Обогащенный уран

редактировать

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

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

Обогащенный уран является критическим компонентом как для гражданского ядерной энергетики, так и для военного ядерного оружия. Международное агентство по атомной энергии пытается отслеживать и контролировать поставки и процессы обогащенного урана в своих усилиях по обеспечению безопасности производства ядерной энергии и сдерживанию распространения ядерного оружия.

Имеется около 2000 тонн (т, Mg) высокообогащенного урана в мире, производимого в основном для ядерной энергетики, ядерного оружия, военно-морских силовых установок и в меньших количествах для исследовательских реакторов.

U, остающийся после обогащения, известен как обедненный уран (DU), и он значительно менее радиоактивен, чем даже природный уран, хотя все еще очень плотный и чрезвычайно опасный в гранулированной форме - такие гранулы являются естественным побочным продуктом срезающего действия, что делает его полезным для брони - проникающего оружия и радиационной защиты.

Содержание

  • 1 Класс
    • 1.1 Переработанный уран (RepU)
    • 1,2 Низкообогащенный уран (НОУ)
    • 1,3 Высокообогащенный уран (ВОУ)
  • 2 Методы обогащения
    • 2,1 Методы диффузии
      • 2.1.1 Газовая диффузия
      • 2.1.2 Термодиффузия
    • 2.2 Методы центрифугирования
      • 2.2.1 Газовая центрифуга
      • 2.2.2 Центрифуга Зиппе
    • 2.3 Лазерные методы
      • 2.3.1 Лазерное разделение изотопов на атомных парах (AVLIS)
      • 2.3.2 Молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS)
      • 2.3.3 Разделение изотопов лазерным возбуждением (SILEX)
    • 2.4 Другие методы
      • 2.4.1 Аэродинамические процессы
      • 2.4.2 Электромагнитное разделение изотопов
      • 2.4.3 Химические методы
      • 2.4.4 Плазменное разделение
  • 3 Разделение работы
  • 4 Вопросы стоимости
  • 5 Разбавление
  • 6 Глобальный установки по обогащению
  • 7 Кодовое имя
  • 8 См. также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Сорта

Уран, получаемый непосредственно с Земли, не подходит в качестве топлива для большинства ядерных реакторов и требует дополнительных процессов, чтобы сделать его пригодным для использования. 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 путем сочетания химических процессов, при этом конечный продукт представляет собой 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 требуется обогащенный уран или гексафторид урана, который может быть обогащен для производства топлива для большинства типов реакторов ». Встречающийся в природе уран состоит из смеси U и U. U является делящимся, что означает, что он легко расщепляется нейтронами, а остальное - U, но в природе больше, чем 99% добытой руды составляет уран. Для большинства ядерных реакторов требуется обогащенный уран, то есть уран с более высокими концентрациями урана в диапазоне от 3,5% до 4,5%. Существует два промышленных процесса обогащения: газовая диффузия и газовое центрифугирование. Оба процесса обогащения включают использование гексафторида урана и получение обогащенного оксида урана.

Бочка желтого кека (смесь осадков урана)

Переработанный уран (RepU)

Переработанный уран (RepU) является продуктом ядерных топливных циклов с участием ядерной переработки отработавшего топлива. RepU, извлеченный из отработавшего топлива легководного реактора (LWR), обычно содержит немного больше U, чем природного урана, и поэтому может использоваться для топлива реакторов, которые обычно используют природный уран в качестве топлива, например Реакторы CANDU. Он также содержит нежелательный изотоп уран-236, который подвергается захвату нейтронов, тратя нейтроны (и требуя более высокого обогащения U) и создавая нептуний-237, который быть одним из наиболее подвижных и опасных радионуклидов в глубоком геологическом хранилище захоронении ядерных отходов.

