Технология разделения изотопов урана

Национальный исследовательский
Томский политехнический университет
Кафедра химической технологии редких,
рассеянных и радиоактивных элементов
Составитель:
Р. Крайденко
Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»)
разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые
имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа.
Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то
же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома
зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь,
определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём),
и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа
протонов Z и нейтронов N).
Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь
лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического
элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса,
означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать
название элемента с добавлением через дефис массового числа (например,
углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные
названия (например, дейтерий, актинон).
Составитель: Крайденко Р.И.
Комплекс производственных процессов, производимых для повышения
процента U-235 в установленном количестве урана называется "обогащением
урана". Здесь термин "обогащение" означает повышение процента
расщепляющегося изотопа U235. В легководных ядерных реакторах обычно
используют от 3 до 5 процентов обогащенного урана, а остальная часть
фактически состоит из U238. Вещество с таким уровнем содержания U235
называется "низкообогащенным ураном" или НОУ.
Атомные
бомбы
невозможно
создать
из
природного
или
низкообогащенного урана.
Доля U235 слишком мала и не обеспечивает
нарастающую "сверхкритическую" цепную реакцию за довольно короткое
время, чтобы произвести взрыв. Для создания атомной бомбы содержание U235 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.
Уникальность гексафторида урана заключается в том, что фтор не имеет
изотопов т.е. молекулярная масса гексафторида урана зависит только от массы
изотопов самого урана. Второй немаловажный фактор
- газообразное
состояние гексафторида урана уже при 56 °С при атмосферном давлении.
По оценкам экспертов изотопное обогащение урана составляет около 30 %
Составитель: Крайденко Р.И.
затрат производства ядерного топлива.
Для выяснения места технологии разделения изотопов необходимо
напомнить, что технология урана подразумевает передел рудного сырья в
уранилнитрат, уранилнитрат через стадию оксидов и тетрафторида
превращается в гексафторид, гексафторид разделяется на гексафторд урана-235
и гексафторид урана-238, а затем из гексафторида, обогащенного изотопом U235 ,
производится диоксид урана для ТВЭлов.
Исходный ядерно-чистый гексафторид урана, содержащий
99,3 %
гексафторида урана-238 и 0,7 % гексафторида урана-235. Необходимо из этой
смеси выделить гексафторид изотопа урана-235.
Мощность урановой обогатительной установки по повышению процента U235
представлена в единицах, которые называются килограммом Единицы
разделительной работы (ЕРР) 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,
Составитель: Крайденко Р.И.
тем больше ЕРР необходимо для
достижения желаемой степени обогащения.
Для получения одного килограмма высокообогащенного урана (то есть
урана, содержащего 90% U235), потребуется более 193 ЕРР и почти 219
килограммов природного урана при условии, что в обедненном уране
останется 0,3% U235. Если допустимая доля U-235 в обедненном уране составит
0, 2 %, потребуется почти 228 ЕРР и более 176 килограмм природного урана.
Существует множество методов разделения изотопов:
1. Газодиффузионный;
2. Центрифугирование;
3. Дистилляция (ректификация)
..........................
4. Электромагнитный
5. Термодиффузионный
6. Изотопный обмен
7. Лазерное разделение
Это не далеко полный список всех методов разделения изотопов, на
практике сейчас применяется только три первых метода. Остальные методы не
носят промышленного масштаба и используются только в экспериментальных
работах, хотя часто являются более качественными нежели многотоннажные
промышленные способы.
Составитель: Крайденко Р.И.
Методы получения стабильных и долгоживущих изотопов
1.
Молекулярно кинетические методы (газовая диффузия, газовые центрифуги).
2. Физико – химические методы (химический изотопный обмен, метод
ректификации).
3. Электромагнитный и плазменный методы.
4. Оптические методы.
Составитель: Крайденко Р.И.
•
•
•
•
К молекулярно-кинетическим методам разделения относятся:
газовая диффузия,
центрифугирование,
массдиффузия,
термодиффузия.
