Обогащение урана

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Относительные пропорции урана-238 (синий) и урана-235 (красный) на разных стадиях обогащения.

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

В природном уране содержится три изотопа урана: 238U (массовая доля 99,2745 %), 235U (доля 0,72 %) и 234U (доля 0,0055 %). Изотоп 238U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого 235U. В настоящее время 235U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.

Степени обогащения урана[править | править вики-текст]

Природный уран с содержанием 235U 0,72% находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).

Уран с содержанием 235U до 20% называют низкообогащенным (англ. Low enriched uranium, LEU). Уран с обогащением 2..5% в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру. Уран с обогащением до 20% используется в исследовательских и экспериментальных реакторах.

Уран с содержанием 235U свыше 20% называют высокообогащенным (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным. На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90%. Высокообогащенный уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (т.е. с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах.

В отвалах обогатительных производств остается обедненный уран с содержанием 235U 0,1...0,3%. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обедненного урана. В будущем возможно использование обедненного урана в составе уран-плутониевого топлива для энергетических реакторов.

Технологии[править | править вики-текст]

Известно много методов разделения изотопов.[1] Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжелые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем легкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжелые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с легким изотопом урана более подвижны чем тяжелые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6.

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Производство обогащенного урана в мире[править | править вики-текст]

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU). Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report 2013 с прогнозом развития.

страна Компания, Завод 2012 2015 2020
Франция Areva: Georges Besse I и II 2500 7000 8200
Германия, Голландия, Англия, URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия) 12800 14200 15700
Япония JNFL (англ.)русск., Rokkaasho 150 150 1500
США USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon 5000 3800 3800
США URENCO: New Mexico 2000 5700 5700
США Areva: Idaho Falls 0 1500 3300
США Global Laser Enrichment 0 1000 3000
Россия ОАО ТВЭЛ (TENEX) 25000 30000 37000
Китай CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou 1500 3000 8000
Пакистан, Бразилия, Иран Разные 100 500 1000
Суммарное 49000 65000 87000


См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Удешевление обогащения. Атомный эксперт. Обзор истории и технологий обогащения урана.

Ссылки[править | править вики-текст]