Uranium Enrichment
Физико-технологический процесс повышения концентрации делящегося 235U в смеси изотопов урана (U). Осуществляется изотопным разделением потока «питания» (исходного уранового материала) на две фракции:
обогащенную по 235U («продукт») и обедненную («отвал»). Единица измерения производительности этого процесса – единица разделительной работы (ЕРР).
Любой метод О. у. оценивается одинаковым набором технических и экономических характеристик.
Важнейшими из них являются: эффективность разделения на одной ступени (стадии) процесса, определяемая коэффициентом разделения (чем больше он отличается от единицы, тем эффективнее метод); энергоемкость (кВт·ч/ЕРР); расход «питания» (чем больше, тем лучше); величина отбора продукта; сложность реализующей технологии (построение каскада).
По совокупности этих характеристик практическое значение при промышленном О. у. получили два метода, использующие физические различия поведения молекул газа разной массы в определенных условиях [для урана единственным газообразным соединением является его гексафторид (UF6, см. Гексафторид урана )].
Метод газовой диффузи и основан на том, что легкие молекулы (235UF6) чуть быстрее тяжелых проходят через пористые перегородки (мембраны) с очень тонкими порами (диаметром ок. 0,005–0,01 мкм). Коэффициент разделения на одной ступени такого процесса очень невелик (для молекул урана предельное значение – 1,0043), однако, объединив последовательно достаточное количество ступеней по определенной технологической схеме в каскад, можно получить степени О. у. вплоть до оружейной кондиции (90% и выше).
Этот метод до сих пор лежит в основе индустрии О. у. в США и Франции. Его преимуществом является высокий расход питания. Однако низкий коэффициент разделения, технологическая сложность (в особенности при производстве пористых мембран) и очень высокая энергоемкость (ок. 2500 кВт·ч/ЕРР) стали причинами того, что к настоящему времени он и технически, и экономически уступает центрифужному методу.
В центрифужном методе разделение смеси молекул разных масс в газовой фазе основано на различии динамического давления на них при нахождении смеси внутри быстро вращающегося вертикального цилиндра (ротора центрифуги). Тяжелые молекулы оттесняются к стенкам ротора, легкие имеют более высокую концентрацию вблизи его оси. При линейной скорости стенки ротора ок. 700 м/с и организации режима вертикальной циркуляции UF6 внутри ротора (тогда одиночная центрифуга начинает работать как своеобразный каскад) коэффициент обогащения достигает величин 1,3 при относительно малой энергоемкости метода (100–300 кВт·ч/ЕРР). Недостатком метода газового центрифугирования является низкий расход питания, однако его можно устранить увеличением числа центрифуг на каждой ступени каскада.
На современном газоцентрифужном заводе по О. у. в технологические схемы, определяемые количеством и назначением конечного продукта, включены десятки и сотни тысяч центрифуг. Основанная на этом методе российская индустрия О. у. в настоящее время занимает ведущее место в мире – на ее четыре предприятия приходится ок. 40% мировых мощностей О. у. при наилучших экономических показателях.
Другие методы О. у. к настоящему времени либо неконкурентоспособны по совокупности технических и экономических характеристик (например, метод электромагнитного разделения), либо не вышли из стадии опытно-конструкторских разработок в силу технологической сложности. Хотя некоторые из них (например, лазерные методы) имеют, возможно, неплохие перспективы. Однако в обозримом будущем метод газового центрифугирования, вероятно, не будет иметь серьезных технологических конкурентов для реализации в промышленных масштабах.
Следует отметить, что при реализации военно-ядерных программ вопросы экономики, как правило, имеют второстепенное значение. Так, например, Ираком и ЮАР были использованы заведомо энергозатратные и финансовоемкие методы обогащения – электромагнитный (калютрон) и разделение в газовой струе (сопло Беккера).
Помимо России, О. у. в промышленных масштабах осуществляют Бельгия, Испания, Италия и Франция в рамках совместного консорциума «Евродиф» (Eurodif); Великобритания, Германия и Нидерланды в рамках консорциума «Уренко» (Urenco); а также США и Япония. Разработкой обогатительных технологий активно занимаются также Бразилия и Иран. Пакистан эксплуатирует завод по О. у. в исследовательском центре «Кахута», осуществляя наработку высокообогащенного урана в интересах программы по созданию ядерного оружия.
Лит.: Справочник по ядерной энерготехнологии. М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 131–157; Апсэ В.А., Шмелев А.Н. Ядерные технологии. М.: МИФИ, 2001. С. 53–67;
Жданов В.М. Тайны разделения изотопов. М.: МИФИ, 2004. С. 71–77; Коровин Ю.А., Мурогов В.М. Современные проблемы ядерной энергетики. Обнинск: «Эндемик», 2006. С. 118–120.
См. также: Международный центр по обогащению урана; Многосторонние подходы в области ядерного топливного цикла; Ядерный топливный цикл.
А.Б. Колдобский
