Технологии обогащения урана. Уран: факты и фактики Происходит обогащение урана

Правда что ли, скажете вы, природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.

В данный момент спросом в мире пользуются следующие виды обогащенного урана:

• 1. Природный уран (0,712%). Тяжеловодные реакторы (PHWR), например CANDU
• 2. Слабо-обогащенный уран (2-3%, 4-5%). Реакторы типа вода-графит-цирконий, вода-вода-цирконий, реакторы ВВЭР, PWR, РБМК
• 3. Средне обогащённый уран (15-25%), Быстрые реакторы, реакторы транспортных (ледоколы, ПАТЭС) ЯЭУ
• 4. Высокообогащенный уран (>50%), ТрЯЭУ (подлодки), исследовательские реакторы.

Природный уран проходит только по первому пункту. Если предположить, что у нас в мире потребители урана это только коммерческие реакторы, то PHWR из них - это менее 10%. А если считать все остальное (транспортные, исследовательские) то… короче говоря природный уран ни к селу ни к городу. А значит почти любой потребитель требует наращивания процентного содержания легкого изотопа в смеси 235-238. Более того, уран используется не только в ядерной энергетике, но и в производстве брони, боеприпасов, и еще кое-чего. А там лучше иметь обедненный уран, что в принципе требует тех же процессов, только наоборот.

Про методы обогащения и будет статья.

В качестве сырья для обогащения используют не чистый металлический уран, а гексафторид урана UF 6 , который по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Для химиков отметим, что фторирование урана происходит в вертикальном плазменном реакторе.
Несмотря на все обилие методов обогащения на сегодняшний день только две из них используются в промышленных масштабах - газовая диффузия и центрифуги. В обоих случаях используется газ - UF 6 .

Ближе к делу о разделении изотопов. Для любого метода эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α – отношение доли «легкого» изотопа в «продукте» к его доле в первичной смеси.

Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию разделения изотопов приходится многократно повторять (каскады). Например, для газодиффузионного метода α=1.00429, для центрифуг значение сильно зависит от окружной скорости – при 250м/с α=1.026, при 600м/с α=1.233. Только при электромагнитном разделении α составляет 10-1000 за 1 цикл разделения. Сравнительная таблица по нескольким параметрам будет в конце.

Весь каскад машин по обогащению всегда разбит на ступени. В первой ступени каскада разделения поток исходной смеси разбивается на два потока: обедненный (удаляемый из каскада), и обогащенный. Обогащенный подается на 2-ю ступень. На 2-й ступени однажды обогащенный поток вторично подвергается разделению:
обогащенный поток 2-й ступени поступает на 3-ю, а ее обедненный поток возвращается на предыдущую (1-ю) и т.д. С последней ступени каскада отбирается готовый продукт с требуемой концентрацией заданного изотопа.

Коротко расскажу про основные методы разделения, применявшиеся когда либо в мире.

Электромагнитное разделение

По этому методу возможно разделить компоненты смеси в магнитном поле, причем с высокой чистотой. Электромагнитное разделение является исторически первым методом, освоенным для разделения изотопов урана.

Поскольку разделение можно выполнить с ионами урана, то конверсия урана в UF 6 в принципе - не обязательна. Этот метод дает высокую чистоту, но низкий выход при больших энергозатратах. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем. Ионный пучок попадает в вакуумную разделительную камеру в магнитном поле Н, направленном перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим окружностям с различными (в зависимости от массы) радиусами кривизны. Достаточно взглянуть на картинку и вспомнить школьные уроки, где все мы считали, по какому радиусу полетит электрон или протон в магнитном поле.

Схема, демонстрирующая принцип электромагнитного разделения.

Преимущество способа – использование относительно простой технологии (калютроны : CAL ifornia U niversity).
Применялся для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имел 5184 разделительные камеры - «калютроны», и впервые позволил получить килограммовые количества 235U высокого обогащения – 80% или выше.

В Манхэттенском проекте калютоны использовались после термодиффузии – на альфа-калютроны поступало сырье 7% (завод Y-12) и обогащась до 15%. Уран оружейного качества (до 90%) получался на бета-калютронах на заводе Y-12. Альфа и бета калютроны не имеют ничего общего с альфа и бета частицами, просто это две «линии» калютронов, одна для предварительного, вторая для конечного обогащения.

Метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Двух проходов достаточно для обогащения выше 80% из бедного вещества с исходным содержанием менее 1%. Производительность определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов - до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам).

Один из цехов электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США)

Гигантский альфа-калютрон того же завода

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» - специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Если пропускать газ, состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, состоящую из большого числа малых отверстий, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем,… т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Соответственно, газ, прошедший мимо сеток, оказывается обедненным легкими молекулами. Практически же всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вследствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим.

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал - должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

«О состоянии научно-исследовательских и практических работ Лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом»

Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и является разделительной ступенью

В качестве газа мы употребляем шестифтористый уран. Это соль, обладающая довольно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Что касается сеток, то к ним предъявляется требование, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул приблизительно равна 1/10000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.

В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90% легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней. Общая площадь сеток (площадью сеток определяется производительность всей установки) составит около 8000 м 2 . Общая мощность, расходуемая компрессорами, составит 20 000 кВт.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Применялся как одна из первых ступеней обогащения. В Манхэттенском проекте завод К-25 обогащал уран с 0.86% до 7%, далее сырье шло на калютроны. В СССР – многострадальный завод Д-1, а так же последовавшие за ним заводы Д-2 и Д-3, и так далее.

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип - более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

В Манхэттенском проекте это завод S-50 – он обогащал природный уран до 0.86%, т.е. всего в 1.2 раза увеличивал обогащение по пятому урану. В СССР работы по жидкостной диффузии велись Радиевым институтом в послевоенное время, но никакого развития это направление не получило.

Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте - Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Аэродинамическая сепарация

Аэродинамическая сепарация это своего рода вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа он завихряется в специальной форсунке. Вместо тысячи слов – см. рисунок, т.н. «сопло Беккера» для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении. Гексафторид урана очень тяжелый газ и приводит к износу мелких деталей форсунок (см. масштаб), и может переходит в твёрдое состояние на участках повышенного давления (например на входе в форсунку), по этому гексафторид разбавляют водородом. Понятно, что при 4% содержании сырья в газе, да еще и пониженном давлении эффективность такого способа не велика. Развивалась этот способ пытались в ЮАР и ФРГ.

Все что вам нужно знать о аэродинамической сепарации есть на этой картинке

Варианты форсунок

Газовое центрифугирование

Наверное каждый человек (а гик уж и подавно!) слышавший хоть раз атомную энергетику, бомбы и обогащение, в общих чертах знает что такое центрифуга, как она работает и что в конструировании таких приборов есть много сложностей, секретов и ноу-хау. Поэтому про газовое центрифугирование скажу буквально пару слов. Однако, чесно говоря, газовые центрифуги имеют очень богатую историю развития и заслуживают отдельной статьи.

Принцип работы – разделение за счет центробежных сил в зависимости от абсолютной разницы в массе. При вращении (до 1000 об/с, окружная скорость – 100 - 600 м/с) более тяжелые молекулы уходят на периферию, более легкие – в центре (у ротора). Этот метод на данный момент является самым продуктивным и дешевым (исходят из цены $/EPP).

Гугл изибилует схематичными картинками устройства центрифуги, я лишь приведу пару фотографий как выглядит собранный каскад. В таком помещении кстати говоря достаточно жарко – гексафоторид урана там находится далеко не при комнатной температуре, и весь такой каскад нужно еще и охлаждать.

Каскад центрифуг фирмы URENCO. Большие, метра под 3 в высоту.

Бывают и поменьше, около полуметра. Наши отечественные.

Для понимания масштабов, или что такое «цех от горизонта до горизонта».

Лазерное обогащение

Физический принцип лазерного обогащения в том, что атомные энергетические уровни различных изотопов незначительно отличаются.
Этот эффект может быть использован для разделения U-235 от U-238, как в атомарном - AVLIS, так и в молекулярном виде - МLIS.

В методе используются пары урана, и лазеры, которые точно настроены на определенную длину волны, возбуждая атомы именно 235-го урана. Далее ионизированные атомы удаляются из смеси электрическим или магнитным полем.

Технология очень простая, и, вобще говоря, не требует каких то супер-сложных механических устройств типа диффузионных сеток или центрифуг, одна есть и другая проблема.
В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Планируемое обогащение - до 8%. Однако лицензирование приостановили - по причине проблем с распространением технологии. Современные технологии обогащения (диффузионная и центрифугирование) требуют специального оборудования, настолько специального, что, вобще говоря, при желании через мониторинг международных контрактов можно косвенно предположить, кто собирается «по тихому» (без ведома МАГАТЭ) обогащать уран или вести работы по этому направлению. И такой мониторинг действительно ведется. В случае, если лазерный метод обогащения докажет свою простоту и эффективность, работы по оружейному урану могут начать вести там, где это не очень нужно. По этому пока лазерный метод как то подминают.

К лазерным методам можно отнести так же и молекулярный метод, основанный на том, что на инфракрасных или ультрафиолетовых частотах происходит избирательное поглощение газом 235 UF 6 инфракрасного спектра, что в дальнейшем позволяет использовать метод диссоциации возбужденных молекул или химическое разделение.
Относительное содержание U-235 может быть увеличено на порядок уже в первой стадии. Таким образом, одного прохода достаточно, чтобы обеспечить обогащение урана, достаточное для ядерных реакторов.

Пояснения к «молекулярному» методу с химическим разделением.

Преимущества лазерного обогащения:

• Потребление электроэнергии: в 20 раз менее, чем для диффузии.
• Каскадность: число каскадов (от 0,7% до 3-5% по U-235) – менее 100, по сравнению с 150 000 центрифуг.
• Стоимость завода – существенно меньше.
• Экологичность: вместо гексафторида урана используется менее опасный металлический уран.
• Потребность в природном уране – на 30% меньше.
• На 30% меньше хвостохранилищ (хранилища отвала).

Сравнение показателей различных методов

Обогащение урана в России

В настоящее время в России действует четыре обогатительных комбината:

На этом все. Спасибо за внимание.

От редактора: Сообщения в новостях о ядерной деятельности Ирана вновь свидетельствуют об актуальности темы обогащения урана. Этот выпуск журнала SDA призван подкрепить аргументированную дискуссию информацией и анализом о состоянии и процессе обогащения урана.

В статье описаны процесс и технологии обогащения урана, а также приведена небольшая историческая справка. В кратко представлена информация о рабочем состоянии урановых обогатительных производств в различных странах мира. Проверить свои знания в области обогащения урана можно, ответив на .

Статья, таблица и тест основаны на отчете , опубликованном в октябре 2004 года IEER для Института исследований ядерной политики (Nuclear Policy Research Institute). Ссылки представлены в отчете.

