В ядерной энергетике для работы большинства современных реакторов требуется не природный уран, а топливо с повышенным содержанием делящегося изотопа уран-235. Природный уран содержит лишь около 0,71% этого изотопа, что достаточно только для некоторых специализированных реакторных установок, например, использующих тяжелую воду в качестве замедлителя (типа CANDU) или графитовые реакторы Magnox. Однако широко распространенные легководные реакторы (PWR, BWR, ВВЭР, РБМК) работают на топливе, обогащенном до 3–5% по урану-235. Для компактных энергетических установок, таких как судовые или исследовательские реакторы, степень обогащения может достигать десятков процентов.
Конверсия: подготовка сырья
Процесс увеличения концентрации урана-235 называется изотопным обогащением. Ему обязательно предшествует этап конверсии — химическое преобразование соединений урана в летучее вещество, пригодное для разделения изотопов. Таким веществом является гексафторид урана (UF6), который остается газообразным в широком диапазоне температур.
Существует два основных промышленных метода получения UF6:
- Водный процесс: уран из растворов осаждается в виде тетрафторида (UF4), который затем фторируется в газовой фазе до UF6.
- Сухой процесс: оксиды урана (UO2, U3O8) напрямую фторируют сначала фтороводородом (HF), а затем элементарным фтором (F2).
Процесс через промежуточный UF4 считается более предпочтительным, так как требует меньших температур. Полученный гексафторид урана конденсируют в жидкость или переводят в твердую форму для транспортировки. При необходимости его можно преобразовать обратно в диоксид урана (UO2) для изготовления топливных таблеток с помощью процесса реконверсии в кислородно-водородном пламени.
Методы изотопного обогащения
Для разделения изотопов урана в мировой практике исторически сложились и конкурируют два основных промышленных метода: газодиффузионный и центробежный. Каждый имеет свои принципы, преимущества и недостатки.
Газодиффузионный метод
Этот метод, один из первых, основан на законе Грэма (1832 г.), согласно которому скорость диффузии газа через пористую мембрану обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы. Поскольку молекулы гексафторида урана-235 немного легче, они чуть быстрее проникают через микроскопические поры специальной перегородки. В результате газовая смесь по другую сторону мембраны немного обогащается целевым изотопом.
Главный недостаток метода — крайне низкий коэффициент обогащения на одной ступени (всего около 1,002). Для достижения необходимой концентрации урана-235 требуется создание гигантских многоступенчатых каскадов, состоящих из сотен и тысяч последовательно соединенных диффузионных машин. Такие производства занимают огромные площади (например, завод в Ок-Ридже, США, имел размеры 1600×120 метров) и потребляют колоссальное количество электроэнергии — порядка 100 МВт на один завод.
Центробежный метод
Россия (ранее СССР) стала мировым лидером в разработке и промышленном внедрении более эффективного центробежного метода. Первая опытная установка была опробована в 1959 году, а первый в мире завод, полностью оснащенный газовыми центрифугами, был запущен под Екатеринбургом в 1962–1964 годах.
Принцип работы основан на действии центробежной силы. Газообразный UF6 подается в быстро вращающийся ротор (со скоростью более 400 м/с). Более тяжелые молекулы с ураном-238 прижимаются к стенкам ротора, а более легкие с ураном-235 концентрируются ближе к оси. Специальные отборники выводят обогащенную и обедненную фракции из разных зон аппарата.
Ключевые преимущества газовых центрифуг:
- Значительно меньшее энергопотребление — в 20–30 раз ниже, чем у газодиффузионного метода.
- Высокая надежность: современные центрифуги пятого поколения могут работать непрерывно более 15 лет с очень низким процентом отказов.
- Меньшие капитальные затраты на строительство завода благодаря компактности оборудования.
- Возможность более глубокой отработки сырья, снижая содержание урана-235 в «отвалах» (обедненном гексафториде).
Благодаря центрифужной технологии можно снизить остаточное содержание урана-235 в отвалах с нынешних 0,25–0,3% до 0,05% и менее, что позволит экономить до 50% природного урана.
Перспективы и экономика
Помимо двух основных, ведутся исследования и других методов, например, лазерного обогащения. Однако, несмотря на активные разработки в США и России, этот метод пока не вышел на стадию промышленного применения.
Крупнейшими мировыми производителями обогащенного урана являются Россия, США и Франция. Этап изотопного обогащения — один из самых дорогостоящих в топливном цикле. Стоимость услуг по обогащению (измеряемая в единицах работы разделения — ЕРР) составляет 80–110 долларов, в то время как предшествующая ему конверсия обходится значительно дешевле — 6–11 долларов за килограмм урана.
Российская обогатительная отрасль, представленная четырьмя предприятиями (два из которых имеют собственные конверсионные мощности), обладает значительным потенциалом. Ее совокупных мощностей достаточно для обеспечения топливом атомных электростанций общей мощностью около 100 ГВт (эл.), что подчеркивает ее ключевую роль на мировом рынке ядерного топлива.
