Как обогащать уран

13 ноября 2020 г.

Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.

• Способы добычи
• Обогащение урана
• Применение
• Месторождения в России и мире
• Мировые запасы
• Страны, добывающие уран

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта первым, восстановившим из руды один из наиболее распространённых минералов урана – настуран.
• Французского химика ЭженаПелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес.
• Великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева – поставившего уран в соответствующую его характеристикам клетку периодической системы, задолго до открытия действительного атомного веса этого элемента.
• Знаменитого британского физика Эрнеста Резерфорда, открывшего два вида радиоактивного излучения урана.
• Советских академиков Юлия Борисовича Харитона и Якова Борисовича Зельдовича, доказавших возможность осуществления цепной ядерной реакции.

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

• Тяжёлый, гибкий и ковкий металл, плотностью 18-19 г/см3.
• Температура плавления равняется +1132,30C.
• Температура кипения составляет +41130C.
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +1500C, уран способен самовозгораться.
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определённых температурах: альфа, бета и гамма.
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.
• Химически очень активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной плёнкой.

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:

• настуран,
• карнотит,
• соединения с ванадием и титаном,
• силикаты,
• фосфаты.

Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

• откалывание (отбивание) материала,
• погрузку его на вагонетки или шахтные самосвалы,
• перевозку руды до бункера приёмки,
• скиповое поднятие на поверхность,
• транспортировку к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.

Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.

Обогащение урана

Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 (235U). Остальную часть составляют:

• Уран-238 – 99,2745%.
• Уран-234 – 0,0055%.

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

• химического катализатора в реакциях восстановления перекиси водорода и кислорода;
• космического, судового, автомобильного балласта и самолётного противовеса;
• средства радиационной защиты;
• бронебойного сердечника снарядов;
• танковой брони;
• ударного механизма буровых штанг,
• средства получения комплексного ядерного топлива, применение которого возможно в энергетических ядерных реакторах на тепловых нейронах.

• Низкообогащённый уран с концентрацией 235U доходящей до 20%, широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.
• Высокообогащённый уран, содержащий в себе свыше 20% урана-235, применяется при изготовлении атомных и водородных бомб, а также в качестве длительно используемого ядерного топлива в реакторах морских судов и космических кораблей.

Технологии

В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.

• Термодиффузия – концентрирующая различные по массе изотопы в отдельных температурных зонах.
• Электромагнитная сепарация – отбирающая разно заряженные ионы в отдельные сборники.
• Газовая диффузия – использующая неодинаковую скорость проникновения частиц через мелкопористые мембраны.
• Центрифугирование – разделяющее газовую среду по скоростям вращающихся потоков.
• Аэродинамическая сепарация – создающая завихряющиеся потоки в соплах искривлённой конфигурации.

Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.

Применение

Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).

Геология

Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.

Другие сферы

В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

• Австралия – 19 месторождений. Крупнейшими из них являются: ОлимпикДан – 3 тыс. тонн добычи ежегодно, Биверли – 1 тыс. тонн., Хонемун – 900 тонн.
• Казахстан. 16 месторождений. 6 наиболее значимых: Будёновское, Западный Мынкудук, Ирколь, Корсан, Южный Инкай, Харасан.
• Россия. 7 месторождений. Из них в эксплуатации находятся три: Аргунское, Жерловское, Источное.
• Канада. Известные урановые залежи на территории этой страны: МакАртур-Ривер, Сигар Лейк и «Проект Уотербери».
• ЮАР. Месторождение Доминион и рудники: Вааль-Ривер, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн.
• Нигер. 12 залежей. Наибольшие: Азелит, Арлит, Имурарен, Мадауэла.
• Намибия. 4 месторождения.

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

• Канада – 15%.
• Казахстан – 13%.