Знания и возможности в области обогащения урана получили довольно широкое распространение и в атомной энергетике, и в создании ядерного оружия. Во многом этот процесс уже вышел из-под контроля. И это вызывает особое беспокойство в свете возникающих предложений, которые в ближайшие десятилетия вполне могут стимулировать более широкое применение атомной энергии в мире.

Например, для того, чтобы обеспечить топливом тысячу АЭС мощностью 1000 мгвт (распространенный пример во многих программах ядерного развития), потребуется глобальная мощность обогащения урана, которая примерно в 9-10 раз превышает производства, действующие сегодня в США. Если хотя бы один процент такой мощности был бы задействован для получения высокообогащенного урана (ВОУ), то ежегодно производились бы такие объемы ВОУ, которые позволили бы создать от 175 до 310 единиц ядерного оружия. С учетом расширенной торговли специализированными матери алами, необходимыми для возведения и эксплуатации газогенераторных центрифужных и прочих обогатительных установок, которые способны привести к увеличению производства атомной энергии, определить законность торговли и распространения якобы "мирных" технологий станет еще труднее.

Очень важно обращать внимание на государства, такие как Иран, которые в настоящее время добились успехов в своих попытках обеспечить поддержку программе создания ядерного оружия. Однако не менее важно помнить о том, насколько широко распространена технология обогащения урана и насколько может вырасти угроза, если допустить применение данных технологий в любой точке мира в стремлении расширить рамки использования атомной энергии. Другими словами, мы правильно поступаем, не игнорируя страны, которые имеют современные программы по ядерному оружию и атомной энергии, а учитывая их внушительный потенциал для распространения и менее впечатляющую репутацию в этой сфере 1 . У всех пяти ядерных держав-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) - США, России, Великобритании, Франции и Китая - есть заводы по обогащению урана, которые когда-то использовались для производства оружейного ВОУ. Все пять государств также обладают полномасштабными обогатительными производствами, которые участвовали в производстве низкообогащенного урана (НОУ), применяемого в качестве топлива для промышленных ядерных реакторов.

Помимо пяти известных государств, обладающих ядерным оружием, еще только у трех стран есть урановые обогатительные предприятия, которые использовались в производстве большого количества топлива для промышленных ядерных реакторов. Однако существует ряд других стран, которые занимались технологиями обогащения, и некоторые из них замечены или подозреваются в использовании обогатительного потенциала в военных целях. В кратко представлена доступная на сегодняшний день информация о рабочем состоянии урановых обогатительных производств в различных странах мира.

В Пакистане, одном из тех государств, которые создали ядерное оружие, не будучи участниками ДНЯО, есть комбинаты, где обогатили ВОУ в военных целях. Как известно, Южная Африка также произвела ядерное оружие с помощью обогащенного урана, полученного на собственных производствах. С другой стороны, Индия и Израиль создали атомные бомбы из плутония-239 (который производится в ядерных реакторах, когда нерасщепляющийся уран-238 поглощает нейтрон с малой энергией). Северная Корея, которая в январе 2003 года вышла из ДНЯО, не уведомив об этом, как положено, за три месяца, дает повод для серьезных подозрений в производстве небольшого количества ядерного оружия с применением плутония. Вопрос о возможном продолжении программы по обогащению урана в Северной Корее также остается открытым.

Уран

Только один элемент, который встречается в природе, является сырьем для создания атомных бомб. Это уран, химический знак "U" 2 . Отличительным свойством урана, которое необходимо для производства ядерного оружия и атомной энергии, является его способность к расщеплению или делению на две более легкие фракции с помощью облучения нейтронами и к высвобождению энергии в этом процессе.

Природный уран (то есть тот, который добывается из недр земли) встречается в виде сочетания трех различных изотопов, то есть атомов с тремя различными атомными массами, обладающими фактически одинаковыми химическими, однако различными ядерными свойствами. Этими изотопами являются уран-234, уран-235 и уран-238. Уран-234 - это высокорадиоактивный микроэлемент, обнаруженный в природном уране. Уран-235 - это единственное расщепляющееся вещество, встречающееся в природе в значительном количестве. Уран-238 - этот изотоп превалирует в природном уране (99,284 % массы выборки природного урана составляет уран-238), но он не поддается расщеплению. Однако уран-238 можно разделить с помощью нейтронов с высокой энергией, высвобождая большие объемы энергии, и поэтому его нередко используют для увеличения взрывной силы термоядерных или водородных бомб.

Некоторые свойства этих трех изотопов, обнаруженных в природном уране, кратко представлены в Tаблице 1. Поскольку уран-234 составляет очень маленькую долю в общей массе природного урана и не используется в каких-либо серьезных программах, в данной статье мы подробно остановимся только на двух других изотопах - уран-235 и уран-238.

Таблица 1: Краткая информация об изотопах урана

Благодаря небольшому количеству U-235, природный уран в определенных условиях может поддерживать цепную реакцию, и таким образом является топливом для определенных типов реакторов (графитовые ядерные и тяжеловодные ядерные реакторы 3 - последние продает Канада в промышленном масштабе). В самом распространенном на сегодняшний день типе реактора (легководный ядерный), в котором обыкновенная вода служит охлаждающим и замедляющим средством, для поддержания реакции доля U-235 в топливе должна превышать 0,7% - уровень его содержания в природном уране.

Комплекс производственных процессов, производимых для повышения процента U-235 в установленном количестве урана называется "обогащением урана". Здесь термин "обогащение" означает повышение процента расщепляющегося изотопа U-235. В легководных ядерных реакторах обычно используют от 3 до 5 процентов обогащенного урана, то есть доля U-235 в топливе составляет от 3 до 5%, а остальная часть фактически состоит из U-238. Вещество с таким уровнем содержания U-235 называется "низкообогащенным ураном" или НОУ.

Атомные бомбы невозможно создать из природного или низкообогащенного урана. Доля U-235 слишком мала и не обеспечивает нарастающую "сверхкритическую" цепную реакцию за довольно короткое время, чтобы произвести взрыв. Для создания атомной бомбы содержание U-235 в уране должно быть как минимум около 20%. Однако бомба из урана, обогащенного в такой минимальной степени, была бы слишком объемна для доставки, поскольку потребовалось бы огромное количество урана и еще больше обычных взрывчатых веществ для его сжатия в сверхкритическую массу.

На практике уран, в котором содержится не менее 90% U-235, уже использовался для создания ядерного оружия. Вещество с таким уровнем обогащения называется высокообогащенным ураном или ВОУ. Атомная бомба, уничтожившая Хиросиму 6 августа 1945 года, была создана примерно из 60 килограмм ВОУ. Высокообогащенный уран также применяется в исследовательских и морских ядерных реакторах - на авианосцах и подводных лодках. ВОУ, предназначенный для исследовательских ядерных реакторов, может особенно заинтересовать тех, кто хотел бы совершить диверсию с использованием ядерного оружия, поскольку охраняется, как правило, хуже и зачастую находится в городах или на территории университетов. В отличие от облученного ядерного топлива для реактора, необлученный ВОУ не несет радиоактивной опасности..

Такой же процесс и производство можно использовать, обогащая уран для топлива в промышленных легководных реакторах, то есть для создания НОУ, а также получения ВОУ для атомных бомб. Таким образом, все технологии обогащения урана являются потенциальными источниками распространения ядерного оружия. Кроме того, некоторые другие способы обогащения урана выявить намного труднее, и это прибавляет дополнительные опасения, связанные с возможным существованием нелегальных программ.

Обогащение урана

Поскольку все изотопы урана обладают фактически одинаковыми химическими свойствами, повышение доли урана-235 в выборке зависит от разницы атомных масс изотопов (которым присвоены следующие номера: 234, 235 и 238). U-238 тяжелее U-235 чуть более одного процента. Если уран обратить в газообразное состояние, тогда молекулы, содержащие более легкий U-235, в среднем будут двигаться с большей скоростью (при заданной температуре) по сравнению с более тяжелыми молекулами, содержащими U-238.

В ходе обычного процесса обогащения, поток преобразованного в газ природного урана, содержащего U-235 и U-238, делится на два потока благодаря небольшой разнице в массах этих двух изотопов. Один поток становится богаче ураном-235 ("обогащенный" поток урана), при этом другой становится беднее этим изотопом ("обедненный" поток урана, где термин "обедненный" означает более низкий процент U-235 по отношению к природному урану). Более подробная информация о процессах обогащения представлена ниже, в главе "Технологии обогащения" 4 .

Мощность урановой обогатительной установки по повышению процента U-235 представлена в единицах, которые называются килограммом Единицы разделительной работы (ЕРР) (Separative Work Units - SWU, по-английски произносятся "свуз"). В предприятиях производственного уровня мощности установок, как правило, составляют от нескольких сот до нескольких тысяч метрических тонн ЕРР (MTЕРР) в год. (1 MTЕРР = 1000 ЕРР.) Единица разделительной работы - это комплексная единица, которая зависит как от доли U-235, которую хотят получить в обогащенном потоке, так и от того, сколько U-235 из исходного вещества остается в потоке, обедненном данным изотопом. Единицу ЕРР (SWU) можно рассматривать как количество усилий, которые необходимо приложить для достижения установленной степени обогащения. Чем меньше U-235 из исходного вещества следует оставить в обедненном уране, тем больше ЕРР необходимо для достижения желаемой степени обогащения 5 .

Количество ЕРР, обеспечиваемое обогатительной установкой, напрямую зависит от объема энергии, потребляемой этой установкой. Две самые распространенные технологии обогащения на сегодняшний день, о которых подробно написано ниже, значительно отличаются в своем энергопотреблении. Для современных газодиффузионных установок, как правило, требуется от 2400 до 2500 киловатт-час (кВ-ч) электроэнергии на ЕРР, тогда как газогенераторные центрифужные установки потребляют только 50-60 кВ-ч электроэнергии на ЕРР.

Для того чтобы обеспечить типовой легководный ядерный реактор мощностью 1000 мегаватт электроэнергии, использующий обогащенный уран в качестве топлива, потребуется примерно от 100 000 до 120 000 объема услуг по обогащению урана в ЕРР в год. Если бы такое обогащение было обеспечено за счет газодиффузионной установки (по примеру функционирующей сегодня в городе Падьюка, штат Кентукки, США), тогда на процесс обогащения ушло бы примерно 3-4% от объема электроэнергии, генерированного данным реактором 6 . С другой стороны, если бы обогащение топливного урана было проведено в газогенераторных центрифугах (которые действуют сегодня во многих регионах мира), тогда на процесс обогащения ушло бы менее 0,1% от объема электроэнергии, генерированного ядерной установкой за год.

Помимо килограмма ЕРР, стоит рассмотреть еще один важный параметр. Это масса природного урана, которая необходима для получения желаемой массы обогащенного урана. Как и с количеством ЕРР требуемое количество исходного материала также будет зависеть от желаемой степени обогащения, а также от количества U-235, которое остается в обедненном уране. Требуемое количество природного урана будет сокращаться при уменьшении доли U-235, которую необходимо оставить в обедненном уране.