Низкообогащенный уран (НОУ)

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

Высокообогащенный уран (ВОУ)

A заготовка металлического высокообогащенного урана

Высокообогащенный уран (ВОУ) имеет концентрацию U 20% или выше. Делящийся уран в ядерном оружии обычно содержит 85% или более известного U как оружейного качества, хотя теоретически для конструкции имплозии может быть достаточно минимум 20% (так называемых оружейных), хотя для этого потребуются сотни килограммов материала и " непрактично проектировать "; гипотетически возможно даже более низкое обогащение, но по мере того, как процент обогащения уменьшается, критическая масса для немодерированных быстрых нейтронов быстро увеличивается, например, с бесконечной массой 5,4 Требуется% U. В экспериментах по критичности было достигнуто обогащение урана до более чем 97%.

Самая первая урановая бомба, Little Boy, сброшенная США на Хиросиме в 1945 году было использовано 64 килограмма урана с обогащением 80%. 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 делящуюся сердцевину посредством имплозии, усиление термоядерного синтеза и «трамбование», замедляющее расширение делящейся активной зоны по инерции, позволяют конструкции ядерного оружия, в которых используется меньше будет одна критическая масса голой сферы при нормальной плотности. Присутствие слишком большого количества изотопа U подавляет неконтролируемую цепную ядерную реакцию, которая отвечает за мощность оружия. Критическая масса 85% высокообогащенного урана составляет около 50 килограммов (110 фунтов), что при нормальной плотности было бы сферой диаметром около 17 сантиметров (6,7 дюйма).

Позднее в ядерном оружии США обычно используется плутоний-239 на начальной стадии, но в оболочке или тампонной вторичной ступени, которая сжимается при первичном ядерном взрыве, часто используется ВОУ с обогащением от 40%. и 80% вместе с термоядерным топливом дейтеридом лития. 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. U не считается делящимся, но все же может делиться быстрыми нейтронами (>2 МэВ), такими как те, которые образуются во время синтеза D-T.

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

Методы обогащения

Разделение изотопов сложно, потому что два изотопа одного и того же элемента имеют почти идентичные химические свойства и могут быть разделены только постепенно с использованием небольших разностей масс. (U всего на 1,26% легче U.) Эта проблема усугубляется тем, что уран редко разделяется в атомарной форме, а вместо этого в виде соединения (UF 6 всего на 0,852% легче, чем UF 6.) каскад идентичных стадий дает последовательно более высокие концентрации U. Каждая стадия передает немного 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), которая потребляет только От 2% до 2,5% энергии, равной газовой диффузии (по крайней мере, «в 20 раз больше»). 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 вытеснения газообразного урана гексафторид (гекс) через полупроницаемые мембраны. Это приводит к небольшому разделению между молекулами, содержащими U и U. На протяжении холодной войны газовая диффузия играла важную роль в качестве метода обогащения урана, и по состоянию на 2008 год на ее долю приходилось около 33% производства обогащенного урана. но в 2011 году была сочтена устаревшей технологией, которая постепенно заменяется более поздними поколениями технологий по мере того, как диффузионные установки подходят к концу своего жизненного цикла. В 2013 году предприятие Paducah в США прекратило работу, это была последняя коммерческая установка для диффузии газообразного урана в мире.

Термодиффузия

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

Методы центрифугирования

Газовые центрифуги

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 U, движутся по касательной к внешней стороне цилиндра, а более легкие молекулы газа, богатые U, собираются ближе к центру. Для достижения того же разделения требуется гораздо меньше энергии, чем для более старого процесса газовой диффузии, который он в значительной степени заменил, и поэтому является предпочтительным методом в настоящее время и называется вторым поколением. Коэффициент разделения на ступень равен 1,3 по сравнению с газовой диффузией 1,005, что соответствует примерно одной пятидесятой потребности в энергии. Газовые центрифуги производят почти 100% обогащенного урана в мире.

Центрифуга Zippe

Принципиальная схема газовой центрифуги типа Zippe с U-238, представленным темно-синим, и U-235, представленным светло-синим

Zippe Centrifuge является усовершенствованием стандартной газовой центрифуги, основное отличие заключается в использовании тепла. Дно вращающегося цилиндра нагревается, создавая конвекционные потоки, которые перемещают U вверх по цилиндру, где его можно собрать лопатками. Эта усовершенствованная конструкция центрифуги коммерчески используется Urenco для производства ядерного топлива и Пакистаном в их программе создания ядерного оружия.