Все перечисленные методы используют различие масс разделяемых
изотопов. Для разделения изотопов этими методами необходимо иметь
готовое или синтезировать новое газообразное вещество (термодиффузия
может проводиться и для жидких смесей), в состав которого входят
разделяемые изотопы. Производительность разделительных элементов
зависит от давления рабочего соединения, упругость пара которого при
комнатной температуре должна быть не менее 5-10 Торр. Кроме того,
необходимо, чтобы это соединение было достаточно устойчиво по отношению
к температурной диссоциации и коррозионно совместимо с материалами, из
которых изготовлены разделительные элементы. Желательно, чтобы
содержание разделяемого элемента в молекуле рабочего соединения было
также достаточно высоким.
Составитель: Крайденко Р.И.
Наиболее подходящими соединениями для разделения изотопов являются
фториды, так как химический элемент фтор моноизотопен. Для разделения
изотопов урана, использующегося в качестве горючего атомных электростанций, используется гексафторид урана UF6. Наряду с процессом разделения
химический синтез рабочих веществ и переработка разделённых фракций в
конечные химические формы имеют большое значение при разделении
изотопов.
Кроме разделения изотопов урана, освоенного в ряде стран на
промышленном уровне с использованием методов газовой диффузии и газовой
центрифуги, в России большое развитие получило разделение стабильных
изотопов более чем тридцати химических элементов центрифугированием.
Параллельно проводятся работы по применению газовых центрифуг для
обогащения радиоактивных изотопов и очистке рабочих веществ от газовых
примесей.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Таким образом если в диффузионных машинах коэффициент разделения
зависел от отношения масс гексафторида урана-235 и урана-238, то в
центрифугах он зависит от разности масс. Нетрудно посчитать, что в
центрифугах коэффициент разделения a=1,3.
На центрифугах возможно получать гексафторид урана обогащенный U235
более 90 %.
Коэффициент разделения зависит от двух факторов:
1. От разности масс изотопов
2. От скорости вращения центрифуги
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Важнейшим элементом центрицуги является ротор (8) - цилиндр,
вращающийся с огромной скоростью в газовой среде с пониженным давлением.
Здесь приведена схема так называемой подкритической центрифуги, что
означает, что рабочая частота вращения ротора ниже его первой резонансной
частоты. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты,
на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими
свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте
вращения ротора выше резонансной, называется надкритической.
В пространстве между ротором и внешним кожухом (5) центрифуги
поддерживается вакуум, что необходимо для снижения сопротивления
вращению, т.е. энергоемкости машины. Вакуум обеспечивается с помощью
молекулярного насоса (7), представляющего собой спиральные канавки на
внутренней поверхности кожуха.
Гексафторид при определенной температуре и давлении подается в
центрифугу через трубопровод питания (2) и поступает в роторное
пространство возле оси ротора в его центральной части (9). Вследствие высокой
скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 и более
м/сек) газ концентрируется у его стенки, где его давление может составлять
десятки тысяч паскалей. Напротив, у оси ротора образуется так называемое
«вакуумное ядро».
Составитель: Крайденко Р.И.
Анализ физических процессов, происходящих в газовой центрифуге,
показывает, что эффективное разделение компонентов смеси происходит только
при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция
(показанная на рисунке стрелками) обеспечивается, например, созданием
осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При
циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов
устанавливается в торцевых частях центрифуги, - нижней и верхней
соответственно.
С целью отбора продуктов деления в центрифуге предусмотрены диафрагмы
(10) с отверстиями, вращающиеся вместе с ротором, и неподвижные
газоотборники (4, 11), представляющие собой тонкие изогнутые трубки.
Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью
газоотборника (11) в трубопровод (3). Тяжелая фракция - отвал (или хвост)
отбирается (4) и поступает в канал (1).
Кроме упомянутых выше, газовая центрифуга включает в себя еще целый ряд
критических для ее работы устройств: нижняя опора ротора (13), магнитный
подшипник (6), двигатель (12) и др., каждое из которых представляет собой
определенное ноу-хау.