К примеру, при обогащении НОУ для легководного ядерного реактора в обогащенном потоке обычно содержится 3,6% U-235 (по сравнению с 0,7% в природном уране), а в обедненном потоке содержится от 0,2 до 0,3 процента U-235. Для выработки одного килограмма такого НОУ потребуется примерно 8 килограмм природного урана и 4,5 ЕРР, если допустимая доля U-235 в обедненном урановом потоке составляет 0,3%. С другой стороны, если в обедненном потоке останется только 0,2% U-235, тогда потребуется всего лишь 6,7 килограмма природного урана, однако - около 5,7 ЕРР для обогащения.

Для получения одного килограмма высокообогащенного урана (то есть урана, содержащего 90% U-235), потребуется более 193 ЕРР и почти 219 килограммов природного урана при условии, что в обедненном уране останется 0,3% U-235. Если допустимая доля U-235 в обедненном уране составит 0, 2%, потребуется почти 228 ЕРР и более 176 килограмм природного урана.

В Таблице 2 представлена краткая информация о затратах (на природный уран и услуги по его обогащению), которые требуются для получения одного килограмма НОУ и одного килограмма ВОУ с долей U-235, составляющей 0,2% и 0,3% в обедненном урановом потоке.

Таблица 2: Затраты на получение одного килограмма низкообогащенного урана
и одного килограмма высокообогащенного урана

С учетом того, что требуемый объем природного урана и ЕРР в процессе обогащения меняются в противоположном направлении для установленной степени обогащения, природный уран дешев, а услуги по его обогащению дороги, владельцы обогатительных установок согласятся на "выброс" большей доли U-235 в обедненный поток (то есть, им будет выгоднее использовать больше природного урана и меньше ЕРР). С другой стороны, если природный уран дороже услуг по его обогащению, тогда владельцы установок выберут обратный вариант.

Для того чтобы обогатить уран для атомной бомбы, эквивалентной той, что США сбросили на Хиросиму (это примерно 60 кг ВОУ), потребовалось бы от 10,6 до 13,1 метрических тонн природного урана, а также от 11 600 до 13 700 ЕРР для обогащения. Однако для создания более сложных видов ядерного оружия потребовалось бы намного меньше половины этого количества. Для современного типа урановых бомб обычно требуется только 20-25 килограмм ВОУ.

Если вместо природного урана в качестве исходного вещества для выработки ВОУ использовался бы низкообогащенный уран (содержащий 3,6% U-235), тогда для получения одного килограмма высокообогащенного урана потребовалось бы лишь 70-78 ЕРР и 26-27 килограмм исходного вещества. Это значит, что для получения ВОУ, необходимого для создания эквивалента бомбы, сброшенной на Хиросиму, потребовалось бы обогатить всего лишь 1,6 тонны НОУ, то есть меньше одной десятой от общего количества НОУ, необходимого для ежегодного снабжения топливом одного ядерного реактора мощностью 1000 мгвт. Таким образом, примерно две трети совокупного объема услуг по обогащению урана, необходимого для получения оружейного ВОУ, участвует в обогащении урана из природного урана (0,7% U-235) в НОУ (3,6% U-235). При этом только около одной трети совокупного объема услуг участвует в обогащении НОУ с окончательной переработкой его в ВОУ (90% U-235), как показано на схеме.

Таким образом, запасы низкообогащенного урана, если их поддерживать в состоянии, удобном для обогащения (то есть таком, как гексафторид урана), могут стать исходным веществом для более легкого и быстрого получения высокообогащенного урана, применяемого для создания ядерного оружия. Это одна из самых опасных сторон широкого распространения технологий обогащения в рамках распространения ядерной энергетики.

Услуги по обогащению, необходимые для получения высокообогащенного урана из природного урана

Технологии обогащения

Широкое применение получили четыре технологии обогащения урана. Три из них - газовая диффузия, газовое центрифугирование и форсунка / аэродинамическое разделение - основаны на конверсии урана в газ гексафторид урана (UF 6). Четвертый метод - электромагнитное разделение - основан на использовании ионизированного уранового газа, получаемого из твердого тетрахлорида урана (UCL 4).

Газовая диффузия

Процесс газовой диффузии использовался для обогащения почти всего низко- и высокообогащенного урана, который производился в США. Впервые этот метод был разработан в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта и был частично применен при обогащении урана для бомбы, сброшенной на Хиросиму. Все пять известных ядерных держав-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) в тот или иной период времени ввели в эксплуатацию газодиффузионные установки, однако на сегодняшний день такие объекты продолжают функционировать только в США и Франции. Для процесса диффузии необходимо закачать уран, находящийся в газообразном состоянии, через большое количество пористых барьеров. Это очень энергоемкий процесс.

Для того чтобы превратить уран в газообразное состояние, при котором он может участвовать в процессе газовой диффузии, осуществляют конверсию природного урана в гексафторид урана (UF 6). Молекулы гексафторида урана, содержащие атомы U-235, будучи немного легче, станут двигаться через каждый барьер с несколько более высокой степенью разделения, нежели те, которые содержат атомы U-238. Для визуализации этого процесса можно привести пример продувания песка через множество решет. Более мелкие песчинки будут преимущественно проходить через каждое решето и, таким образом, после каждой ступени отсеивания они будут составлять несколько более высокий процент от общего объема песчинок, по сравнению с тем процентом, который они имели на предыдущей ступени просеивания. Схема одной из таких ступеней просеивания в газодиффузионной установке представлена на Рисунке 1.

Разница в массах, а значит и скоростях молекул UF 6 , содержащих U-235 и U-238, невелика. Таким образом, чтобы обогатить большие промышленные или военные объемы урана, необходимы тысячи ступеней обогащения. В газодиффузионной установке ступени построены в "каскады", которые позволяют на каждой ступени приращивать обогащение, полученное на предыдущих ступенях, а также более эффективно использовать обедненный урановый поток. Чтобы понять масштаб такого производства, нужно знать, что на момент строительства газодиффузионного завода, возведенного в начале 1940-х годов в городе Ок-Ридж, штат Теннеси, США, это был крупнейший промышленный объект в мире.

Наиболее сложной задачей при возведении газодиффузионной установки является производство проницаемых барьеров, которые необходимы для работы диффузоров. Материал для таких барьеров должен быть высокопрочным и способным поддерживать одинаковый диаметр пор в течение нескольких лет работы установки. Это очень сложная задача при использовании газа гексафторида урана, который обладает высококоррозионным свойством. Толщина типичных барьеров составляет всего 5 миллиметров (менее 0,2 дюйма), а их отверстия лишь в 30-300 раз больше диаметра одного атома урана.

Помимо того, что в ходе работы установки требуются большие объемы электроэнергии, компрессоры в газодиффузионных производствах также генерируют много тепла, которое нужно рассеивать. В американских установках теплоотдача происходит с помощью истощающих озон хлорфторуглеродов (CFCs), таких как охладитель CFC-114 (нередко его называют фреон или фреон-114). Производство, ввоз, а также применение CFC было серьезно ограничено в 1987 году Монреальским протоколом о веществах, которые истощают озоновый слой (Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer) и который США выполняют посредством поправок 1990 года к Закону о контроле над загрязнением воздуха (Clean Air Act).

В результате таких мер производство фреона в США было прекращено в 1995 году. С 1991 по 2002 годы выбросы этого вещества в атмосферу со стороны крупных потребителей в США сократились почти на 60%. Однако выбросы газодиффузионного завода в городе Падьюка (штат Кентукки, США) остались фактически на том же уровне за данный период, сократившись всего на 7% с 1989 по 2002 годы. В 2002 году Падьюкский обогатительный завод выбросил в атмосферу более 197,3 метрических тонны фреона через негерметичные трубы и прочее оборудование. Только с одного этого объекта в атмосферу попало свыше 55% всех выбросов этого истощающего озоновый слой CFC со всех крупных производств США за 2002 год.

Из-за того, что с 1995 г. фреон в США не производится Американская корпорация по обогащению урана (USEC) 7 в настоящее время ищет теплоноситель, который не содержит CFC. Но любые другие охладители все равно будут иметь тепловой улавливающий потенциал, и таким образом, даже если они не будут представлять опасность для озонового слоя, они все равно останутся потенциально опасными с точки зрения глобального потепления и изменения климата.

Характерная особенность газодиффузионных установок - большое выделение тепла - позволяет выявить те из них, функционирование которых значительно превышает 100 MTЕРР в год. Однако подобная информация, скорее всего, будет значима лишь для выявления деятельности на известных установках, но не на нелегальных объектах, поскольку существует много других промышленных процессов с выделением больших объемов тепла. Следовательно, несмотря на то что такие обогатительные урановые производства, как газодиффузионные установки практически невозможно скрыть из-за их размеров, потребности в электроэнергии и тепловыделения, все-таки крайне сложно выявить какой-либо объект на расстоянии, не имея доступа к экологическим выборкам на прилегающих территориях (например, образцы почвы), которые могут убедительно указывать на присутствие обогащенного урана.

Газовое центрифугирование

В настоящее время газовое центрифугирование - основной метод обогащения урана в мире. Эта технология обсуждалась в США в рамках Манхэттенского проекта, однако для полномасштабного производства дальнейшее развитие получили такие методы, как газовая диффузия и электромагнитное разделение. Позднее метод центрифугирования был разработан в России группой специалистов под руководством австрийских и немецких ученых, попавших в плен во время второй мировой войны. Со временем руководитель научной группы в России был освобожден. Сначала он привез эту технологию в США, а затем в Европу, где приступил к внедрению этого метода для обогащения промышленного ядерного топлива.

Центрифугирование - это распространенный метод, применяемый в различных целях, например, при отделении плазмы от более тяжелых красных клеток крови. Цикл вращения в стиральной машине работает по аналогичному центрифужному принципу. В процессе обогащения газообразный гексафторид урана подают в быстро вращающиеся цилиндры. Для достижения максимальной степени обогащения на каждой ступени современные центрифуги способны вращаться со скоростью, приближенной к скорости звука. Именно по этой причине управлять процессом центрифугирования крайне сложно, поскольку при высокой степени вращения необходимо, чтобы центрифуга была прочна, практически идеально сбалансирована и готова к эксплуатации в таком виде в течение многих лет без остановки на техническое обслуживание.

Внутри вращающейся центрифуги более тяжелые молекулы, содержащие атомы U-238, преимущественно движутся по направлению к внешней стороне цилиндра, а более легкие молекулы, содержащие U-235, остаются ближе к центральной оси. Затем газ в этом цилиндре начинает циркулировать снизу вверх, продвигая обедненный уран, который находится ближе к внешней стенке, по направлению к верхней части, а газ, обогащенный U-235 - от центра по направлению к нижней части. Затем два потока, один обогащенный, а другой обедненный, можно извлечь из центрифуги и ввести на соседние ступени для формирования каскада, который описан выше, с диффузорами в газодиффузионных установках. Схема подобной центрифуги представлена на Рисунке 2.