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

• Казахстан – 21,705 тыс. тонн. 41% мировой добычи, составляющей 53,498 тыс. тонн.
• Канада – 7,001 тыс. тонн. Что составляет 13% от общемирового уровня.
• Австралия – 6,517 тыс. тонн или 12%.
• Намибия – 5,525 тыс. тонн.
• Нигер – 2,911 тыс. тонн.
• Россия – 2,904 тыс. тонн.
• Узбекистан – 2,404 тыс. тонн.
• Китай – 1,855 тыс. тонн.
• Украина – 1,18 тыс. тонн.
• США – 582 тонны.
• Также добычей урана занимаются: Индия – 423 тонн, ЮАР – 346 тонн, Иран – 71 тонна и Пакистан – 45 тонн.

• Превратите урановую руду в газ. Большинство методов обогащения урана требуют превращения руды в низкотемпературный газ. В установку превращения руды закачивают фтористый газ. Оксид урана взаимодействует с фтором, в результате чего получается гексафторид урана (UF6). После чего из газа выделяют изотоп 235U.
• Превратите гексафторид урана в диоксид урана (UO2). После обогащения уран должен быть превращен в стабильную, крепкую форму для дальнейшего использования.

• Прокачка UF6 через трубы.
• Пропустите газ через пористый фильтр или мембрану. Поскольку изотоп 235U легче, чем 238U, UF6, содержащий более легкий изотоп, пройдет через мембрану быстрее, чем более тяжелый изотоп.
• Сконденсируйте UF6 в жидкость. После обогащения газа он конденсируется в жидкость и помещается в контейнеры, где охлаждается и затвердевает для транспортировки и превращения в гранулы.
  Из-за большого числа прохода газа через фильтры этот процесс является энергозатратным и поэтому выходит из использования.
• Из-за большого числа прохода газа через фильтры этот процесс является энергозатратным и поэтому выходит из использования.

• Соберите несколько цилиндров, вращающихся на большой скорости. Эти цилиндры являются центрифугами. Центрифуги собираются как параллельно, таки последовательно.
• Закачайте UF6 в центрифуги. Центрифуги используют центробежную силу, чтобы заставить более тяжелый газ, содержащий 238, оказаться у стенок цилиндра, а более легкий, с 235U, — остаться в центре.
• Выделите разделенные газы.

• Постройте несколько стационарных узких цилиндров.
• Введите UF6 в цилиндры на большой скорости. Газ, введенный таким способом, будет вращаться в цилиндре как циклон, в результате чего он разделится на 235U и 238U, как во вращающейся центрифуге.

• Под давлением превратите газ UF6 в жидкость.
• Постройте две концентрические трубы. Трубы должны быть довольно высокими. Чем длиннее трубы, тем больше газа можно разделить.
• Окружите трубы оболочкой из жидкой воды. Это охладит внешнюю трубу.
• Введите жидкий гексафторид урана между труб.

• Ионизируйте газ UF6.
• Пропустите газ через сильное магнитное поле.
• Отделите ионизированные изотопы урана по следам, которые они оставляют, проходя через магнитное поле. Ионы 235U оставляют следы, которые загибаются иначе, чем у 238U. Эти ионы могут быть отделены, для получения обогащенного урана.

• Настройте лазер на определенную частоту. Свет лазера должен иметь особенную длину волны (одноцветную). При данной длине волны лазер будет направляться только на атомы 235U, оставляя атомы 238U нетронутыми.
• Направьте лазер на уран. В отличие от других методов обогащения урана, данный процесс не требует использования газа гексафторида урана. Вы можете использовать сплав урана и железа, что, чаще всего, и делают в промышленности.
• Выделит атомы урана с возбужденными электронами. Это и будут атомы 235U.

Советы

Ядерное оружие, хотим мы этого или нет, – реальность, с которой живет человечество с середины прошлого века. Ядерные реакторы, как бы не выступали критики атомной энергетики, вносят значительный вклад в энергосистемы разных стран. И там, и там применяется радиоактивный материал. В основном это уран, 92-й элемент таблицы Менделеева.

Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?

Чем же так страшен обогащенный уран

Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.

На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.

При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.

Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.

Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.

Правда и вымысел

В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.

Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.

Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.

Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.

Урановая руда

Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.

Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.

Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.

Газодиффузионный способ обогащения

Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.

Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.

Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.

Центрифужный метод

Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.

Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.

Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.

Применение обогащенного урана

Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни – ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.

В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.

