Обогащенный уран - Enriched uranium

  (Перенаправлен с обогащения урана )

Доли урана-238 (синий) и урана-235 (красный), обнаруженных в естественных условиях, по сравнению с обогащенными сортами

Обогащенный уран - это тип урана, в котором процентный состав урана-235 ( обозначается как 235 U) был увеличен в процессе разделения изотопов . Встречающийся в природе уран состоит из трех основных изотопов: уран-238 ( 238 U с естественным содержанием 99,2739–99,2752% ), уран-235 ( 235 U, 0,7198–0,7202%) и уран-234 ( 234 U, 0,0050–0,0059%). ). 235 U - единственный существующий в природе нуклид (в любом заметном количестве), делящийся с тепловыми нейтронами .

Обогащенный уран является важным компонентом как для гражданской ядерной энергетики, так и для военного ядерного оружия . В Международном агентстве по атомной энергии попытки контролировать и управлять обогащенным уран поставки и процессы в его усилиях по обеспечению безопасности производства ядерной энергии и ограничению распространения ядерного оружия .

В мире насчитывается около 2000  тонн высокообогащенного урана, производимого в основном для ядерной энергетики , ядерного оружия, военно-морских силовых установок и в меньших количествах для исследовательских реакторов .

238 U , оставшийся после обогащения известен как обедненный уран (DU), и значительно меньше радиоактивный , чем даже природный уран, хотя все еще очень плотный и чрезвычайно опасный в гранулированной форме - такие гранулы представляют собой естественные побочным продуктом сдвигающего действия , что делает это полезно для брони - проникающее оружие . Несмотря на то, что обедненный уран является умеренно радиоактивным, он также является эффективным материалом для защиты от радиации .

Оценки

Уран, получаемый непосредственно с Земли, не подходит в качестве топлива для большинства ядерных реакторов и требует дополнительных процессов, чтобы его можно было использовать. Уран добывают либо под землей, либо в открытом карьере, в зависимости от глубины, на которой он находится. После того, как урановая руда добыта, она должна пройти процесс измельчения для извлечения урана из руды.

Это достигается за счет комбинации химических процессов, при которых конечным продуктом является концентрированный оксид урана, известный как « желтый кек », содержащий примерно 60% урана, тогда как руда обычно содержит менее 1% урана и всего 0,1% урана.

После завершения процесса измельчения уран должен пройти процесс преобразования «либо в диоксид урана , который может использоваться в качестве топлива для реакторов тех типов, которые не требуют обогащенного урана, либо в гексафторид урана , который может быть обогащается для производства топлива для большинства типов реакторов ». Встречающийся в природе уран состоит из смеси 235 U и 238 U. 235 U является делящимся , что означает, что он легко расщепляется нейтронами, в то время как остаток составляет 238 U, но в природе более 99% извлеченной руды составляет 238 U. Для большинства ядерных реакторов требуется обогащенный уран, который представляет собой уран с более высокими концентрациями 235 U в диапазоне от 3,5% до 4,5% (хотя некоторые конструкции реакторов, использующие графитовый или тяжеловодный замедлитель , такие как РБМК и CANDU , могут работать с природным ураном в качестве топлива). Существует два промышленных процесса обогащения: газовая диффузия и газовое центрифугирование . Оба процесса обогащения включают использование гексафторида урана и получение обогащенного оксида урана.

Бочка с желтым кеками (смесь осадков урана)

Переработанный уран (RepU)

Регенерированный уран ( Республики Кор) является продуктом ядерного топливного цикла , связанным с ядерной переработкой из отработанного топлива . RepU, извлеченный из отработавшего топлива легководных реакторов (LWR), обычно содержит немного больше 235 U, чем природный уран , и поэтому может использоваться для топлива реакторов, которые обычно используют природный уран в качестве топлива, таких как реакторы CANDU . Он также содержит нежелательный изотоп уран-236 , который подвергается нейтронному захвату , теряя нейтроны (и требуя более высокого обогащения 235 U) и создавая нептуний-237 , который был бы одним из наиболее мобильных и проблемных радионуклидов в глубоких геологических хранилищах ядерных отходов. .

