Обогатяване на урана

Основни методи за обогатяване

Съвременната ядрена индустрия се основава на реакторите на топлинни неутрони, в които в качество на ядрено гориво се използува обогатен уран, т.е. уран с концентрация на ²³⁵U, надхвърляща тази на неговото съдържание в природния уран (0.711%). (Изключение тук правят тежководните реактори тип CANDU, които заемат малка част от общата мощност на АЕЦ в света). В енергийните реактори на топлинни неутрони обикновено се използува слабообогатен уран (до 5% ²³⁵U). Уран със средно (до 20% ²³⁵U) или високо (до 90% ²³⁵U) обогатяване се използува в изследователските ядрени реактори, както и в реакторите за ядрения морски флот. Така че промишленото производство на обогатен уран е важен стадий в ЯГЦ. В същото време разработката на методи за промишлено получаване на обогатен уран е много сложна научна и инженерно-техническа задача.

Принципните трудности за решаването на тази задача се дължат на обстоятелството, че за разделяне на изотопите на урана не е възможно да се прилагат обикновените химични методи. Изотопите на един и същ елемент имат еднакви атомни заряди и се различават само по своите атомни маси. Тези различия за изотопите на урана не са големи, но все пак единствено те могат да бъдат използувани за разделяне на изотопите.

Някои методи за разделяне са основани на прякото използуване на различията на масите на йоните, атомите или молекулите, съдържащи различни изотопи на един и същ елемент. Примери за това са електромагнитното разделяне (включително с използуване на плазмени центрофуги), газодифузионният метод, разделянето в газови центрофуги, газодинамичните методи (с разделителна дюза или с вихрова тръба).

При електромагнитния метод разделянето се достига благодарение на това, че ускорените до еднаква енергия (тъй като имат еднакъв заряд) йони се движат напречно на магнитно поле по окръжности, чиито радиуси зависят от масите им. По такъв начин се получава пространствено разделяне на йоните по маси. Най-голямо разделяне (раздалечаване) съответствува на половината от окръжността (ъгъл p). Макар че теоретично по този начин може да се постигне пълно разделяне на йоните, в реалните условия се получава частично припокриване на областите, в които попадат йоните на отделните изотопи при тяхното движение. Предимства на електромагнитния метод са в неговата универсалност (приложим е към всякакъв вид йони) и това, че при него разделянето се постига само в една операция.

При метода на газовата дифузия се използува разликата в скоростите на топлинното движение на молекулите на изотопите, които имат различна маса, при принудителното им преминаване през достатъчно малки пори и капиляри на специална пореста преграда (газодифузионен филтър) във вакуум, когато молекулите практически не взаимодействуват помежду си (не се сблъскват). Този метод може да се прилага за разделяне на смес от изотопи, които се намират в газова фаза. В случая на урана най-подходящ за целта е газообразният UF₆.

Разделянето на изотопите в газовата центрофуга е базирано на това, че при термодинамично равновесие в потенциалното поле на центробежните сили се установява равновесно статистическо разпределение на молекулите (по Maxwell-Boltzmann), което съществено зависи от молекулната им маса. В равновесно състояние концентрацията на леките молекули е относително по-близо до оста, а концентрацията на тежките молекули е към външната стена на ротора. Както и при метода на газовата дифузия, веществото трябва да е в газообразна форма. Този метод се нарича още центробежен метод.

При метода на разделителната дюза (ФРГ) се използува отклонението на газовата струя на газ, преминаващ през тясна дюза (0.15µm) с дозвукова скорост. Газът придобива значително центробежно ускорение, което води до частично разделяне на сместа по маси (както при газовата центрофуга). Разновидност на този метод използува вихрова тръба (ЮАР).

Тук трябва да се отбележи голямата роля на урановия хексафлуорид при всички методи, основани на разликата в масите на съединенията. Той има не само предимството, че е газообразен, но и това, че флуорът е един от малкото елементи, които са моноизотопни (той е 100% ). Поради това единственото различие в масите на хексафлуоридите се дължи на различието на масите на урановия изотоп.