Изотоп 235 – более энергоемкое топливо. Обогащенным уран считается при содержании 235 изотопа более 20 %. Это основа ядерного оружия.

Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.

Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, – топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.

Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на термоядерный синтез как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.

Уже почти два месяца Гринпис и экологи-активисты ведут кампанию по запрету ввоза в Россию обедненного гексафторида урана (ОГФУ) из Германии. Я уже высказывался об этой истории в самом ее начале: В Россию начали завозить радиоактивные отходы из Европы? Разбираемся. За прошедшее время пришлось несколько раз выступать в СМИ на эту тему (тут вот подборка этих записей), поучаствовать в публичном обсуждении в Новоуральске, а также в очной публичной дискуссии с одним из главных оппонентов ввоза. А на прошлой неделе я побывал в пресс-туре и на самом комбинате УЭХК в Новоуральске, куда и везут ОГФУ.

Газовые центрифуги на УЭХК — крупнейшем в мире комбинате по обогащению урана

Так что за это время я постарался не только глубже вникнуть в матчасть вопроса, а она огромна и интересна, и я изучил далеко не все, так постараюсь дополнять материалы по мере углубления, но и успел погрузиться в общественный контекст проблемы. Давайте попробуем разобраться в этом всем по порядку и начнем с исторического обзора технологий обогащения урана.

Вместо введения

Для начала пару слов о ядерной физике. Как известно, уран используется в качестве топлива для атомных станций и начинки для ядерного оружия. Природный уран состоит из нескольких изотопов. Изотопы — это атомы одного химического элемента, отличающиеся массой ядра. Природный уран состоит на 0,711% из изотопа U-235, а на 99,28% из U-238, ну и на 0,01 % из U-234, но о нем сильно позже . Химически они совершенно одинаковы, но ядерные свойства у них разные. Для использования в большинстве атомных реакторов АЭС необходимо увеличить долю урана-235 до 4-5%, а для ядерного оружия и до 90%.

Увеличение в уране доли изотопа уран-235 называют обогащением. Процесс этот не стоит путать с обогащением руды, поскольку тут речь идет не о выделении какого-то химического элемента из пустой породы, например, урана из руды, где его обычно около 1%, а о разделении атомов одного и того же химического элемента. Поэтому этот процесс еще называют процессом разделения изотопов. Понятно, что задачка эта будет посложнее, ведь химические методы тут не работают. Нужно придумать что-то, что учитывает лишь разницу масс ядер, которая для изотопов урана 235 и 238 составляет всего около 1,5%. Непростая задачка.

Зачем нужен гексафторид урана

Существуют разные методы разделения изотопов, но два наиболее производительных и получивших исторически большее распространение (диффузионный и центрифужный), предполагают использование в качестве рабочей среды газа. А единственное легко летучее химическое соединение урана — это его соединение с фтором — гексафторид урана (ГФУ, UF6). При атмосферном давлении и до 56 C это твердое вещество, но при нагревании он переходит из твердого состояния в газ минуя жидкость. К тому же фтор имеет лишь один стабильный изотоп, поэтому отличие молекул UF6 по массе определяется исключительно изотопом урана. При этом его тройная точка (где он в твердом, жидком и газообразном виде одновременно) имеет не очень высокую температуру и давление, т.е. переводить его в разные фазовые состояния не очень сложно, а для промышленного применения это важно.

Сразу замечу, что газообразный гексафторид нужен именно для самого процесса разделения изотопов. Транспортируется и хранится в контейнерах он исключительно в твердом виде. Это и безопаснее и проще, т.к. это его нормальное состояние при обычной температуре.

Фазовая диаграмма гексафторида урана (ГФУ, или UF6). Фото автора, снято на УЭХК.

Чтобы понять место гексафторида урана в атомной энергетике и ядерно-топливном цикле, давайте посмотрим на схему ниже. Она большая, но не пугайтесь. Нам надо отметить лишь 4 пункта в левом верхнем углу и два крайних, на которых гексафторид появляется и исчезает. На самом деле он исчезает еще и в самом левом-верхнем квадрате, при хранении, но об этом позже. При этом надо понимать что сам уран никуда не исчезает, просто переводится из одних химических соединений в другие (из оксидов в фториды и обратно). Небольшая часть урана как элемента исчезает лишь в ядерном реакторе после деления и других ядерных реакций.