Лазерные методы

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 развито и лицензировано для коммерческой эксплуатации в 2012 году.

Лазерное разделение изотопов на атомных парах (AVLIS)

Лазерное разделение изотопов на атомных парах использует специально настроенные лазеры для разделения изотопов урана с использованием селективной ионизации сверхтонких переходов. В этом методе используются лазеры, настроенные на частоты, которые ионизируют атомы U, и никакие другие. Затем положительно заряженные ионы U притягиваются к отрицательно заряженной пластине и собираются.

Молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS)

Молекулярное лазерное разделение изотопов использует инфракрасный лазер, направленный на UF6, возбуждая молекулы, содержащие атом U. Второй лазер освобождает атом фтора, оставляя пентафторид урана, который затем осаждается из газа.

Разделение изотопов лазерным возбуждением (SILEX)

Разделение изотопов лазерным возбуждением - это австралийская разработка, в которой также используется UF6. После длительного процесса разработки, в ходе которого американская компания по обогащению урана USEC приобрела, а затем отказалась от прав на коммерциализацию технологии, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) подписала в 2006 году соглашение о коммерциализации с компанией GEH. построила цикл демонстрационных испытаний и объявила о планах строительства первого коммерческого объекта. Подробности 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 (NRC) США 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, чтобы начать строительство, и несмотря на опасения, что технология может способствовать распространение ядерного оружия.

Другие методы

Аэродинамические процессы

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

Процессы аэродинамического обогащения включают в себя технологию сопла Беккера, разработанную EW Becker и соавторами, с использованием процесса LIGA и процесса разделения вихревой трубы. Эти процессы аэродинамического разделения зависят от диффузии, вызываемой градиентами давления, как и газовая центрифуга. Обычно они имеют недостаток, заключающийся в том, что они требуют сложных систем каскадирования отдельных разделяющих элементов для минимизации потребления энергии. Фактически, аэродинамические процессы можно рассматривать как невращающиеся центрифуги. Повышение центробежных сил достигается за счет разбавления UF6 с водородом или гелием в качестве газа-носителя с достижением гораздо более высокой скорости потока газа, чем можно было бы получить с использованием чистого гексафторида урана.. Uranium Enrichment Corporation of South Africa (UCOR) разработала и развернула непрерывный каскад вихревой сепарации Helikon для высокопроизводительного низкообогащения, а также существенно отличающийся полупериодический каскад высокого обогащения с низкой производительностью Pelsakon с использованием конкретного вихря. конструкция трубчатого сепаратора, и обе воплощены в промышленном предприятии. Демонстрационная установка была построена в Бразилии консорциумом NUCLEI, возглавляемым консорциумом, использовавшим 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

Схематическая диаграмма разделения изотопов урана в калутроне показывает, как сильное магнитное поле используется для перенаправления потока ионов урана к цели, что приводит к более высокому концентрация урана-235 (представлен здесь темно-синим цветом) во внутренних краях потока.

В процессе электромагнитного разделения изотопов (EMIS) металлический уран сначала испаряется, а затем ионизируется до положительной заряженные ионы. Затем катионы ускоряются и затем отклоняются магнитными полями на соответствующие им улавливающие объекты. Промышленный масс-спектрометр, названный Calutron, был разработан во время Второй мировой войны, который обеспечил часть U, использованного в ядерной бомбе Little Boy, которая была сброшена над Хиросимой в 1945 году. Правильно, термин «Калютрон» относится к многоступенчатому 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 для производства. 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. Ионообменный процесс был разработан в Японии, который применяет аналогичные химические процессы, но обеспечивает разделение на запатентованной смоле ионообменной колонке.

Разделение плазмы

Процесс разделения плазмы (PSP) описывает метод, в котором используются сверхпроводящие магниты и физика плазмы. В этом процессе принцип ионного циклотронного резонанса используется для избирательного возбуждения изотопа 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.