Низкообогащенный уран (НОУ)

Низкообогащенный уран (НОУ) имеет концентрацию 235 U ниже 20% ; например, в коммерческих LWR, наиболее распространенных энергетических реакторах в мире, уран обогащен до 3–5% по 235 U. Высокопробный НОУ (HALEU) обогащен на 5–20%. Свежий НОУ, используемый в исследовательских реакторах , обычно обогащен 235 U от 12 до 19,75% , последняя концентрация используется для замены топлива ВОУ при преобразовании в НОУ.

Высокообогащенный уран (ВОУ)

Заготовки высокообогащенного урана металла

Высокообогащенный уран (ВОУ) имеет 20% или выше концентрацию 235 U. Делящийся уран в первичных ядерных боеприпасах обычно содержит 85% или более 235 U, известного как оружейный , хотя теоретически для конструкции имплозии минимум 20 % могло бы быть достаточным (называемым пригодным для использования в оружии), хотя для этого потребовались бы сотни килограммов материала и «было бы непрактично спроектировать»; гипотетически возможно даже более низкое обогащение, но по мере того, как процент обогащения уменьшается, критическая масса для немодерируемых быстрых нейтронов быстро увеличивается, например, требуется бесконечная масса 235 U в размере 5,4% . Для экспериментов по критичности было выполнено обогащение урана до более 97%.

Самая первая урановая бомба Little Boy , сброшенная Соединенными Штатами на Хиросиму в 1945 году, использовала 64 килограмма урана с 80-процентным обогащением. Обертывание делящегося ядра оружия нейтронным отражателем (который является стандартным для всех ядерных взрывчатых веществ) может значительно снизить критическую массу. Поскольку активная зона была окружена хорошим отражателем нейтронов, при взрыве она составляла почти 2,5 критических массы. Отражатели нейтронов, сжимающие делящееся ядро ​​за счет имплозии, ускорения термоядерного синтеза и "набивки", которые замедляют расширение делящегося ядра по инерции, позволяют создавать ядерное оружие, которое использует меньшую критическую массу, чем критическая масса одной голой сферы при нормальной плотности. Присутствие слишком большого количества изотопа 238 U подавляет неуправляемую цепную ядерную реакцию, которая отвечает за мощность оружия. Критическая масса 85% -ного высокообогащенного урана составляет около 50 килограммов (110 фунтов), что при нормальной плотности было бы сферой диаметром около 17 сантиметров (6,7 дюйма).

В более позднем ядерном оружии США обычно используется плутоний-239 на начальной стадии, но во второй ступени с оболочкой или тампером, которая сжимается при первичном ядерном взрыве, часто используется ВОУ с обогащением от 40% до 80% вместе с дейтеридом лития для термоядерного топлива . Для вторичной обмотки большого ядерного оружия более высокая критическая масса менее обогащенного урана может быть преимуществом, поскольку она позволяет активной зоне во время взрыва содержать большее количество топлива. 238 U не называется делящимся , но до сих пор является расщепляющимся с помощью быстрых нейтронов (> 2 МОВ) , такие как те , производимых во время сварки DT.

ВОУ также используется в реакторах на быстрых нейтронах , для активной зоны которых требуется около 20% или более делящегося материала, а также в военно-морских реакторах , где он часто содержит не менее 50% 235 U, но обычно не превышает 90%. В прототипе промышленного быстрого реактора Ферми-1 использовался ВОУ с 26,5% 235 U. Значительные количества ВОУ используются в производстве медицинских изотопов , например молибдена-99 для генераторов технеция-99m .