Составитель: Крайденко Р.И.
Критическими для обеспечения разделительной способности центрифуги
являются ее геометрические размеры (длина ротора), скорость вращения
ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении, для
обеспечения которой применяются специальные меры.
Характерные размеры российских подкритических газовых центрифуг:
длина ротора около 1 м, диаметр около 0,5 метра. Машины компонуются в блоки
по 20 центрифуг, соединенных параллельно, называемые агрегатами. Агрегаты
монтируются на стеллажи - до 7 этажей высотой.
Составитель: Крайденко Р.И.
Организация каскада разделения изотопов
Уже говорилось о том, что для разделения изотопов необходимо большое
количество разделительных машин (центрифужных или диффузионных).
Одну диффузионную машину можно схематично представить на схеме
следующим образом:
Сбоку входит исходная смесь. Через перегородку проходит частично
обогащённый лёгким изотопом газ, вниз уходит частично обеднённый легким
изотопом (тяжёлый) газ. Для достаточного разделения необходимо соединить
в каскад сотни таких машин.
Составитель: Крайденко Р.И.
Верхняя часть каскада называется
стадией обогащения, нижняя стадией
обеднения.
Для получения гексафторида урана с
содержанием U235 не менее 90% необходим
каскад из 600 стадий разделения.
В
Таблице
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.
Составитель: Крайденко Р.И.
Низкообогащенный уран
Высокообогащенный уран
(НОУ)
(ВОУ)
Природный
Услуги по
Природный
Услуги по
уран
обогащению
уран
обогащению
8,2 кг
4,5 ЕРР
219 кг
193 EPP
6,7 кг
5,7 ЕРР
176 кг
228 ЕРР
Доля U-235 в
обедненном
потоке
составляет 0,3 %
Доля U-235 в
обедненном
потоке
составляет 0,2 %
НОУ = уран, содержащий 3.6% U-235, обычно используется в легководном реакторе.
ВОУ = уран, содержащий 90% U-235, обычно используется для создания ядерного оружия.
ЕРР = Единица разделительной работы
Составитель: Крайденко Р.И.
кг = килограмм
Составитель: Крайденко Р.И.
Разделение изотопов один из наиболее дорогих операций в технологии
урана, приведём примерные цены на килограмм урана в долларах США, в
зависимости от степени обогащения (цены значительно зависят от объёмов
производства и спроса):
Uприр - 27$
U 2% - 130$
U 5% - 440$
U 90% - 10000$
После разделительных заводов. Обеднённый уран идёт на захоронение.
В РФ накопилось более 100 тыс. Тонн обеднённого урана. Обеднённый
гексафторид урана закачивается в специальные контейнеры, если эти
контейнеры поставить на железнодорожные платформы то такой эшелон
займёт всю дорогу от Москвы до Владивостока. Отвальный гексафторид урана
представляет некоторую экологическую опасность и уже разработаны схемы
по его конверсии, ведь гексафторид урана огромный источник так
необходимого производству фтороводорода и фтора.
Составитель: Крайденко Р.И.
Атомная промышленность потребляет порядка трети всего производимого в
России углеволокна. Одна из областей применения данного материала –
производство газовых центрифуг. Ранее их производили из сплавов алюминия.
Но теперь существуют полимерные композиционные материалы на основе
углеродного волокна, отвечающий требованиям прочности и легкости.
Композиты также будут задействованы в строительстве атомных станций
нового поколения. Речь идет о применении композитной арматуры при
производстве и монтаже бетонных конструкций, а также о применении
композитных труб в градирнях. Предполагается, что применение таких
материалов позволит повысить качество строящихся АЭС.
Актуальность замены металла на композиты обусловлена подверженности
металла коррозии. Например, металлические трубы в градирнях ржавеют, текут
и требуют постоянного ремонта. Композитная арматура, напротив, совершенно
не подвержена коррозии и по ряду других важных характеристик превосходит
арматуру из металла.