Подобно газодиффузионному процессу, обогащение урана с помощью газового центрифугирования требует от тысяч до десятков тысяч стадий, чтобы обогатить большие объемы урана в промышленных или военных целях. Кроме того, подобно газодиффузионным установкам, в центрифужных необходимо использовать специальные материалы для предотвращения коррозии, которую вызывает гексафторид урана и который, вступив в реакцию с влагой, может образовать высококоррозионный газ из фтористоводородной кислоты. Одним из наиболее важных преимуществ газового центрифугирования перед газодиффузионным процессом является то, что при достижении одинаковой степени обогащения на данный процесс уходит в 40-50 раз меньше электроэнергии. Использование центрифуг также помогает сократить объем использованного тепла, которое генерируется при сжатии газа UF 6 , и таким образом уменьшить количество требуемых для этого охладителей, таких как фреон.

Несмотря на большую мощность разделения на каждой стадии по сравнению с газодиффузионным процессом, здесь, как правило, требуется намного меньше урана, который можно пропустить через каждую стадию в центрифуге за определенное время. Обычные современные центрифуги способны достигать примерно от 2 до 4 ЕРР ежегодно. Поэтому для обогащения достаточного объема оружейного ВОУ в год, который можно использовать при создании ядерного оружия, эквивалентного сброшенному на Хиросиму, потребуется от 3000 до 7000 центрифуг. Подобное производство способно потреблять от 580 000 до 816 000 кВ-ч электроэнергии, которую может обеспечить установка мощностью менее 100 киловатт. При создании современных видов оружия эти цифры могут сократиться до 1000-3000 центрифуг и 193 000-340 000 кВ-ч.

Ожидается, что степень обогащения на каждой стадии в современных моделях центрифуг в десять раз превысит ту, что обеспечивают центрифуги, действующие в настоящее время. Это способно еще больше сократить затраты на производство ВОУ. Как сообщают источники, продажа старой модели европейской центрифуги в такие страны, как Ливия, Иран и Северная Корея через сеть, возглавляемую компанией A.Q. Khan, которая раньше руководила программой ядерного оружия в Пакистане, вызывает особое беспокойство с точки зрения ядерного распространения, поскольку центрифуги обладают меньшими габаритами и энергопотреблением в процессе обогащения.

Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов урана (EMIS)

Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов - это третий тип обогащения урана, который широко применялся в прошлом. Установка по электромагнитному разделению была разработана в рамках Манхэттенского проекта в городе Ок-Ридж, штат Теннеси. Этот метод применяли для обогащения природного урана и последующего обогащения урана, первоначально переработанном на газодиффузионном заводе, который также находился на комбинате в Ок-Ридже. Использование этой установки было приостановлено сразу после войны из-за ее дороговизны и низкой производительности.

Ирак создал эту технологию в 1980-х годах в рамках своей программы по производству ВОУ из-за ее относительной простоты. Однако она производила лишь небольшие объемы среднеобогащенного урана (только выше 20%).

Процесс электромагнитного разделения основан на том, что, двигаясь в магнитном поле, заряженная частица следует по криволинейной траектории, радиус которой зависит от массы частицы. Более тяжелые частицы будут проходить более широкий цикл по сравнению с более легкими частицами при условии, что эти частицы одинаково заряжены и двигаются с одинаковой скоростью.

В процессе обогащения тетрахлорид урана ионизируют в плазму урана, то есть нагревают твердое соединение UCL 4 , и образуется газ, который затем облучают электронами для получения свободных атомов урана, которые потеряли электроны и становятся положительно заряженными. Затем ионы урана ускоряют и пропускают через сильное магнитное поле. После прохождения половины цикла, пучок ионизированных атомов урана разделяется на обедненную часть, расположенную ближе к внешней стенке, и на обогащенную U-235 часть, которая расположена ближе к внутренней стенке.

Из-за большого энергопотребления при создании сильного магнитного поля, а также низкого темпа отбора исходного уранового вещества, к тому же более медленного и менее удобного функционирования такой установки, метод электромагнитного разделения неперспективен для обогатительных заводов промышленного масштаба, в особенности, в свете действующих на сегодняшний день высокоразвитых моделей газогенераторных центрифуг.

Форсунка / Аэродинамическая сепарация

Последний процесс обогащения урана, который получил широкое применение, называется аэродинамической сепарацией. Сначала этот способ был разработан в Германии и использован правительством Южной Африки во времена апартеида на заводе, который предположительно возвели для обеспечения низкообогащенным ураном южноафриканские промышленные АЭС, а также для получения небольшого количества высокообогащенного урана с целью обеспечения топливом исследовательского ядерного реактора. На самом деле этот обогатительный завод также поставлял примерно 400 килограммов урана, обогащенного более чем на 80% для военных целей. В начале 1990-х годов президент Южной Африки Фредерик де Клерк объявил о прекращении всей военной ядерной деятельности и уничтожении всех существующих бомб. Эти задачи были выполнены через полтора года - сразу после того, как Южная Африка стала участницей ДНЯО и перед тем, как начали действовать проверки и гарантии Международного агентства по атомной энергии.

Аэродинамическая сепарация изотопов (куда входят форсунка и спиральная волна) достигает обогащения аналогичным образом, как и метод газового центрифугирования, в том смысле, что газ форсируют по криволинейной траектории, которая движет более тяжелые молекулы, содержащие U-238, по направлению к внешней стенке, а более легкие молекулы, содержащие U-235, остаются ближе к внутренней. В форсуночных установках, газ гексафторид урана вытесняется под давлением за счет гелия или водородного газа для увеличения скорости газового потока. Затем это соединение пропускают через множество маленьких трубочек круглого сечения, которые отделяют внутренний обогащенный поток от внешнего обедненного потока.

Форсунка / аэродинамическая сепарация относится к числу менее экономичных из всех применяемых технологий обогащения, особенно с учетом наличия технических сложностей производства разделительных форсунок и большого энергопотребления при сжатии UF 6 и смеси газа-носителя. Как и в газодиффузионных установках, в ходе работы установки по аэродинамической сепарации также происходит генерирование больших объемов тепла, которые в свою очередь требуют большого количества таких как фреон охладителей.

Другие технологии

Существует ряд других способов обогащения урана. Это AVLIS - технология лазерного разделения изотопов в атомарной форме, MLIS - молекулярный метод лазерного разделения изотопов, CRISLA - химическая реакция через избирательную изотопную лазерную активацию, а также химическое и ионное обогащение, которые также были разработаны, однако в основном пока находятся в стадии испытаний или демонстрации и не применялись для обогащения урана в промышленных или военных целях.

Такие процессы, как AVLIS, CRISLA и MLIS используют незначительную разницу в атомных свойствах U-235 и U-238 для того, чтобы с помощью мощных лазеров преимущественно возбуждать или ионизировать один изотоп над другим. В методе AVLIS используют урановый металл в качестве исходного вещества, а также электростатические поля для отделения положительно заряженных ионов U-235 от незаряженных атомов U-238. В технологиях MLIS и CRISLA в качестве исходного вещества применяют гексафторид урана, соединенный с другими технологическими газами, а также используют два различных лазера с тем, чтобы возбудить, а затем химически изменить молекулы гексафторида урана, содержащие U-235, которые затем можно отделить от других молекул, содержащих U-238, не подвергшихся воздействию лазера. Технология AVLIS была разработана Американской корпорацией по обогащению урана для промышленного применения, однако в конце 1990-х годов от нее отказались из-за ее нерентабельности. При этом в других странах также прекратили применять все известные производственные программы с технологиями AVLIS и MLIS. Однако небольшая работа все же идет на предполагаемых исследовательских объектах, где применяют данные технологии по изотопному разделению урана, а также других радионуклидов, включая плутоний.

Существует также метод обогащения, который использует небольшую разницу в химических свойствах изотопов для отделения U-235 от U-238. Это так называемые химический и ионный процессы обогащения, которые были разработаны в рамках программ правительства Франции и Японии. С помощью специальных растворов уран можно разделить на обогащенную часть, которая содержится в одном потоке растворителя, и обедненную часть, содержащуюся в другом потоке растворителя, который не смешивается с первым - так же как масло и вода. Эта технология обогащения была применена в Ираке. На сегодняшний день все известные программы, включающие и этот способ, закрыты, как минимум, с начала 1990-х годов.

Все эти технологии обогащения демонстрировались не очень широко, хотя некоторые из них, такие как AVLIS, ушли значительно дальше в своей разработке, что способно повысить их до уровня применения на производственных объектах. Потенциальное применение подобных альтернативных технологий при обогащении урана в нелегальных программах продолжает вызывать опасения, в особенности, если вопрос рентабельности установки не стоит остро, и она предназначена лишь для получения довольно небольшого количества ВОУ, необходимого для одной - двух бомб в год. Однако на сегодняшний день основной технологией промышленного обогащения урана в перспективе для атомной энергетики и потенциального распространения ядерного оружия остается газовое центрифугирование.

За 70 лет атомной эры были опробованы разные технологии разделения изотопов урана. В итоге победила одна – центрифужная. На подходе, возможно, еще более совершенный процесс – лазерный. При этом эффективность способов обогащения возрастает настолько, что в условиях глобализации это становится небезопасно. Мы публикуем обзор всевозможных технологий обогащения, а также их сравнительный анализ.

В последние годы обозначились серьезные изменения производственной базы обогащения урана. Франция, США, Китай переходят на новые для них технологии разделения – центрифужные. Другие ведущие поставщики (Росатом, URENCO) осуществляют модернизацию, перегруппировку и увеличение своих разделительных заводов – самых эффективных в мире. Южная Корея активизировала попытки войти в клуб крупных поставщиков услуг по обогащению, то же предполагает ядерная программа Индии, которая до сих пор обходилась незначительными мощностями разделения. Не исключено, что по пути внедрения новых эффективных технологий разделения изотопов пойдут и другие страны, имеющие опыт в этой области и планы расширения атомной отрасли, такие как ЮАР, Бразилия, Иран, Пакистан и другие. Наконец, ближе к внедрению подошла технология разделения изотопов с помощью лазера, которую многие считают процессом следующего поколения. Рост эффективности обогащения урана и освоение новых технологий ставят на повестку дня новые вопросы, связанные с конкуренцией на рынке ОУП и нераспространением.