Методы обогащения

Разделение изотопов затруднено, потому что два изотопа одного и того же элемента имеют почти идентичные химические свойства и могут быть разделены только постепенно, используя небольшие различия масс. ( 235 U всего на 1,26% легче, чем 238 U). Эта проблема усугубляется тем, что уран редко разделяют в атомарной форме, а вместо этого выделяют в виде соединения ( 235 UF 6 всего на 0,852% легче, чем 238 UF 6 ). Каскад из одинаковых стадий последовательно производит более высокие концентрации 235 U. Каждая стадия проходит несколько более концентрированный продукт на следующую стадию и возвращает немного менее концентрированный остаток на предыдущую стадию.

В настоящее время на международном уровне используются два общих коммерческих метода обогащения: газовая диффузия (называемая первым поколением) и газовая центрифуга ( второе поколение), которые потребляют от 2% до 2,5% энергии от того же количества энергии, что и газовая диффузия (по крайней мере, «коэффициент На 20 дюймов эффективнее). Некоторые работы проводятся с использованием ядерного резонанса ; однако нет никаких надежных доказательств того, что какие-либо процессы ядерного резонанса были масштабированы до производства.

Методы диффузии

Газовая диффузия

В газовой диффузии используются полупроницаемые мембраны для разделения обогащенного урана.

Газовая диффузия - это технология, используемая для производства обогащенного урана путем пропускания газообразного гексафторида урана ( гекс ) через полупроницаемые мембраны . Это приводит к небольшому разделению между молекулами, содержащими 235 U и 238 U. На протяжении холодной войны газовая диффузия играла важную роль в качестве метода обогащения урана, и по состоянию на 2008 г. на ее долю приходилось около 33% производства обогащенного урана, но в 2011 г. считается устаревшей технологией, которую неуклонно заменяют более поздние поколения технологий по мере того, как диффузионные установки достигают конца своего жизненного цикла. В 2013 году прекратил работу завод в Падуке в США, который стал последним коммерческим газодиффузионным заводом 235 U в мире.

Термодиффузия

Термическая диффузия использует передачу тепла через тонкую жидкость или газ для разделения изотопов. В этом процессе используется тот факт, что более легкие молекулы газа 235 U будут диффундировать к горячей поверхности, а более тяжелые молекулы газа 238 U будут диффундировать к холодной поверхности. Завод S-50 в Ок-Ридже, штат Теннесси, использовался во время Второй мировой войны для подготовки исходного материала для процесса EMIS . От него отказались в пользу газовой диффузии.

Методы центрифугирования

Газовая центрифуга

Каскад газовых центрифуг на обогатительной фабрике в США

В процессе газовой центрифуги используется большое количество вращающихся цилиндров, расположенных последовательно и параллельно. Вращение каждого цилиндра создает сильную центростремительную силу, так что более тяжелые молекулы газа, содержащие 238 U, движутся по касательной к внешней стороне цилиндра, а более легкие молекулы газа, богатые 235 U, собираются ближе к центру. Для достижения такого же разделения требуется гораздо меньше энергии, чем для более старого процесса газовой диффузии, который он в значительной степени заменил, и поэтому он является предпочтительным методом в настоящее время и называется вторым поколением . Он имеет коэффициент разделения на ступень 1,3 по сравнению с газовой диффузией 1,005, что соответствует примерно одной пятидесятой потребности в энергии. Методы газовой центрифуги производят почти 100% обогащенного урана в мире.

Центрифуга Zippe

Принципиальная схема газовой центрифуги типа Zippe, где U-238 представлен темно-синим цветом, а U-235 - светло-синим.

Центрифугу Циппы является усовершенствованием стандартной газовой центрифуги, основное различие является использованием тепла. Дно вращающегося цилиндра нагревается, создавая конвекционные потоки, которые перемещают 235 U вверх по цилиндру, где его можно собирать лопатками. Эта усовершенствованная конструкция центрифуги используется компанией Urenco в коммерческих целях для производства ядерного топлива, а также Пакистаном в своей программе создания ядерного оружия.

Лазерная техника

Лазерные процессы обещают более низкие энергозатраты, более низкие капитальные затраты и более низкие анализы хвостов, следовательно, значительные экономические преимущества. Несколько лазерных процессов были исследованы или находятся в стадии разработки. Разделение изотопов с помощью лазерного возбуждения ( SILEX ) хорошо разработано и лицензировано для коммерческой эксплуатации с 2012 года.

