Обогащение урановых руд

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.

 

 

2.5 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 2.5

Рисунок 2.2 Схема профиля газогенераторной центрифуги

Вращающийся цилиндр  форсирует более тяжелые атомы U-238 по направлению к внешней части  центрифуги, при этом оставляет более легкие атомы U-235 ближе к центру. Поток, который вращается снизу вверх, позволяет разделить обогащенный и обедненный потоки и отправить их через трубки на последующие ступени 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 UF6 , 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.

 

 

2.6 Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов   урана

 

 

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 UCL4, 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.

 

 

2.7 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 UF6 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.

 

 

 

2.8 Химическое обогащение

 

 

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твердое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение - самая энергосберегающая технология получения тяжелой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется дляизвлечения Li-6. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана,так и не дошедшие до промышленного освоения.

 

 

2.9 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.

 

 

2.10 Влияние обогащенного урана на окружающую среду

 

 

В макроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7г.рамм.Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжелые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы. На этапе очистки и обогащения топлива и в производстве тепловыделяющих элементов нет проблем защиты от внешних потоков ионизирующих излучений. На этом этапе проводятся много операций с порошками и газами,которые  могут оказаться в воздухе  рабочих помещений, их вентиляция,актиное использование эффективных средств индивидуальной защиты .значительно сокращают внутренне воздействие  радионуклеидов. Оцененные среднегодовые дозы облучения персонала заводов по обогащению .полученные по данным США за период 1985-1989 составили соответственно 0.08мзв и 0.14 мЗв, а заводов по изготовление топлива — 1 мЗв. Нормированная коллективная эффективная доза для персонала оценивается в величину, меньшую 0,1 чел-Зв/ГВт(эл)год для профессионалов заводов по обогащению и 0,1...0,6 чел-Зв/ ГВт(эл)год заводов по изготовлению твэлов. Следует отметить одну особенность рассматриваемого этапа, возникающую при высоких уровнях обогащения топлива ²³⁵U. Активность накапливающегося в процессе обогащения ²³⁴U может оказаться достаточно высокой, учитывая его меньший период полураспада, при наличии таких конструкционных материалов, как Ве, В, А1, F и других, по реакции (альфа частица, нейтрон) может возникнуть значительное нейтронное излучение, создающее дозы внешнего облучения. Необходимо также иметь в виду, что на этом этапе актуальными являются проблемы ядерной безопасности (критическая масса ²³⁵U при наличии водного отражателя составляет всего 820 г).