Единица разделительной работы

«Разделительная работа» - степень разделения, выполненная 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 ЕРР, кг SW или кг UTA (от немецкого Urantrennarbeit - буквально работа по разделению урана)

  • 1 ЕРР = 1 кг SW = 1 кг UTA
  • 1 kSWU = 1 tSW = 1 т UTA
  • 1 MSWU = 1 ktSW = 1 kt UTA

Вопросы затрат

В дополнение к рабочим единицам разделения, обеспечиваемым обогатительной установкой, другим важным параметром, который необходимо рассматривается 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 U, которое попадает в обедненный уран. Однако, в отличие от количества требуемых ЕРР во время обогащения, которое увеличивается с уменьшением уровней U в обедненном потоке, необходимое количество NU будет уменьшаться с уменьшением уровней U, которые в конечном итоге попадают в DU.

Например, при обогащении НОУ для использования в легководном реакторе обычно обогащенный поток содержит 3,6% U (по сравнению с 0,7% в NU), в то время как обедненный поток содержит 0,2% до 0,3% U. Для производства одного килограмма этого НОУ потребуется примерно 8 кг NU и 4,5 ЕРР, если в потоке DU будет допущено 0,3% U. С другой стороны, если в обедненном потоке будет только 0,2% U, то 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 изменяется в противоположных направлениях, если NU дешево, а услуги по обогащению более дорогие, то операторы обычно предпочитают оставлять больше U в потоке DU, тогда как если NU дороже, а обогащение меньше, тогда они выберут противоположное.

Понижающее смешивание

Противоположностью обогащению является разбавление; избыточный ВОУ может быть разбавлен до НОУ, чтобы сделать его пригодным для использования в коммерческом ядерном топливе.

ВОУ-сырье может содержать нежелательные изотопы урана: U - второстепенный изотоп, содержащийся в природном уране; в процессе обогащения его концентрация увеличивается, но остается значительно ниже 1%. Высокие концентрации 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 урана около 50%), может содержать концентрации U до 25%, что приводит к концентрациям примерно 1,5% в смешанном продукте с НОУ. U - нейтронный яд ; поэтому фактическая концентрация U в продукте НОУ должна быть увеличена соответствующим образом, чтобы компенсировать присутствие U.

Смесь может быть NU или DU, однако в зависимости от качества сырья SEU при типичном уровне 1,5 мас.% U может используется как смесь 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, как правило, 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 понижающему уровню под названием Программа «Мегатонны в мегаватты» превращает бывший советский ВОУ оружейного качества в топливо для Коммерческие энергетические реакторы США. С 1995 по середину 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 общих мировых потребностей в обогащенном уране до 2008 года.

United States Enrichment Corporation участвовал в утилизации части из 174,3 тонны высокообогащенного урана (ВОУ), который правительство США объявило избыточным военным материалом в 1996 году. В рамках программы США по понижению смешения ВОУ этот ВОУ материал, взятый в основном из демонтированных ядерных материалов США. боеголовки были переработаны в топливо из низкообогащенного урана (НОУ), используемое атомными электростанциями для выработки электроэнергии.

Установки по обогащению урана

Следующие страны известны эксплуатируют установки по обогащению: 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 иранский холдинг дает ему право на получение 10% от добычи обогащенного урана. Страны, которые имели программы обогащения в прошлом, включают Ливию и Южную Африку, хотя объект 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 в США. Также утверждалось, что у Израиля есть программа обогащения урана, размещенная на площадке Негевского центра ядерных исследований рядом с Димона.

Кодовое имя

во время Манхэттенского проекта оружейному высокообогащенному урану было присвоено кодовое название ораллой, сокращенная версия Oak Ridge сплава, по месту нахождения заводов, где производился обогащение урана.. Термин «ораллой» до сих пор иногда используется для обозначения обогащенного урана.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите обогащенный уран в Wiktionary, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-19 11:17:37
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте