КОНВЕРСИЯ И ИЗОТОПНОЕ ОБОГАЩЕНИЕ

Ha природном уране с содержанием 0,71 % делящегося урана-235 могут работать реакторы, использующие в качестве теплоносителя и замедлителя тяжелую воду (реакторы типа CANDU) и уран-графитовые реакторы типа Magnox. B получивших преимущественное распространение легководных реакторах (PWR, BWR, российские ВВЭР, РБМК) используется топливо с повышенным обогащением (до 4,4 % по урану-235). B компактных реакторах специального назначения, в частности транспортных, степень обогащения существенно выше (десятки процентов).

Небольшие различия в массовых числах изотопов какого-либо элемента позволяют, используя физические методы, разделить изотопную смесь на фракции с различным относительным содержанием легких и тяжелых изотопов. Процесс увеличения концентрации ypa-на-235 в полезной фракции называют изотопным обогащением. Ему предшествует конверсия соединений урана в летучий гексафторид (UF6).

Гексафторид урана получают последовательными химическими превращениями через тетрафторид UF4, осаждая последний из урансодержащих растворов (водный процесс) с последующим фторированием в газовой фазе, или непосредственным фторированием оксидов урана (UO2, U3O8) вначале газообразным HF, а затем F2 (сухой процесс). Теоретические температуры фторирования составляют: 2438 К (UO2), 2308 К (U3O8) и 1373 К (UF4), поэтому процесс через UF4 легче осуществим. Из газовой фазы UF6 выделяют, в частности, конденсацией под давлением в жидкую фазу; возможна его десублимация в твердую форму. Обратное преобразование UF6 в UO2 может быть осуществлено реконверсией в кислородноводородном пламени.

Для обогащения урана в мировой практике используют два метода - газодиффузионный и центробежный.

Из фундаментального закона Грэма (1932 г.) о зависимости скорости движения молекул газа от их массы вытекает, что скорость диффузии изотопно различных молекул через пористые перегородки будет также различной. Применительно к газообразной смеси соединений урана-238 и урана-235 более легкий изотоп быстрее проникает через мелкопористую перегородку, и смесь за перегородкой обогащается им. Сложность задачи состоит в том, что реальный коэффициент разделения, обусловленный различиями масс изотопов урана, не превышает для одной разделительной ячейки (одной диффузионной машины) значения 1,002, и для необходимого разделения требуются многоступенчатые (сотни и тысячи машин) каскады с высоким энергопотреблением (примерно 100 МВт). Габаритные размеры одного из таких производств (Ок-Ридж, США) составляют 1600x120 м.

Россия была лидером в промышленном освоении второго направления - обогащения урана с использованием газовых центрифуг; первая установка опробована в 1959 г., а первый в мире завод, оснащенный центрифугами, был пущен в эксплуатацию в 1962-1964 гг. под Екатеринбургом.

Принцип работы газовой центрифуги основан на том, что в газонаполненном (UF6) роторе аппарата при высоких окружных скоростях (более 400 м/с) более тяжелые молекулы (уран-238) концентрируются у стенки ротора и опускаются вниз; через верхний и нижний отборники производится вывод соответственно обогащенной и обедненной фракций. Единичная ступень имеет относительно невысокую разделительную способность (пропорциональную квадрату разности молекулярных масс и четвертой степени линейной скорости вращения ротора). К преимуществам этого метода относится то, что центрифуги имеют малое газонаполнение рабочим веществом, не нуждаются в принудительной перекачке газа; их энергопотребление в 30 раз меньше по сравнению с газодиффузионным процессом. Ресурс работы без остановки центрифуг пятого поколения превышает 15 лет с уровнем отказов не более десятых долей процента в год; ведутся работы по созданию машин шестого поколения.

Центрифужная технология позволяет в перспективе с приемлемой экономической эффективностью обеспечить остаточное со-
держание урана-235 в отвальной фракции не более 0,05 % и снизить потребности в природном уране не менее чем на 50% (в настоящее время в отвалах мировых обогатительных производств, как правило, содержится 0,25...0,3 % урана-235).

В США и РФ в состоянии разработки находится лазерный метод обогащения, однако он далек от промышленного использования.

Крупнейшими производителями обогащенного урана являются Россия, США, Франция (табл. В.3.2).

Ядерная техника

Изотопное обогащение характеризуется высокой ценой продукции (80...ПО долл./ЕРР) и весьма выгодно ее производителям. Себестоимость на предшествующей стадии - конверсии - составляет 6...11 долл./кг урана.

Четыре российских обогатительных производства (два из которых располагают конверсионными установками) имеют суммарные мощности, достаточные для обеспечения потребностей АЭС мощностью 100 ГВт (эл.).


ПОДЕЛИСЬ!