ПОДХОДЫ

Первые способы разделения изотопов были предложены задолго до освоения атомной энергии. Поскольку изотопы одного элемента мало отличаются по химическим свойствам, большинство методов их сепарации основано на физических процессах. Значительная часть физических методов разделения так или иначе использует некоторую количественную разницу поведения изотопов и их химических соединений под действием инерции / гравитации. Однако некоторые базируются на других явлениях, например, разделение изотопов урана с помощью лазера. Технологии разделения в общем более эффективны для легких элементов и менее – для тяжелых, таких как актиноиды, что связано, в частности, с разным соотношением масс изотопов: у легких элементов этот показатель гораздо больше, что упрощает их сепарацию физическими методами. Например, у первых элементов таблицы Менделеева массы изотопов отличаются на десятки и сотни процентов, в то время как у U 235 и U 238 – только на 1,27 %, причем для соединений урана, в которых осуществляется разделение, разница еще меньше. Уран имеет и другие недостатки с точки зрения изотопного обогащения, такие как отсутствие выбора стабильных газообразных соединений, необходимых для большинства процессов разделения: в промышленных технологиях используется по сути одно такое соединение – гексафторид урана (в чистом виде или редко в смеси с другими веществами). UF 6 наиболее удобен для изотопного разделения урана в силу приемлемых условий фазовых переходов (сублимация при атмосферном давлении и температуре примерно 56 °C) и отсутствия у фтора изотопов, что упрощает процесс разделения. Однако гексафторид урана отличается высокой химической активностью и токсичностью, а это предъявляет особые требования к безопасности производства и транспортировки.

Эффективность разных методов разделения одних и тех же изотопов может сильно отличаться по разным параметрам. Выбор конкретного способа обогащения зависит от приоритетов страны и от исторических и политических условий. Применявшиеся в разное время промышленные способы обогащения урана включают электромагнитную сепарацию, термодиффузионный метод, центрифугирование, газовую диффузию, аэродинамическую сепарацию. Эти способы наиболее эффективны именно для урана. Для других веществ применяются в промышленном масштабе и иные методы разделения, которые бывают на порядок более эффективны. Например, для разделения изотопов водорода или лития, которое может применяться в процессе производства тяжелой воды и термоядерного оружия, используются принципы, основанные на значительно бóльших различиях изотопных характеристик этих легких элементов.

РАЗРАБОТКА

Все использовавшиеся промышленные принципы разделения изотопов урана разработаны много десятилетий назад, большинство из них – в 1940 – 1950-е годы. Внедрение изотопного обогащения урана в промышленном масштабе впервые началось в середине 1940-х годов в США и во второй половине того же десятилетия в СССР. Американцы в рамках программы создания атомного оружия – так называемого Манхэттенского проекта – рассматривали разные способы обогащения изотопом урана-235, однако остановились на трех технологиях разделения, которые было решено внедрять одновременно – газодиффузионный и электромагнитный методы, а также термодиффузия. Три завода, каждый из которых использовал одну из этих технологий, были построены в 1943 – 1945 годах на соседних площадках в Окридже, штат Теннеси. В силу различий в технической эффективности разделения, достигнутой на том этапе каждым из этих объектов, а также спешки с реализацией Манхэттенского проекта, между технологиями было установлено «разделение труда»: с помощью термодиффузии получали слабообогащенный уран, который направлялся на дообогащение на газодиффузионный завод и доводился до оружейного (по сегодняшним меркам низкого) качества в электромагнитных сепараторах. Это позволило уже к лету 1945 года получить необходимое количество оружейного урана для одного из трех ядерных боезарядов, созданных до августа.

СССР первоначально сделал ставку на две технологии обогащения урана: газовую диффузию и электромагнитную сепарацию. Между ними было также установлено разделение функций, наподобие использованного американцами: уран из газодиффузионных машин доводился до высокой степени обогащения электромагнитным способом. Первый газодиффузионный завод был построен в 1945 – 1949 годы в районе поселка Верх-Нейвинск Свердловской области (в настоящее время здесь расположен УЭХК), а электромагнитные сепараторы – в 1947–1950 годах недалеко от поселка Нижняя Тура в том же регионе (сегодня – «Электрохимприбор»).

Великобритания – страна, создавшая ядерное оружие третьей, – использовала газовую диффузию для обогащения урана: завод, использующий эту технологию, был открыт в 1952 году в Кейпенхерсте.

Во всех трех государствах на первом этапе столкнулись с «болезнями роста» на газодиффузионных заводах: существенными потерями гексафторида урана, недообогащением сырья до нужного уровня, быстрым выходом из строя делителей и так далее. Однако в 1950-е годы удалось поднять эффективность газовой диффузии и получать с ее помощью уран оружейного качества. Это позволило отказаться от электромагнитной сепарации и термодиффузии как менее эффективных методов. Таким образом, в эпоху первоначального накопления оружейных материалов ядерными державами (не только в США, СССР и Великобритании, но и во Франции и Китае) в мире господствовала газодиффузионная технология.

Также в 1940-е годы были предприняты первые попытки разработать промышленную технологию центробежного разделения изотопов урана. В США создали несколько моделей центрифуг, которые, однако, как и ряд других концепций, не были внедрены в ходе Манхэттенского проекта. Применение этой технологии в промышленном масштабе в США началось лишь в 2010 году, а до этого на протяжении шести десятилетий американцы практически полностью опирались на газодиффузионный метод, равно как и Франция, которая приступила к замене газодиффузионных мощностей лишь в последние годы.

Пионером освоения центробежного метода оказался СССР, ученые которого после войны разработали ряд концепций центрифуг. Их интенсивное промышленное внедрение началось с конца 1950-х годов и велось параллельно с дальнейшим развертыванием газодиффузионной технологии, а с 1970-х годов – полностью сменило ее. В начале 1970-х годов на центрифужное обогащение стали переходить некоторые европейские страны: компания URENCO, созданная совместно Великобританией, Нидерландами и энергокомпаниями тогда еще ФРГ, построила в этих государствах разделительные заводы, которые отчасти стали работать на международный рынок обогащения урана, возникший незадолго до этого. В дальнейшем в разные периоды времени центрифуги внедрялись также в Японии, Индии, Пакистане, Бразилии, Китае, Иране. К сегодняшнему дню эта технология повсеместно вытеснила газовую диффузию.

Германия, ЮАР и Бразилия рассматривали, наряду с прочими вариантами, внедрение более экзотического принципа разделения – аэродинамической сепарации. Пилотные установки, использующие эту технологию, были построены в 1970-х годах в ФРГ (в ядерном центре в Карлсруэ) и в Южно-Африканской республике (Валендаба), которая таким образом пыталась обойти международные санкции и создать собственное обогащение урана для своей военной и энергетической ядерной программы. Эту же технологию с похожими целями в тот период пыталась внедрить Бразилия, но позже отдала предпочтение центрифугам. Отказавшись от ядерно-оружейных планов, ЮАР и Бразилия больше не находили смысла в развитии этой технологии в силу ее экономической неэффективности. Такое же соображение оттолкнуло от внедрения этого процесса и ФРГ.

В разных странах велись исследования и по другим принципам обогащения урана, в том числе использующим химические изотопные эффекты и лазер, однако они не вылились во внедрение таких технологий хотя бы в ограниченном масштабе.

РАСКРУТКА

В первые десятилетия атомной эры – в период первоначального накопления оружейных материалов – приоритетной задачей была максимизация объема производства U 235 . Экономика процесса играла второстепенную роль. Поэтому предпочтение было отдано технологии газовой диффузии, способной обеспечить массовое обогащение, пусть и с огромными затратами. При этом гонка вооружений, темп, взятый Соединенными Штатами в наращивании ядерного потенциала, требовал от СССР существенного увеличения объемов обогащения. Между тем Советский Союз испытывал недостаток энергетических мощностей для газовой диффузии, особенно в энергосистемах Европы и Урала, где сосредоточена значительная часть населения и экономического потенциала, а значит, и потребления электроэнергии. Это, наряду с другими факторами, мешало Советскому Союзу на первых порах добиться ядерного паритета с Соединенными Штатами, которые обладали значительно большим энергетическим и экономическим потенциалом и резервами мощности.

В том числе для решения этой проблемы в СССР первоначально закладывались сибирские ГЭС, и в Сибири же были построены новые мощности по обогащению урана. Спроектированные тогда гидростанции, на тот момент крупнейшие в мире, были призваны обеспечить базовой энергией, в том числе новые газодиффузионные заводы. Однако решением, позволившим развязать проблемный узел, стало внедрение центрифужных технологий. На том этапе СССР существенно опередил остальные государства в модернизации сферы обогащения урана. Хотя ряд стран, например США, Франция, Италия, Швеция и другие, и рассматривали возможность внедрения центробежной технологии, но в XX веке не вывели ее за пределы опытных установок. В СССР монтаж первых промышленных центрифуг начался в конце 1950-х годов, в 1960-е годы их массовое внедрение происходило параллельно с наращиванием газодиффузионных мощностей, а позже началась широкомасштабная замена газовой диффузии. Этот переход позволил частично решить энергетическую проблему, оптимизировав затраты ресурсов, но в еще большей мере – поднять производительность обогащения. Таким образом, дефицит ресурсов и гонка вооружений сыграли важнейшую роль в том, что СССР выстроил наиболее эффективный в мире обогатительный комплекс, опередив западные страны в области промышленного внедрения центрифуг минимум на полтора десятилетия.

Переход СССР на центрифужные технологии держался в секрете, и Запад на первом этапе его не заметил, хотя о советских НИОКР в сфере центрифуг в 1950-е годы было хорошо известно, в частности, от сотрудников М. Штеенбека, оказавшихся на Западе. Так, в сверхсекретном совместном докладе разведывательных служб США о советской ядерной программе, представленном руководству страны в 1965 году, нет ни слова о центрифугах. Как следует из документа, рассекреченного три года назад, американская разведка исходила из применения в СССР исключительно газодиффузионных технологий обогащения урана. Все оценки состояния и прогнозы перспектив разделения в последующее десятилетие базировались также только на развитии газовой диффузии. При этом, как отмечается в документе, специалисты ЦРУ и других служб основывают выводы о мощностях советских разделительных заводов (локализация которых установлена верно) «преимущественно на оценках потребления электроэнергии и эффективности предприятий». Учитывая, что в период подготовки доклада американской разведки СССР полным ходом осуществлял первый этап массового внедрения центрифуг, оценки на основе показателей энергорасхода и эффективности газодиффузионного процесса, очевидно, приводили ко все более заниженным выводам относительно масштабов производства обогащенного урана в Советском Союзе – фактическим и тем более перспективным.

Тот факт, что американцы вовремя не заметили качественной модернизации обогатительного комплекса СССР, породил, очевидно, некоторую самоуспокоенность и сыграл роль в консервации неэффективной модели обогащения в США. Пока СССР и Европа интенсивно переходили на центрифужные технологии, США, хоть и проводили НИОКР по этой тематике, в то же время продолжали рассматривать расширение газодиффузионных заводов: достаточно сказать, что в 1970-е годы появились и стали осуществляться планы увеличения их мощности с 17 млн ЕРР до примерно 28 млн ЕРР с тем, чтобы обеспечивать потребности не только американской энергетики, но и АЭС других западных стран. Между тем три действовавших в то время в США газодиффузионных завода потребляли 6 – 7 ГВт электрической мощности в круглосуточном базовом режиме.