Лазерное разделение изотопов атомарного пара (АВЛИС)

При лазерном разделении изотопов атомарного пара используются специально настроенные лазеры для разделения изотопов урана с использованием селективной ионизации сверхтонких переходов . В этом методе используются лазеры, настроенные на частоты, которые ионизируютатомы 235 U, и никакие другие. Положительно заряженныеионы 235 U затем притягиваются к отрицательно заряженной пластине и собираются.

Молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS)

Для молекулярного лазерного разделения изотопов используется инфракрасный лазер, направленный на UF 6 , который возбуждает молекулы, содержащиеатом 235 U. Второй лазер освобождаетатом фтора , оставляя пентафторид урана , который затем осаждается из газа.

Разделение изотопов лазерным возбуждением (SILEX)

Разделение изотопов с помощью лазерного возбуждения - австралийская разработка, в которой также используется UF 6 . После длительного процесса разработки, в ходе которого американская компания по обогащению урана USEC приобрела, а затем отказалась от прав на коммерциализацию этой технологии, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) подписала соглашение о коммерциализации с Silex Systems в 2006 году. С тех пор GEH построила цикл демонстрационных испытаний и объявила о планах строительства. первоначальный коммерческий объект. Детали процесса засекречены и ограничены межправительственными соглашениями между США, Австралией и коммерческими организациями. Предполагается, что SILEX будет на порядок эффективнее существующих производственных технологий, но, опять же, точная цифра засекречена. В августе 2011 года Global Laser Enrichment, дочерняя компания GEH, обратилась в Комиссию по ядерному регулированию США (NRC) за разрешением на строительство коммерческого завода. В сентябре 2012 года NRC выдало GEH лицензию на строительство и эксплуатацию коммерческого завода по обогащению SILEX, хотя компания еще не решила, будет ли проект достаточно прибыльным для начала строительства, и несмотря на опасения, что технология может способствовать распространению ядерного оружия. .

Другие техники

Аэродинамические процессы

Принципиальная схема аэродинамического сопла. Многие тысячи таких маленьких фольг можно было бы объединить в обогатительной установке.
Процесс производства LIGA на основе рентгеновского излучения был первоначально разработан в Forschungszentrum Karlsruhe, Германия, для производства сопел для обогащения изотопов.

Процессы аэродинамического обогащения включают в себя методы струйного сопла Беккера, разработанные EW Becker и соавторами с использованием процесса LIGA и процесса разделения вихревых труб . Эти процессы аэродинамического разделения зависят от диффузии, обусловленной градиентами давления, как и газовая центрифуга. Как правило, они имеют недостаток, заключающийся в том, что для минимизации потребления энергии требуются сложные системы каскадирования отдельных разделительных элементов. Фактически, аэродинамические процессы можно рассматривать как невращающиеся центрифуги. Усиление центробежных сил достигаются путем разбавления UF 6 с водородом или гелием в качестве газа - носителя , достигая гораздо более высокую скорость потока для газа , чем может быть получена с использованием чистого гексафторида урана. По обогащению уран корпорация Южной Африки (UCOR) разработано и внедрен непрерывный Геликоно разделение вихрей каскада для высоких производственной скорости низкого обогащения и , по существу , другого каскада полупериодического Pelsakon низкого уровня продукции высокого обогащения и с использованием частности вихревого дизайна трубки сепаратора, и оба воплощенный в промышленном предприятии. Демонстрационная установка была построена в Бразилии консорциумом NUCLEI, возглавляемым Industrias Nucleares do Brasil, который использовал процесс разделительного сопла. Однако все методы имеют высокие энергозатраты и существенные требования к отводу отработанного тепла; ни один из них еще не используется.

Электромагнитное разделение изотопов

Принципиальная схема разделения изотопов урана в калютроне показывает, как сильное магнитное поле используется для перенаправления потока ионов урана на мишень, что приводит к более высокой концентрации урана-235 (представлен здесь темно-синим цветом) во внутренних краях корпуса. поток.