Схема топливного цикла. Гексафторид урана появляется только для обогащения урана. До и после этой стадии уран присутствует в других химических формах. Источник.

Прежде чем из урана сделают топливо для АЭС, его надо добыть (из шахты, почвы или, как может быть в будущем, из морской воды), затем перевести в форму оксидов, затем отправить на специальные конверсионные комбинаты (например, в Северске или Ангарске), где его уже переведут в форму гексафторида (ГФУ) природного урана. Затем этот ГФУ отправляют на обогатительные комбинаты (в России их четыре — самый крупный в Новоуральске, и 3 в Сибири — в Северске, Ангарске и Зеленогорске), где образуется два продукта — обогащенный гексафторид урана, который направляют на заводы по изготовлению топлива (в Новосибирске и Электростали, или сразу в форме ГФУ за границу зарубежным заказчикам), и обедненный гексафторид урана, который направляют на хранилища при обогатительных комбинатах. Так что гексафторид урана — это тот уран, который еще не был в реакторе. Хотя есть и такие варианты, но встречаются они гораздо реже.

Немного истории технологий обогащения урана

Исторически такая масштабная задачка как промышленное обогащение урана впервые встала перед создателями атомного оружия. Альтернативой была наработка плутония, и ее даже быстрее освоили (о том на чем его нарабатывали я писал ранее). Тогда вопрос надо было решить быстро и любой ценой. Экспериментировали и в США и в СССР с разными методами — и с газовой диффузией, и с электромагнитными методами и с центрифугами. Причем, их комбинировали.

Уран для первой атомной бомбы, сброшенной на Японию, американцы наработали на электромагнитной установке Y-12, где используется принцип различия траекторий ионов разной массы, движущихся в магнитном поле. В СССР аналогичный метод внедряли на установке СУ-20 в городе Лесной (Тогда город Свердловск-45, тоже в Свердловской области). Но этот метод позволял работать лишь с небольшими объемами материала и доводить обогащение с 75% до необходимых 90-94%. А перед этим обогащение проводили на диффузионных машинах. Они были более производительным и пригодным для промышленного обогащения больших объемов урана.

Атомная бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, имела в качестве «взрывчатки» 64 кг урана, обогащенного электромагнитным методом и методом газовой диффузии. СССР свою первую урановую бомбу взорвал в 1951, через два года после плутониевой. Источник

Основа диффузионного метода заключается в различии средних скоростей тяжелых и легких молекул при прохождении (диффузии) сквозь пористые тела — мембраны. Это означает, что лёгкие молекулы проходят через поры легче и быстрее, поэтому после мембраны газ получается более обогащенным легкими атомами.

Макет первой газодиффузионной машины в СССР ОК-150, с которой и начался Уральский электрохимический комбинат — УЭХК, но тогда просто завод 813 в закрытом городе Свердловск-44, ныне Новоуральск. Фото из музея УЭХК. Справа компрессор, а вот вертикальный цилиндр слева — как раз блок с сетчатым фильтром, через который и диффундирует гексафторид урана

В разделении изотопов важно понимать пару вещей. Во-первых, каждая отдельная установка проводит обогащение на очень незначительную величину. В газе на выходе лишь немного больше молекул с U-235 по сравнению с тем, что было на входе (на десятые доли процента). Поэтому приходится объединять сотни и тысячи машины в так называемые каскады, через которые газ проходит, постепенно обогащаясь до нужной величины. Первый газодиффузионный завод Д-1 в СССР (№813, будущий УЭХК) имел в 1948 году в своем составе 3000 машин ОК-150.

Каскады диффузионных машин на УЭХК. Фото стендов музея УЭХК.