Европа опередила США в выстраивании эффективного обогатительного комплекса прежде всего благодаря развитию ядерной генерации и возникновению в связи с этим в конце 1960-х годов рынка обогащения. Выход обогащения из военной сферы в гражданскую рыночную потребовал повышения экономической эффективности процесса изотопного разделения как крупнейшей составляющей цены ядерного топлива. Это стало благоприятной почвой, в которую упало «центрифужное зерно». Не случайно именно тогда – в начале 1970-х годов – и возникла URENCO. Таким образом, если в СССР переход на центрифужные технологии поначалу стимулировался в основном военными потребностями, то на Западе – в первую очередь требованиями гражданской ядерной энергетики.

Осмыслив, наконец, эти тенденции, Вашингтон на границе 1970 – 1980-х годов активизировал научные исследования в сфере обогатительных технологий, намереваясь найти перспективную замену газовой диффузии. В конце 1970-х годов было принято решение о строительстве центрифужного завода мощностью около 9 млн ЕРР в Пайктоне, штат Огайо. Однако в середине 1980-х годов эти планы отменили.

ПОДСВЕТКА

Как видно, 30 – 40 лет назад США задумали одним махом наверстать отставание в технологиях обогащения с помощью создания самых производительных в мире центрифуг и последующим переходом к технологии следующего поколения – лазерной. Однако ни того, ни другого не получилось. Неблагоприятная конъюнктура энергетических рынков (основным потребителем ЕРР в 1980-е годы уже была ядерная энергетика) и ситуация с ядерными программами (в 1980 – 1990-е годы были свернуты десятки проектов сооружения АЭС в США и других странах) не способствовали огромным капиталовложениям в замену разделительных заводов. В итоге в XXI веке Вашингтон, отстав уже от всех лидеров по обогащению урана, опустился на землю и решил внедрять самые разные технологии на деньги частных инвесторов – американские центрифуги, модели URENCO и, наконец, лазерное обогащение.

Эксперименты с лазерным обогащением начались более 40 лет назад и проводились во многих странах: в США, СССР, Германии, ЮАР, Японии, Франции, Австралии, Израиле и других. Наибольший размах эти работы имели в США, где они велись в том числе в рамках программы Минэнерго по исследованию инновационных методов разделения изотопов. Принцип разделения с помощью лазера прорабатывали в те годы Лос-Аламосская национальная лаборатория, Окриджская национальная лаборатория, Ливерморская национальная лаборатория, исследовательская лаборатория Avco-Everett совместно с нефтяной компанией Exxon и другими. К основным технологиям, которые тогда исследовались, относятся AVLIS и MLIS.

В середине 1980-х годов в качестве технологии для перспективного внедрения была выбрана AVLIS. Однако в 2000 году компания USEC, бывшая государственная, а впоследствии частная, отказалась от лазерного разделения, вернувшись к рассмотрению центробежных методов обогащения. Позже планы внедрения лазера в процесс обогащения появились у других компаний. В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Проект, допускающий обогащение урана до 8 %, базируется на лазерной технологии SILEX, разработанной официально в Австралии; право на ее внедрение в США получено в 2006 году у австралийской компании Silex Systems в обмен на выплату периодических бонусов. Кроме того, в начале 2013 года GLE предложила Минэнерго обсудить возможность строительства на территории ныне остановленного газодиффузионного завода в Падьюке, штат Кентукки, предприятия по обогащению хвостов гексафторида урана на основе лазерной технологии. В настоящее время GLE осуществляет программу строительства и эксплуатации демонстрационной установки, использующей технологию SILEX. Согласно отчетам компании, демонстрационная программа осуществляется по плану и находится на этапе демонстрации технической состоятельности технологии. За этим последует доводка демонстрационной установки с целью определить экономические показатели будущего промышленного предприятия.

Между тем именно экономика лазерного обогащения – один из ключевых пунктов, вызывающих вопросы у специалистов. Техническая осуществимость сепарации изотопов урана с помощью лазера была доказана лет сорок назад, демонстрационные установки строились и раньше (например, подобная линия была пущена в 1990-е годы в Ливерморской национальной лаборатории и давала небольшие партии продукции по технологии AVLIS). Однако экономическая эффективность таких процессов неоднократно ставилась под сомнение. Заявления о скором внедрении лазерных технологий и даже о конкретных планах строительства «вот-вот» заводов по лазерному разделению тоже звучали уже не раз, начиная с 1970-х годов, но заканчивались ничем. Будет ли иначе в этот раз – покажут ближайшие годы.

ГЛОБАЛИЗАЦИЯ

В последние десятилетия ведущие ядерные державы поочередно свернули широкомасштабную наработку оружейного урана. Отчасти потому, что нашли ему эффективные замены, а частично оттого, что, накопив оружейных материалов всякого рода в количествах, достаточных для уничтожения человечества десятки раз, стали приходить к мысли, что нескольких раз, пожалуй, будет вполне достаточно. И начался обратный процесс – перевода сотен тонн высокообогащенного урана в низкообогащенный.

Параллельно с этим, и в какой-то мере благодаря этому, роль ядерной энергетики как потребителя услуг по обогащению возросла до определяющей. А ядерная генерация – это коммерческий вид деятельности, который особенно требует оптимизации стоимости конечного продукта. Спрос на разделение изотопов урана стал диктовать условия: необходимость удержания цены ЕРР на приемлемом уровне. Переход обогащения из военно-стратегической категории во все более рыночную в конце концов похоронил газовую диффузию. Теперь соревнование разворачивается между центрифужными технологиями, а впоследствии может возникнуть конкуренция и самим центрифугам – со стороны того же лазерного способа разделения изотопов.

Словом, если в первые десятилетия освоения атомной энергии обогащали, не считаясь с ценой, то позже на первый план выдвинулась экономика процесса. В результате совершенствования технологий их эффективность возрастает настолько, что это становится небезопасным. Возникает парадокс: технологии многократно усложнились и достигли высокой степени совершенства, но при этом перестали быть эксклюзивом. Их получили страны, далеко не относившиеся к числу развитых, а подчас стабильных и предсказуемых (Пакистан, Иран, Бразилия, Аргентина). И многие эксперты не без оснований опасаются, что расширение «ядерного клуба» не закончено. И если крупный газодиффузионный завод трудно построить и невозможно скрыть, а центрифуги требуют большой возни, чтобы результативно использовать их не по заявленному мирному назначению, то лазерные технологии могут стать особого рода «ядерным чемоданчиком». Для кого-то его эффективность и компактность может оказаться гораздо важнее стоимости. Получается, что перейдя с военных рельсов на рыночные, технологии обогащения урана сами становятся товаром – для тех покупателей, кто не считается с ценой.

ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА

Термодиффузия
Принцип термодиффузии состоит в использовании небольшой разницы концентраций легких и тяжелых изотопов в зонах с разными температурами – в нагретой области содержание легких молекул несколько возрастает. Термодиффузия возможна как в газовой, так и в жидкой фазах. В США этот принцип был использован в варианте жидкостной термодиффузии в специальных колоннах, в каждой из которых создавалась разность температур между нагреваемым сердечником и охлаждаемыми водой стенками, а также конвекция. Наложение двух этих процессов обеспечивало повышение концентрации и отбор U 235 в верхней части колонны, а U 238 – в нижней. Более 2,1 тыс. таких колонн были смонтированы к началу 1945 года на одной из площадок в Окридже. Колонны представляли собой установки высотой 14 метров, состоящие из трех слоев: двух коаксильных труб – внутренней медной и внешней никелевой, заключенных в наружную оболочку из нержавеющей стали. Медная труба служила паропроводом, между медной и никелевой трубами подавался под давлением гексафторид урана; между никелевой трубой и стальной оболочкой циркулировала охлаждающая вода. На таких установках осуществлялось первоначальное обогащение урана до уровня около 1 %, затем сырье поступало на газодиффузионные каскады, расположенные на соседней площадке. Эта технология требовала огромных удельных энергозатрат – гораздо выше газовой диффузии (площадка получала электроэнергию и технологический пар для нагрева сердечников от крупнейшей в то время в мире ТЭЦ, расположенной рядом) – и была сопряжена с повышенными рисками коррозии установок и утечки. Учитывая к тому же низкую эффективность этого способа, его применение оправдывалось лишь относительной технической простотой, а также спешкой с наработкой оружейных материалов в последний год войны. Не удивительно, что термодиффузионный завод проработал всего около года.

Электромагнитная сепарация
Электромагнитный способ разделения изотопов основан на различии удельных зарядов их ионов (соотношения величины заряда и массы). При этом методе осуществляется испарение и ионизация вещества, ионы разгоняются магнитным полем по кривой траектории и улавливаются специальными сборниками, поставленными под углами к ионному пучку. При этом радиус кривизны траектории тяжелых ядер, как правило, несколько больше (отличия могут исчисляться миллиметрами). Электромагнитный сепаратор по сути представляет собой разновидность масс-спектрометра, применяемого в лабораторных условиях. Этот метод стал исторически первой промышленной технологией обогащения урана: подобные установки, названные калютронами, начали эксплуатироваться в США в конце 1943 года на построенном в Окридже разделительном заводе Y-12, где в ходе Манхэттенского проекта применялись две серии таких машин, работавших последовательно – более производительные калютроны второй серии дообогащали уран за машинами первой, а также за соседними термодиффузионным комплексом S-50 и газодиффузионным заводом K-25. В отличие от газовой диффузии, принципы устройства калютронов не были новостью ни для США, ни для СССР, поскольку были во многом схожи с применявшимися до войны циклотронами. В США разработку калютронов вел Эрнест Лоуренс – создатель первого в мире циклотрона. В СССР начиная с 1930-х годов строились циклотроны и другие виды ускорителей, в том числе действовал крупнейший за пределами США циклотрон Радиевого института в Ленинграде. Промышленные калютроны отличались очень высоким коэффициентом разделения (оружейный уран мог получаться за два-три прохода через электромагнитные сепараторы), но низким объемом производства (несколько граммов высокообогащенного урана в сутки). К недостаткам метода относятся высокая трудоемкость и необходимость частой остановки процесса для очистки мишеней, а также высокая энергоемкость. По этим причинам от электромагнитной сепарации быстро отказались как от способа обогащения урана в промышленном масштабе. Однако продолжилось использование этого метода для получения небольших количеств активных и стабильных изотопов.

Газодиффузионный метод
Суть метода заключается в использовании различий в скорости проникновения изотопов урана через микропористые перегородки. Поскольку U235 преодолевает такое препятствие с несколько большей среднестатистической скоростью, за перегородкой образуется повышенное (на 0,3 – 0,4 % от цифры концентрации) содержание легкого изотопа. Нужная степень обогащения достигается выстраиванием каскадов с тысячами ступеней. Этот метод позволяет получить уран с очень широким и дробным спектром степеней обогащения (практически любые значения от слабообогащенного до оружейного), но требует огромных энергозатрат – порядка 2,4 – 2,5 тыс. кВт. ч / ЕРР, что среди прочего делает текущую стоимость производства очень высокой. Капитальные затраты также чрезвычайно велики, поскольку для крупных газодиффузионных заводов необходимы строительство производственных площадей, измеряемых миллионами квадратных метров, массовый монтаж мощных компрессоров, обеспечение пониженного давления в огромной цепи оборудования, применение ряда дорогостоящих материалов и т. д. Первый в мире промышленный газодиффузионный завод был построен к весне 1945 года на площадке K-25 в Окридже. Последний крупный комплекс такого рода – в Падьюке, штат Кентукки в США, был окончательно остановлен в середине нынешнего года.