В процессе электромагнитного разделения изотопов (EMIS) металлический уран сначала испаряется, а затем ионизируется до положительно заряженных ионов. Затем катионы ускоряются и затем отклоняются магнитными полями на свои соответствующие мишени для сбора. Производство шкала масс - спектрометр назвал калютрон был разработан во время Второй мировой войны , которые представили некоторые из 235 U используется для Маленького мальчика атомной бомбы, которая была сброшена над Хиросимой в 1945 Грамотно термине «калютрон» относится к многоступенчатым устройству , расположенному в большом овале вокруг мощного электромагнита. От электромагнитного разделения изотопов в основном отказались в пользу более эффективных методов.

Химические методы

Один химический процесс был продемонстрирован на стадии пилотной установки, но не использовался в производстве. Во французском процессе CHEMEX использовалась очень небольшая разница в склонности двух изотопов к изменению валентности при окислении / восстановлении с использованием несмешивающихся водной и органической фаз. Компания Asahi Chemical Company в Японии разработала ионообменный процесс, который применяет аналогичные химические процессы, но обеспечивает разделение на собственной ионообменной колонке со смолой .

Плазменное разделение

Процесс разделения плазмы (PSP) описывает метод, в котором используются сверхпроводящие магниты и физика плазмы . В этом процессе принцип ионного циклотронного резонанса используется для селективного возбуждения изотопа 235 U в плазме, содержащей смесь ионов . Французы разработали собственную версию PSP, которую они назвали RCI. Финансирование RCI было резко сокращено в 1986 году, и программа была приостановлена ​​примерно в 1990 году, хотя RCI все еще используется для разделения стабильных изотопов.

Разделительная рабочая единица

«Разделительная работа» - степень разделения, выполняемая в процессе обогащения, - является функцией концентраций исходного сырья, обогащенного выхода и обедненных хвостов; и выражается в единицах, которые рассчитываются таким образом, чтобы быть пропорциональными общему вводу (энергия / время работы машины) и обработанной массе. Разделительная работа - это не энергия. Один и тот же объем разделительной работы потребует разного количества энергии в зависимости от эффективности технологии разделения. Разделительная работа измеряется в единицах разделительной работы ЕРР, кг SW или кг UTA (от немецкого Urantrennarbeit - буквально работа по разделению урана ).

  • 1 ЕРР = 1 кг ЕР = 1 кг UTA
  • 1 kSWU = 1 tSW = 1 t UTA
  • 1 MSWU = 1 тыс. Тонн SW = 1 тыс. Тонн UTA

Вопросы стоимости

В дополнение к рабочим единицам разделения, обеспечиваемым обогатительной установкой, другим важным параметром, который следует учитывать, является масса природного урана (NU), необходимая для получения желаемой массы обогащенного урана. Как и в случае с количеством ЕРР, количество необходимого исходного материала также будет зависеть от желаемого уровня обогащения и от количества 235 U, которое попадает в обедненный уран. Однако, в отличие от количества требуемых ЕРР во время обогащения, которое увеличивается с уменьшением уровней 235 U в обедненном потоке, необходимое количество NU будет уменьшаться с уменьшением уровней 235 U, которые в конечном итоге попадают в DU.

Например, при обогащении НОУ для использования в легководном реакторе обычно обогащенный поток содержит 3,6% 235 U (по сравнению с 0,7% в NU), в то время как обедненный поток содержит от 0,2% до 0,3% 235 U. Для производства одного килограмма этого НОУ потребуется приблизительно 8 кг NU и 4,5 ЕРР, если в потоке DU будет разрешено содержать 0,3% 235 U. С другой стороны, если в обедненном потоке будет только 0,2% 235 U, тогда для этого потребуется всего 6,7 кг NU, но почти 5,7 ЕРР обогащения. Поскольку необходимое количество NU и количество требуемых SWU во время обогащения меняется в противоположных направлениях, если NU дешево, а услуги по обогащению более дорогие, то операторы обычно предпочитают оставлять больше 235 U в потоке DU, тогда как если НУ дороже, а обогащение меньше, тогда они бы пошли наоборот.