Във физико-химичните методи се използуват различията в изотопния състав на две различни равновесни химични или физични фази (изотопен химичен обмен в системи газ-газ, газ-течност, газ-твърдо тяло, течност-течност, течност-твърдо тяло). Тези различия не са големи за тежки елементи като урана и са по-подходящи за леки елементи (H₂, O₂, N₂, C).

Напоследък се разработват лазерни методи за изотопно разделяне в два варианта - с използуване на молекулни съединения (UF₆) или с атоми в парообразно състояние. При първия вариант изотопната смес от хексафлуориди се облъчва с инфрачервен лазер с такава дължина на вълната, която се поглъща само от единия тип молекули. Те преминават във възбудено състояние с по-висока енергия. Сместа от възбудени и невъзбудени молекули се подлага на мощно облъчване (инфрачервено или ултравиолетово), при което възбудените молекули дисоциират под формата на твърдо вещество (прах), който се извлича от сместа, а невъзбудените остават в газовата фаза. При втория вариант металните пари на единия от изотопите се възбуждат селективно с лазери във видимата част на спектъра. След допълнително облъчване те се йонизират (а другите остават неутрални) и след това се изваждат от сместа с електромагнитни методи.

И при лазерните методи е валидно предимството за почти пълно изотопно разделяне в една еднократна операция.

Принципна схема за производството на обогатен уран

Понастоящем най-широко разпространение са получили два метода за промишлено обогатяване на уран - газодифузионният и центрофужният.

Промишлените методи за разделяне изотопите на урана са разработени отначало в САЩ във връзка с военните приложения на ядрената енергия. Тогава са били развивани електромагнитният, газодифузионният и центрофужният методи. По-нататък се е използувала главно газодифузионната технология, която и досега е основна в САЩ. Центрофужният метод е развит по-добре в Западна Европа, Русия и Япония.

Както газодифузионният, така и центрофужният метод за разделяне са молекулно-кинетични. При тях ефектът от единичната операция на разделяне не е голям (той е части от процента). Поради това за получаването на продукт с желаната степен на обогатяване се изисква многократно повтаряне на единичната операция. С тази цел разделителните елементи (това са газодифузионните степени или газовите центрофуги) се съединяват в каскади, които осигуряват многократно умножение на ефекта от единичното разделяне. Броят на тези каскади съдържа стотици и дори хиляди единични устройства за разделяне.

И при двата метода като изходно вещество се използува газообразният UF₆. Във вид на газ излизат и крайните продукти - обогатен и обеднен уран. При това няколко десети от процента от изходното вещество остават в оборудването под формата на твърди отлагания (UF₄). Част от обеднения уран (който е недостатъчно обеднен) може да постъпи отново за разделяне.

Съдържанието на полезния изотоп ²³⁵U в обеднения уран определя една много важна характеристика на процеса - дълбочината на извличане на ²³⁵U от изходния природен продукт.

В процеса на обогатяване се образуват две фракции - обеднен (depleted) уран, който е отпадък и обогатен (enriched) уран (краен продукт). Количеството природен уран M_n, необходимо за получаване на определено количество M_e обогатен уран с концентрация С_е, се определя от балансното уравнение:

където:

са съответно концентрациите на ²³⁵U в природния, обогатения и обеднения уран.

Необходимото обогатяване С_е се определя от типа на реактора. Ясно е, че колкото е по-малка концентрацията на ²³⁵U в обеднения уран, толкова по-малък разход на природен уран е необходим за получаване на дадено количество гориво с дадено обогатяване. С намаляването на С_d обаче цената на работата за разделяне на изотопите нараства, тъй като тя трябва да продължи по-дълго. На практика се използува обикновено  С_d=0.25-0.3%. При такъв отпадък дълбочината на извличане на ²³⁵U от природния уран е 58-63%.