Во-вторых, это очень энергозатратное удовольствие. И количество машин, и их мощные компрессоры, необходимые для прокачивания газа через фильтры, требовали огромного количества электроэнергии. Комбинат рос, к заводу Д-1 добавлялись заводы Д-2, Д-3 и Д-4. К 1953 году на УЭХК работало около 15 тыс. диффузионных машин, а потребляемая мощность составляла 250 МВт. К 1958-му, с пуском Д-5, потребление выросло до 800 МВт мощности или около 7млрд кВтч/год. В 1950-е СССР добавил к Уральскому комбинату еще три завода в по обогащению урана в Сибири: Ангарский электролизный химический комбинат (АЭХК, г. Ангарск, Иркутская область), Электрохимический завод (ЭХЗ, г. Зеленогорск, Красноярский край) и Сибирский химический комбинат (СХК, г. Северск, Томская область). К концу 1950-х до 3% всей электроэнергии СССР шло на обогащение урана. В то же время в США, до конца Холодной войны использовавших для атомной гонки и наработки топлива для АЭС (которых у них до сих пор больше чем у кого-либо) наиболее энергозатратную технологию диффузии, на обогащение уходилодо 7% всей электроэнергии.

Это, конечно, создавало проблемы (приходилось строить мощные электростанции, например крупные гидроэлектростанции в Сибири) и отчасти выдавало такие комбинаты. Существует интересная история о том, как в 1958 году по фотографии схемы электросетей Уральского региона, опубликованной в журнале Огонек, аналитики ЦРУ вычислили мощность и расположение комбината УЭХК.

То самое фото из журнала Огонек, по которому ЦРУ (кроме прочих источников) изучало атомную промышленность на Урале. Источник.

В США были построены три газодиффузионных завода — первый в Ок-Ридже (уже закрыт), затем в Портсмуте и в Падьюке. В Англии с 1956 г. заработал газодиффузионный завод в Кэйпенхерсте. Во Франции с 1964 года — в Пьерлатте, затем более производительный завод в Трикастене. С 1960 года, при помощи СССР, работал газодиффузионный завод в Китае, вблизи Ханьчжоу.

Газовые центрифуги

Машины первых поколений сменялись более современными агрегатами, но к тому моменту как в Европе запускались первые газодиффузионные заводы, в СССР уже начинался переход к принципиально иной технологии обогащения, ставшей на текущий момент основной — технологии газовых центрифуг.

Да, именно немецкие. Это направление развивалось в СССР после войны благодаря немецким военнопленным инженерам Циппе и Штеебеку. Они работали в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а затем конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде. Но идеи активно перенимали и дорабатывали (например систему отбора газа) наши специалисты, в первую очередь Виктор Сергеев. В итоге в середине 1950-х немцы вернулись в Германию (Штеебек в ГДР, Циппе в ФРГ, где затем запатентовал «русскую центрифугу»), а Сергеев довел до работоспособной конструкции и серийного запуска первые русские центрифуги в СССР. Немцы вернулись на родину, а после этого в 1957 году на УЭХК запустили сначала опытный участок, а в 1962 — первый в мире завод по обогащению урана на основе газовых центрифуг. Подробнее об истории центрифуг можно почитать тут. Ну или тут.

Оптимально соединить центрифуги, как впрочем и диффузионные машины, это отдельная наука. Теория каскадов называется. В свое время над ней величайшие умы трудились, включая Нобелевских лауреатов Ричарда Фейнмана и Поля Дирака в США, Кикоина, Соболева и других в СССР.

А это я с коллегой Алисой Мучник на фоне каскадов. Заметьте, никаких средств защиты у нас нет, не смотря на то, что в центрифугах тот самый ядовитый гексафторид в самой подвижной газообразной форме. Просто, во-первых, конструкция центрифуги рассчитана, что даже в случае поломки и разрушения от огромной скорости ее ротора, прочный внешний корпус уцелеет. А во-вторых, в случае разгерметизации корпуса выброса ГФУ наружу не будет, а будет наоборот подсос внутрь, т.к. ротор вращается в вакууме. Фото Доната Сорокина.

Тем не менее, для контроля правильности работы этого огромного количества центрифуг на каждой установлен датчик съема параметров (оборотов в первую очередь) — черный с белым проводом на фото.

Зачем же было переходить на центрифуги? Все просто — энергопотребление центрифуги почти в 50 раз меньше, чем у диффузионной машины. И это у первых поколений. А их в СССР/России за 60 лет сменилось уже 9, и каждое новое поколение центрифуг становилось еще производительнее, экономичнее, надежнее.

Поколения газовых центрифуг и их параметры. Источник.

С 1992 года Россия закрыла последние мощности диффузионного обогащения, полностью перейдя на центрифуги. Хотя небольшая секция диффузионных машин на УЭХК осталась и работает до сих пор как фильтр для отсеивания примесей входящего продукта. Производительность центрифуг 9 поколения в 14 раз выше, чем у первого поколения, а себестоимость работы разделения в 10 раз меньше. УЭХК стал крупнейшим в мире заводом по разделению изотопов урана (20% мировых мощностей).

В принципе, лучше один раз увидеть, чем много раз прочитать. Поэтому рекомендую посмотреть видеосюжет о российских газовых центрифугах, где это наглядно показано:

Отмечу, что производительность устройств для обогащения измеряется в ЕРР (единицы работы разделения). Это довольно непросто вычисляемая величина, но она важна для понимания объемов рынка и производительности. Например, мощность одной отечественной центрифуги составляла около 0,4 ЕРР в год для первых поколений, и выросла до 4-8 ЕРР в год для современных устройств. А общая мощность УЭХК — более 10 млн ЕРР в год (почти 20% всех мировых мощностей обогащения).

Кстати, а сколько же энергии потребляет крупнейший в мире разделительный завод в Новоуральске? И стоит ли вообще овчинка выделки? Ответ можно найти в их годовом экологическом отчете — около 1 млрд кВт*ч в год. Т.е. средняя потребляемая мощность около 115 МВт. Кажется что это очень много, тем более что это уже с использованием наименее энергозатратных центрифуг (страшно представить потребление диффузионного завода такой же мощности). Однако надо понимать, что это крупнейший в мире подобный завод. И обогащение — это самая энергозатратная часть топливного цикла (та часть, которая отвечает за выбросы CO2 «атомного» электричества). Приняв, грубо, что он дает до 20% топлива для АЭС мира (хотя реально наверно меньше), которые вырабатывают в год 2562 ТВт*ч электроэнергии (т.е. 2 562 000 млрд кВт*ч), получаем, что ядерное топливо дает в миллионы раз больше энергии, чем надо для получения топлива. Такая вот концентрация энергии в атоме.

Немного личного

12 метровые американские центрифуги. Источник

Зато в Европе все шло гораздо лучше. Циппе вернулся туда из США, а в 1970-м была создана компания URENCO, которая собралась заниматься обогащением урана на коммерческой основе для мирных целей (т.е. в основном для топлива АЭС, а не для оружия) по центрифужной технологии на основе патента Циппе. Эти центрифуги тоже крупнее российских, но меньше американских — около 3,65 м в высоту и производительностью 40-80 ЕРР. В 1977 году URENCO открывает заводы в Нидерландах (г. Алмело) и Великобритании (г. Капенхерст), в 1985 в Германии (тот самый завод в Гронау, откуда сейчас везут ОГФУ и вокруг которого так много шума), а в 2010 открыла единственный ныне работающий обогатительный завод на территории в США, в Нью Мексико.

Завод URENCO в Гронау, Германия. Справа видна площадка с хранилищем ГФУ (и сырьем и ОГФУ). Источник.

В итоге на текущий момент URENCO — вторая после Росатома (точнее его дочерней топливной компании ТВЭЛ и экспортного Техснабэкспорта, он же TENEX) компания по мощности обогатительных заводов в мире. Обогащением также занимается Франция (завод Georges Besse, по технологии URENCO), Китай (на основе наших центрифуг) и несколько других стран, но их вклад существенно меньше:

Мировые мощности по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР — по странам и заводам. Взято отсюда, на основе данных WNA.

Но о том когда и как мы с европейцами поделили мировой рынок обогащения, зачем ввозим их обедненный гексафторид урана к нам, как его используют в мире и у нас и является ли он отходом — в следующей части.