Центробежное обогащение
Принцип центрифугирования заключается в разделении изотопов в газообразной фазе с помощью центробежных сил, возникающих в роторе, вращающемся с частотой 50 – 100 тыс. оборотов в минуту и более. На периферии ротора возникают зоны повышенной плотности газа, где концентрация тяжелых изотопов выше, а в центре – зоны пониженной плотности с превышением содержания легких изотопов. Кроме того, в центрифуге создается осевая циркуляция газа (противотоки вдоль периферии и центральной части), которая существенно повышает эффективность этого метода и позволяет осуществлять регулярный отбор газа. Для урана центрифугирование является наиболее технически и экономически эффективным из применяемых сегодня промышленных методов обогащения. У центрифуги имеется ряд преимуществ над другими используемыми методами разделения изотопов урана. Так, в отличие от других способов, разделение в роторе осуществляется в условиях термодинамического равновесия, что снижает необходимость дополнительных энергозатрат. На центрифугирование расходуется в десятки раз меньше энергии (50 – 60 кВт. ч / ЕРР), чем на газовую диффузию. Кроме того, эффективность центробежного метода пропорциональна абсолютной разнице масс изотопов, в отличие от других способов обогащения, в которых результативность процессов прямо связана с отношением этих масс. Коэффициент разделения в центрифугах зависит от конструкции, но может составлять 1,1 – 1,3, что в десятки раз выше газовой диффузии. В то же время производительность одной центрифуги невелика: у старых конструкций она не превышала 1 ЕРР в год, у современных российских центрифуг, составляющих основу парка – в пределах 5 – 10 ЕРР, у центрифуг URENCO – несколько десятков ЕРР, у последних концептуальных конструкций, разработанных в США – 300 – 400 ЕРР. То есть для промышленного обогащения требуются сотни тысяч и миллионы центрифуг. В то же время центрифужный метод имеет значительный потенциал повышения эффективности. Производительность центрифуги в идеале пропорциональна длине ротора и четвертой степени линейной скорости вращения и обратно пропорциональна температуре газа. Отсюда следуют возможные направления прогресса центрифужных технологий: прежде всего это увеличение скорости, а также удлинение ротора и поддержание достаточно низкой температуры в нем. Однако при возрастании скорости ротор в зависимости от его характеристик, прежде всего геометрических пропорций, подходит к определенным резонансным частотам, прохождение которых сопряжено с разрушающими осевыми колебаниями. Поэтому повышение скорости сверх определенного уровня, то есть создание так называемых надкритических центрифуг, требует мер, противостоящих разрушению: применения высокопрочных и гибких материалов, средств компенсации колебаний, обеспечения быстрого прохода критических частот и т. д. Решение этих и других технических задач на протяжении истории центрифужного обогащения урана позволило повысить эффективность метода на 1 – 2 порядка, и резерв для дальнейшего развития не исчерпан. В то же время к трудностям развития центрифуг относятся исключительные требования к безопасности: любые нештатные внешние воздействия на отдельно взятую машину (например, сейсмические) могут вызвать неуправляемые колебания, в результате чего разрушение одной центрифуги может вылиться в развитие аварии по прогрессии. Это предъявляет сверхвысокие требования, в частности, к устойчивости работы машины, средствам контроля, защитной оболочке ротора и ограничивает погоню за производительностью.

Аэродинамическая сепарация
Принцип заключается в создании с помощью компрессоров вихревых потоков газа или смеси газов, содержащих уран (например, шестифтористого урана в смеси с водородом или гелием). В газе, подаваемом под тем или иным давлением (0,4 – 6 атмосфер в зависимости от технологии) через искривленные сопла на неподвижные препятствия определенной конфигурации либо внутрь трубы просчитанных геометрических параметров, образуются завихряющиеся потоки. В этих потоках происходит слабое разделение на зоны большей концентрации легких или тяжелых изотопов, которые улавливаются. Этот метод технически проще осуществим, чем газодиффузионный и центрифужный методы технологии обогащения. Степень разделения на каждой элементарной стадии аэродинамической сепарации в несколько раз выше, чем для газовой диффузии, но уступает показателям современных центрифуг. В то же время затраты энергии при аэродинамической сепарации в 1,5 – 2 раза превышают показатели газодиффузионных машин, не говоря о центрифугах, что делает этот метод экономически неконкурентоспособным.

Технологии обогащения с помощью лазера
Этот принцип разделения изотопов урана, пригодный для большинства других элементов, основан на возможности избирательного перевода атомов или молекул с помощью лазера в возбужденное состояние, которое позволяет отделить нужный изотоп (или соединение с ним) от смеси с другими. Принцип базируется на небольшом отличии (сдвиге) квантовых переходов для разных изотопов одного и того же вещества, что дает возможность настроить характеристики лазера для возбуждения нужных изотопов. При всем разнообразии вариантов, подобные технологии делятся на ряд групп по схожести используемых методов. К первой относятся способы ионизации урана, прежде всего атомарного пара, с последующим отбором U 235 с помощью магнитного поля. К технологиям этого рода относится AVLIS. Вторая группа способов основана на избирательной диссоциации (развале) молекул урансодержащего вещества (того же UF 6) с помощью лазера. При этом варианте молекулы с U 235 возбуждаются лазером, затем с помощью интенсивного электромагнитного излучения производится их диссоциация. Новообразованные компоненты могут быть удалены из смеси химическим способом. Подобные принципы использовались в американской технологии MLIS, французской MOLIS, японской RIMLIS и др.

К другой группе относятся способы разделения, заключающиеся в активации с помощью лазера молекул с нужным изотопом, которые в возбужденном состоянии склонны к вступлению в химическую связь с определенным реагентом. К таким процессам относится CRISLA. Технология SILEX, внедрение которой в настоящее время планируется в США и детальный механизм действия которой держится в секрете, вероятно, относится к способам, использующим фотохимическую реакцию с участием гексафторида урана. К достоинствам лазерного метода можно отнести высокий коэффициент разделения, который позволяет минимизировать потребность в каскадировании, резко снизить содержание U 235 в хвостах, обеспечить относительную компактность разделительных комплексов. Энергозатраты лазерного процесса могут быть в разы ниже центрифуг. Другим потенциальным преимуществом является высокая избирательность (селективность), которая позволяет адресно выбирать нужный изотоп из различных по составу смесей. Более того, лазерный метод в принципе дает возможность разделять ядерные изомеры (одинаковые изотопы одного элемента, отличающиеся энергетическим состоянием ядра). Последние два достоинства открывают новые перспективы для процессов обогащения и переработки ОЯТ, позволяя осуществлять более эффективное выделение тех или иных компонентов смеси, добиться лучшей очистки от ненужных примесей.

Еще одним преимуществом может стать быстрый переход лазерной разделительной установки на стационарный режим работы и быстрый выход из него, что позволяет оперативно перестраивать участки производства под конкретные нужды. К проблемам лазерного принципа обогащения относятся его неясные и по сей день экономические параметры. Предыдущие попытки создать технологию промышленного уровня наталкивались на недостаточную производительность и низкий ресурс оборудования, а также на трудности увеличения масштаба процесса от лабораторного уровня до промышленного производства.

Ингард ШУЛЬГА

О запуске первого советского спутника 4 октября 1957 года с ликованием узнал весь мир. А событие, произошедшее 4 ноября того же года в Верх-Нейвинске, долго оставалось тайной для самых лучших разведок мира. Там был пущен опытный завод, на котором обогащать уран стали методом центрифужного разделения изотопов.

Александр Емельяненков

На заре создания ядерных вооружений одной из основных ключевых проблем стало разделение изотопов урана. Этот тяжелый радиоактивный металл встречается в природе в виде смеси двух основных изотопов. Основную долю (чуть меньше 99,3%) составляет уран-238. Содержание более легкого изотопа — урана-235 — составляет всего 0,7%, но именно он необходим для создания ядерного оружия и работы реакторов.

Разделить изотопы совсем не просто. Их химические свойства идентичны (в конце концов, это один и тот же химический элемент), а разница в атомной массе составляет чуть более 1%, так что физические методы для разделения должны иметь очень высокую избирательность. Этот вопрос в 1950-х стал одним из решающих моментов, которые определили успех советской ядерной отрасли и заложили основу для современной конкурентоспособности российской ядерной промышленности на мировом рынке.

Сквозь сито

Самым простым методом разделения является газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) сквозь мелкопористую мембрану, при этом различные изотопы диффундируют сквозь поры с различной скоростью. Именно газовая диффузия стала первым методом, который использовался для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах. В США разработки в области газовой диффузии для Манхэттенского проекта велись под началом лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри. В СССР до 1954 года этим направлением руководил академик Борис Константинов, потом его сменил Исаак Кикоин.

Поначалу, как это нередко бывает, метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Но он требовал огромных затрат электроэнергии — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской атомной, как теперь выясняется, строились прежде всего для этих целей. Кроме общей дороговизны и низкого КПД, метод газовой диффузии был небезопасен для работающих — главным образом из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением, а это потенциальные выбросы и загрязнение окружающей среды. Между тем альтернатива газодиффузионному методу была известна с конца XIX века — это центрифужный метод, сулящий весьма значительную экономию: когда в 1958 году завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного метода, а себестоимость — вдвое меньше. Правда, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали многочисленные технологические сложности.

Электромагнитное разделение. Основано на движении заряженных частиц (ионов) в магнитном поле. В зависимости от массы частиц кривизна их траектории при этом различна, и даже небольшая разница в атомной массе ядер изотопов урана дает возможность их разделения. Такие установки, называемые калютронами, использовались в американском Манхэттенском проекте, поскольку позволяли получить очень высокую степень обогащения урана за считанные проходы. Однако калютроны очень громоздки, дороги в обслуживании, потребляют много энергии и имеют низкую производительность, так что сейчас для промышленного обогащения урана не используются.

Немецкие корни

Истоки советской технологии центрифуг берут свое начало в нацистской Германии, где в рамках атомного проекта велись эксперименты по разделению урана. Один из участников этого проекта, инженер-физик Геронт Циппе, оказался среди других немецких военнопленных, отправленных в СССР. Под началом Макса Штеенбека, своего соотечественника и тестя, Циппе до 1954 года занимался экспериментальными исследованиями — сначала в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а последние два года — в особом конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде.