Разбавление

Противоположность обогащению - разбавление; избыточный ВОУ можно разбавить до НОУ, чтобы сделать его пригодным для использования в коммерческом ядерном топливе.

Сырье ВОУ может содержать нежелательные изотопы урана: 234 U - это второстепенный изотоп, содержащийся в природном уране; в процессе обогащения его концентрация увеличивается, но остается значительно ниже 1%. Высокие концентрации 236 U являются побочным продуктом облучения в реакторе и могут содержаться в ВОУ, в зависимости от истории его производства. ВОУ, переработанный из реакторов для производства ядерных оружейных материалов (с анализом 235 U около 50%), может содержать концентрации 236 U до 25%, что приводит к концентрациям примерно 1,5% в смешанном продукте с НОУ. 236 U - нейтронный яд ; поэтому фактическая концентрация 235 U в продукте НОУ должна быть соответственно увеличена, чтобы компенсировать присутствие 236 U.

Смесь может быть NU или DU, однако, в зависимости от качества исходного сырья, SEU при типичном содержании 235 U в количестве 1,5 мас.% Может использоваться в качестве смеси для разбавления нежелательных побочных продуктов, которые могут содержаться в исходном ВОУ. Концентрации этих изотопов в продукте НОУ в некоторых случаях могут превышать спецификации ASTM для ядерного топлива, если использовались NU или DU. Таким образом, разбавление ВОУ обычно не может способствовать решению проблемы обращения с отходами, создаваемой существующими большими запасами обедненного урана. В настоящее время 95 процентов мировых запасов обедненного урана остаются в надежных хранилищах.

Крупная программа по понижению качества под названием Программа « Мегатонны в мегаватты» превращает бывший советский ВОУ оружейного качества в топливо для коммерческих энергетических реакторов США. С 1995 до середины 2005 года 250 тонн высокообогащенного урана (достаточно для 10 000 боеголовок) были переработаны в низкообогащенный уран. Цель состоит в том, чтобы утилизировать 500 тонн к 2013 году. На программу вывода из эксплуатации российских ядерных боеголовок приходилось около 13% от общей мировой потребности в обогащенном уране до 2008 года.

США Обогащение Корпорация участвует в диспозиции части 174,3 тонн высокообогащенного урана (ВОУ) , что правительство США , объявленного избыточного военного имущества в 1996 году Через разбавлению программы США воу, воу этого материала, в первую очередь принимаются из демонтированных ядерных боеголовок США был переработан в топливо с низким обогащением урана (НОУ), используемое атомными электростанциями для выработки электроэнергии.

Глобальные обогатительные фабрики

Установки по обогащению известны в следующих странах: Аргентина, Бразилия, Китай, Франция, Германия, Индия, Иран, Япония, Нидерланды, Северная Корея, Пакистан, Россия, Великобритания и США. Бельгия, Иран, Италия и Испания владеют инвестиционной долей во французском обогатительном заводе Eurodif , а владение Ираном дает ему право на получение 10% от добычи обогащенного урана. Страны, которые имели программы обогащения в прошлом, включают Ливию и Южную Африку, хотя объект в Ливии никогда не работал. Австралия разработала процесс лазерного обогащения, известный как SILEX, который она намерена реализовать за счет финансовых вложений General Electric в коммерческое предприятие США. Утверждается также, что у Израиля есть программа по обогащению урана, размещенная на площадке Центра ядерных исследований в Негеве недалеко от Димоны .

Кодовое имя

Во время Манхэттенского проекта оружейному высокообогащенному урану было присвоено кодовое название ораллой , сокращенная версия сплава Ок-Ридж , по месту нахождения заводов, где обогащался уран. Термин «ораллой» до сих пор иногда используется для обозначения обогащенного урана.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки