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).
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.).