Как свидетельствуют участники и очевидцы тех событий, немецкие ученые не знали отказа в материалах для исследований. И режим у них был почти такой же, как у наших секретных атомщиков, которых столь же плотно опекало ведомство Берии. В июле 1952 года специальным постановлением правительства Штеенбека и его помощников перевели из Сухумского института в Ленинград, в ОКБ Кировского завода. Да еще усилили группу выпускниками политехнического института с профильной кафедры ядерных исследований. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе-Штеенбека. За дело взялись горячо, однако уже в первом квартале 1953-го работу прекратили, не доводя до испытаний: стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства.

Газовая диффузия. Использует разницу в скоростях движения молекул газа, содержащего различные изотопы урана (гексафторид урана). Различная масса обуславливает различную скорость молекул, так что легкие проходят мембрану с тонкими порами (по диаметру сравнимыми с размерами молекул) быстрее тяжелых. Метод прост в реализации и использовался на заре атомной отрасли в СССР, в США используется до настоящего времени. Степень обогащения каждой ступени очень мала, так что необходимы тысячи ступеней. Это приводит к огромному потреблению энергии и высокой стоимости разделения.

Центрифуга Циппе была не первой советской машиной подобного назначения. Еще во время войны в Уфе другой немец, Фриц Ланге, бежавший из Германии в 1936 году, изготовил громоздкий аппарат на подшипнике. Однако специалисты, знакомые с перипетиями атомного проекта в СССР и США, отмечают одно безусловное достижение группы Штеенбека — оригинальную конструкцию опорного узла: ротор опирался на стальную иглу, а эта игла — на подпятник из сверхтвердого сплава в масляной ванне. И вся эта хитроумная конструкция удерживалась специальной магнитной подвеской в верхней части ротора. Его раскрутка до рабочей скорости также производилась посредством магнитного поля.

В то время как проект группы Штеенбека потерпел фиаско, в феврале того же 1953 года была выведена на рабочие обороты газовая центрифуга с жестким ротором конструкции советского инженера Виктора Сергеева. За год до этого Сергеев с группой специалистов из особого КБ Кировского завода, где он тогда работал, был командирован в Сухуми для ознакомления с экспериментами Штеенбека и его команды. «Именно тогда он задал Штеенбеку технический вопрос о расположении отборников газа в виде трубок Пито, — приоткрыл важные подробности ветеран центрифужного производства ПО «Точмаш» Олег Чернов, хорошо знавший Сергеева и работавший вместе с ним. — Вопрос был сугубо техническим и содержал, по сути, подсказку, как сделать конструкцию центрифуги работоспособной». Но доктор Штеенбек проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…»

Газовое центрифугирование с помощью быстро вращающегося ротора закручивает поток газа таким образом, что молекулы, содержащие более тяжелые изотопы урана, центробежная сила отбрасывает к внешним краям, а более легкие — ближе к оси цилиндра. Центрифуги объединяют в каскады, подавая с выхода каждой ступени частично обогащенный материал на вход следующей ступени — так удается получать уран даже очень высокой степени обогащения. Центрифуги просты в обслуживании, надежны и характеризуются умеренным энергопотреблением. Метод используется в России и странах Европы.

По словам Олега Чернова, Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги в 13 странах. Первые лица в советском атомном ведомстве, узнав о таком интеллектуальном коварстве, шум поднимать не стали — если следовать официальной версии, «чтобы не вызывать подозрений и повышенного интереса к этой теме у военно-технической разведки США». Пусть, мол, думают, что Советы довольствуются неэкономичным, как и у них, газодиффузионным методом… В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, следует отдать должное, «Русской центрифугой». Однако увлечь американцев он не сумел. В отношении новой машины, как в свое время и по конструкции Штеенбека, был вынесен вердикт: для промышленного использования непригодна.

Степень обогащения одной газовой центрифуги невелика, поэтому их объединяют в последовательные каскады, в которых обогащенное сырье с выхода каждой центрифуги подается на вход следующей, а обедненное — на вход одной из предыдущих. При достаточном количестве центрифуг в каскаде можно получить очень высокую степень обогащения.

Правда, четверть века спустя в США все-таки решили перейти с газовой диффузии на центрифуги. Первая попытка не удалась — в 1985 году, когда были установлены первые 1300 машин, разработанные в Оук-Риджской национальной лаборатории, правительство США закрыло программу. В 1999 году на расконсервированной площадке в Пайктоне (штат Огайо) вновь начались работы по установке американских центрифуг нового поколения (в 10−15 раз больше российских по высоте и в два-три раза по диаметру) с ротором из углеродных волокон. По плану смонтировать 96 каскадов по 120 «волчков» предполагалось еще в 2005 году, но и к концу 2012 года проект все еще не запущен в коммерческую эксплуатацию.

Лазерное разделение изотопов урана основано на том, что молекулы, содержащие различные изотопы, имеют немного различные энергии возбуждения. Облучив смесь изотопов лазерным лучом строго определенной длины волны, можно ионизовать только молекулы с нужным изотопом, после чего разделить изотопы с помощью магнитного поля. Существует несколько разновидностей этого метода — воздействующие на атомный пар AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (французский аналог AVLIS), и на молекулы — MLIS (Molecular Laser IsotopeSeparation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) и SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation). В настоящее время корпорация General Electric пытается коммерциализировать технологию SILEX, разработанную специалистами из ЮАР и Австралии. Лазерная сепарация имеет низкое энергопотребление, низкую стоимость и высокую степень обогащения (поэтому она используется сейчас для получения малых количеств сверхчистых изотопов), однако пока существуют проблемы с производительностью, со сроком службы лазеров и отбором обогащенного материала без остановки процесса.

Секретные иголки

А тем временем в СССР, в малоприметном местечке Верх-Нейвинск на Среднем Урале, в обстановке строжайшей секретности монтировалась первая опытная линия разделительных газовых центрифуг. Исаак Кикоин еще в 1942 году сталкивался с газовой центрифугой конструкции Ланге и даже испытывал ее в своей лаборатории в Свердловске. Тогда эксперименты желаемых результатов не дали, и академик скептически относился к самой возможности создания промышленных газовых центрифуг. Главной бедой самых первых установок была их недолговечность. И хотя вращались они поначалу со скоростью «всего» 10000 оборотов в минуту, совладать с огромной кинетической энергией ротора было далеко не просто.

— Машины-то ваши разрушаются! — язвительно упрекнул разработчиков на одном из совещаний в Минсредмаше начальник главка Александр Зверев, имевший звание генерала НКВД.

— А вы что хотели? Чтобы они еще и размножались?! — дерзко парировал руководивший в то время проектом заместитель главного конструктора Анатолий Сафронов.

При центрифужном методе разделения за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. За счет этого более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 «сбиваются» на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 концентрируются возле оси ротора. Через раздельные выводные трубопроводы (типа трубок Пито, о которых говорил советский инженер Сергеев немцу Штеенбеку) газ, содержащий изотопы U-238, выводится «в отвал», а обогащенная фракция с возросшим содержанием урана-235 перетекает в следующую центрифугу. Каскад таких центрифуг, содержащий сотни и тысячи машин, позволяет быстро увеличивать содержание легкого изотопа. Условно говоря, их можно назвать сепараторами, на которых превращенное в газ урановое сырье (гексафторид урана, UF6) с низким содержанием изотопа U-235 последовательно переводят из консистенции парного молока в сливки и сметану. А при необходимости могут и «масло» сбить — довести обогащение до 45%, а то и 60%, чтобы использовать в качестве топлива в реакторах подводных лодок и на исследовательских установках. А еще недавно, когда это требовалось в большом количестве, крутили центрифуги до тех пор, пока не получали на выходе дорогущий «сыр» — оружейный уран с обогащением более 90%. Но к концу 1980-х на четырех советских комбинатах «насепарировали» столько оружейного урана, что его запасы на складах и в готовых ядерных зарядах были признаны избыточными, и производство высокообогащенного урана для военных целей было прекращено.

По первоначальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 мм — как танковая броня. Попробуй такую махину раскрути… Но методом проб и ошибок нашли-таки компромиссное решение. Был создан специальный сплав — прочнее и легче стали. Корпуса современных центрифуг, которые одному из авторов довелось увидеть и подержать в руках на ПО «Точмаш» во Владимире, никаких ассоциаций с танковой броней не вызывают: обычные с виду пустотелые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью. Издали их можно принять за обрезки труб с соединительными фланцами на концах. Длина — не больше метра, в диаметре — сантиметров двадцать. А на Уральском электрохимическом комбинате из них собраны гигантские каскады длиною в сотни метров. Знаки на стенах и специальная разметка на окрашенном бетонном полу в технологических проходах указывают, что здесь принято перемещаться на велосипеде. Правда, не быстрее 5−10 км/ч.

А внутри гудящих едва слышно центрифуг совсем другие скорости — ротор на игле с корундовым подпятником, «подвешенный» в магнитном поле, делает 1500 оборотов в секунду! В сравнении с первым изделием ВТ-3Ф 1960 года выпуска его разогнали почти в десять раз, а срок безостановочной работы увеличили с трех лет до 30. Наверное, трудно найти другой пример, когда бы техника демонстрировала такую надежность при столь экстремальных параметрах. Как рассказал заместитель начальника центрифужного производства Валерий Лемперт, на комбинате в Новоуральске еще работают машины, которые «Точмаш» поставил туда 30 лет назад: «Это было, наверное, третье поколение центрифуг, а сейчас серийно производится восьмое и запускается в опытное производство девятое».

«В конструкции нашей центрифуги ничего сверхсложного нет. Все дело в отработке технологии до мельчайших деталей и строгом контроле качества, — объясняет Татьяна Сорокина, которая десятки лет «вела» на заводе технологию изготовления опорной иглы для ротора. — Такие иглы делают из обычной рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот способ закалки наконечника — это наше ноу-хау».

Свое объяснение секретам российской центрифуги дал на склоне лет и один из главных ее создателей — Виктор Сергеев. По свидетельству инженера Олега Чернова, на вопрос спецслужб, а что же нужно охранять в этом изделии и в чем его главный секрет, конструктор ответил лаконично: «Люди».

Ядерное оружие, хотим мы этого или нет, - реальность, с которой живет человечество с середины прошлого века. Ядерные реакторы, как бы не выступали критики атомной энергетики, вносят значительный вклад в энергосистемы разных стран. И там, и там применяется радиоактивный материал. В основном это уран, 92-й элемент таблицы Менделеева.

Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?

Чем же так страшен обогащенный уран

Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.

На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.

При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.

Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.

Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.

Урановые рудники: правда и вымысел

В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.

Добыча урана - высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.

Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.

Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.

Урановая руда

Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.

Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла - сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.

Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение - сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.

Газодиффузионный способ обогащения

Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.

Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ - применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.

Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации - первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, - высокая цена конечного продукта.

Центрифужный метод

Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.

Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.

Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.

Применение обогащенного урана

Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни - ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.

В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.

Изотоп 235 - более энергоемкое топливо. Обогащенным уран считается при содержании 235 изотопа более 20 %. Это основа ядерного оружия.

Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.

Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, - топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.

Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.