas ar tādu pašu ātrumu.

Bagātināšanas procesā urāna tetrahlorīds tiek jonizēts urāna plazmā, tas ir, cietais savienojums UCL 4 tiek uzkarsēts, lai izveidotu gāzi, kas pēc tam tiek apstarota ar elektroniem, lai iegūtu brīvus urāna atomus, kas zaudējuši elektronus un kļuvuši pozitīvi uzlādēti. Pēc tam urāna jonus paātrina un izlaiž caur spēcīgu magnētisko lauku. Pabeidzot pusi cikla, jonizētā urāna atomu stars tiek sadalīts noplicinātajā daļā, kas atrodas tuvāk ārsienai, un U-235 bagātinātajā daļā, kas atrodas tuvāk iekšējai sienai.

Sakarā ar lielo enerģijas patēriņu, veidojot spēcīgu magnētisko lauku, kā arī zemo sākotnējās urāna vielas atlases ātrumu, papildus lēnākai un mazāk ērtai šādas iekārtas darbībai, elektromagnētiskās atdalīšanas metode nav perspektīva rūpnieciskiem. mēroga bagātināšanas rūpnīcās, jo īpaši ņemot vērā pašreizējo augsti attīstīto gāzes ģeneratoru centrifūgu modeļu dienu.

Sprausla / aerodinamiskā atdalīšana

Jaunākais urāna bagātināšanas process, kas kļuvis plaši izmantots, tiek saukts par aerodinamisko atdalīšanu. Šis process pirmo reizi tika izstrādāts Vācijā, un to izmantoja aparteīda laikmeta Dienvidāfrikas valdība rūpnīcā, kas it kā tika uzbūvēta, lai Dienvidāfrikas rūpnieciskajām atomelektrostacijām nodrošinātu zemu bagātinātu urānu, kā arī ražotu nelielu daudzumu augsti bagātināta urāna, lai kurnētu. kodolpētniecības reaktors. Faktiski šī bagātināšanas rūpnīca militārām vajadzībām piegādāja arī aptuveni 400 kilogramus urāna, kas bagātināts līdz vairāk nekā 80%. Deviņdesmito gadu sākumā Dienvidāfrikas prezidents Frederiks de Klerks paziņoja par visu militāro kodolenerģijas darbību pārtraukšanu un visu esošo bumbu iznīcināšanu. Šie uzdevumi tika pabeigti pusotru gadu vēlāk, tieši pēc tam, kad Dienvidāfrika kļuva par KNL dalībvalsti un pirms Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras pārbaužu un drošības pasākumu stāšanās spēkā.

Aerodinamiskā izotopu atdalīšana (kas ietver sprauslu un spirālveida vilni) nodrošina bagātināšanu līdzīgi kā gāzes centrifugēšana, jo gāze tiek spiesta pa izliektu ceļu, kas pārvieto smagākas molekulas, kas satur U-238 uz ārējo sienu, un vieglākās molekulas. kas satur U-235, paliek tuvāk iekšējam. Sprauslu iekārtās urāna heksafluorīda gāzi zem spiediena izspiež ar hēliju vai ūdeņraža gāzi, lai palielinātu gāzes plūsmas ātrumu. Pēc tam šo savienojumu izlaiž cauri vairākām mazām apaļām caurulēm, kas atdala iekšējo bagātīgo plūsmu no ārējās liesās plūsmas.

Sprauslas/aerodinamiskā atdalīšana ir viena no neekonomiskākajām no visām izmantotajām bagātināšanas tehnoloģijām, jo ​​īpaši ņemot vērā atdalīšanas sprauslu ražošanas tehniskās grūtības un lielo enerģijas patēriņu, saspiežot UF 6 un nesējgāzes maisījumu. Tāpat kā gāzu difūzijas iekārtās, arī aerodinamiskās separācijas iekārtas darbības laikā rodas arī lieli siltuma apjomi, kam savukārt nepieciešams liels skaits dzesētāju, piemēram, freonu.

Citas tehnoloģijas

Ir vairāki citi urāna bagātināšanas veidi. Tās ir AVLIS - tehnoloģija lāzera izotopu atdalīšanai atomu formā, MLIS - molekulārā metode lāzera izotopu atdalīšanai, CRISLA - ķīmiskā reakcija ar selektīvu izotopu lāzera aktivāciju, kā arī ķīmiskā un jonu bagātināšana, kas arī ir izstrādātas, bet galvenokārt joprojām ir testēšanas stadijā vai demonstrācijās un netika izmantoti urāna bagātināšanai rūpnieciskiem vai militāriem nolūkiem.

Tādos procesos kā AVLIS, CRISLA un MLIS tiek izmantotas nelielas U-235 un U-238 atomu īpašību atšķirības, lai, izmantojot lieljaudas lāzerus, labāk ierosinātu vai jonizētu vienu izotopu pār otru. AVLIS metode izmanto urāna metālu kā izejmateriālu un izmanto elektrostatiskos laukus, lai atdalītu pozitīvi lādētus U-235 jonus no neuzlādētiem U-238 atomiem. MLIS un CRISLA tehnoloģijās kā izejmateriāls tiek izmantots urāna heksafluorīds, kas apvienots ar citām procesa gāzēm, un tiek izmantoti divi dažādi lāzeri, lai ierosinātu un pēc tam ķīmiski mainītu urāna heksafluorīda molekulas, kas satur U-235, kuras pēc tam var atdalīt no citām U-238 saturošām molekulām. netika pakļauti lāzera iedarbībai. AVLIS tehnoloģiju rūpnieciskai lietošanai izstrādāja Amerikas Urāna bagātināšanas korporācija, taču 90. gadu beigās tā tika atmesta tās nerentabluma dēļ. Tajā pašā laikā arī citas valstis ir pārtraukušas izmantot visas zināmās ražošanas programmas ar AVLIS un MLIS tehnoloģijām. Tomēr ierosinātajās pētniecības vietās, kur šīs tehnoloģijas tiek izmantotas urāna, kā arī citu radionuklīdu, tostarp plutonija, izotopu atdalīšanai, joprojām notiek neliels darbs.

Ir arī bagātināšanas metode, kas izmanto nelielas izotopu ķīmisko īpašību atšķirības, lai atdalītu U-235 no U-238. Tie ir tā sauktie ķīmiskās un jonu bagātināšanas procesi, kas tika izstrādāti Francijas un Japānas valdības programmu ietvaros. Izmantojot īpašus šķīdumus, urānu var atdalīt bagātinātā daļā, kas atrodas vienā šķīdinātāja plūsmā, un noplicinātajā daļā, kas atrodas citā šķīdinātāja plūsmā, kas nesajaucas ar pirmo - tāpat kā eļļa un ūdens. Šī bagātināšanas tehnoloģija tika izmantota Irākā. Līdz šim visas zināmās programmas, kas ietver šo metodi, ir slēgtas vismaz kopš 90. gadu sākuma.

Visas šīs bagātināšanas tehnoloģijas nav tik plaši demonstrētas, lai gan dažas, piemēram, AVLIS, ir daudz tālāk savā attīstībā, kas varētu tās virzīt līdz pielietojuma līmenim ražošanas iekārtās. Šādu alternatīvu tehnoloģiju iespējamā izmantošana urāna bagātināšanā nelegālās programmās joprojām rada bažas, jo īpaši, ja rūpnīcas rentabilitāte nav problēma un tā ir paredzēta, lai ražotu tikai diezgan nelielu HEU daudzumu, kas nepieciešams vienai vai divām bumbām. gadā. Tomēr šodien galvenā tehnoloģija rūpnieciskai urāna bagātināšanai nākotnē kodolenerģijai un iespējamai kodolieroču izplatīšanai joprojām ir gāzes centrifugēšana.