Использование
современных
материалов,
а
также
непрерывное
инновационное развитие применяемых технологий, является важной
составляющей улучшения качества строительства и гарантией надежности и
безопасности атомных станций.
Составитель: Крайденко Р.И.
Аэродинамические методы
Техника аэродинамического разделения за последнее десятилетие достигла
заметных успехов и сейчас два способа разделения в Германии (разделительное
сопло) и ЮАР (усовершенствованная вихревая трубка), вступили в
промышленную фазу.
В
обоих способах эффект разделения создается в
основном
центрифугированием в газовом потоке, отклоненном неподвижной стенкой
специальной формы. В обоих случаях технологическим газом служит
гексафторид урана, сильно разбавленный водородом. В обоих случаях эффект
разделения в элементарном акте значительно выше (в 4-8 раз), чем в
газодиффузионном методе. Общей особенностью является низкий коэффициент
деления потоков гексафторида урана в каждой ступени. Поэтому для этого
метода требуются ассиметричные каскады. В технологии, применяемой в ЮАР,
было разработано особое каскадирующее устройство, названное «геликоновым».
Составитель: Крайденко Р.И.
Лазерное разделение
Лазерное разделение основано на селективном возбуждении атомов урана
(испаряемых из металла при 2500 К), или молекул гексафторида урана лазерным
лучом. Селективно ионизированные атомы затем отделяются от нейтральных с
помощью электрических или магнитных полей (рис.8). Другой способ
заключается в проведении фотохимических реакций селективного возбуждения
молекул гексафторида.
Потенциально метод относится к наименее энергозатратным.
Благодаря высокой селективности лазерного метода необходимое
обогащение изотопом 235U может быть получено при малом числе ступеней.
Этот факт приводит к противоречию с требованием, чтобы ядерная технология
обеспечивала нераспространение ядерного оружия. Высокая селективность
делает этот метод особенно привлекательным для дальнейшей переработки
отвалов существующих обогатительных заводов.
Составитель: Крайденко Р.И.
Составитель: Крайденко Р.И.
Химический обмен
Химический обмен в применении к разделению изотопов элементов,
включая уран, исследуются уже давно.
Эффективность разделения урана оказалась слишком мало для практических
целей. Однако во Франции было объявлено о разработке перспективного
способа разделения изотопов урана, основанного на химическом обмене
(ионообмен).
Составитель: Крайденко Р.И.
Электромагнитные методы
В области электромагнитных методов разделения лабораторные
исследования проводились для изучения возможности применения ряда
концепций. Наиболее пригодными были признаны два: вращение плазмы и
ионный циклотронный резонанс.
Оба метода потенциально могут быть использованы для получения очень
высокого коэффициента разделения.
Установка для электромагнитного разделения изотопов
Составитель: Крайденко Р.И.
Сопло Беккера
Различные кинетические методы решения задачи разделения изотопов
можно классифицировать на методы, использующие разность коэффициентов
переноса для молекул различных масс, и на методы, использующие движение
разделяемой смеси в потенциальном поле. Наиболее характерным методом
второго класса как раз и является метод газовой центрифуги, который, однако,
требует даже для лабораторной демонстрации своих грандиозных возможностей
весьма впечатляющих опытно-конструкторских работ, в силу абсолютной
инженерной «нестандартности» газовой центрифуги. Предложенный,
предположительно Дираком, примерно в то же время, что и газоцентрифужный,
метод разделительного сопла (сопла Беккера, по имени руководителя первых
успешных экспериментальных работ) опирается на тот же базовый принцип —
разделение в поле центробежных сил — но свободен от целого ряда инженерных
проблем, как то оптимальное сочетание прочности быстровращающегося
цилиндра с его резонансными и массо-габаритными свойствами,
фантастической для промышленных приложений износоустойчивости опорного
узла и др.
Составитель: Крайденко Р.И.
Если между двумя параллельными
поверхностями быстро движется смесь
газов с различной молекулярной массой,
то при плоских поверхностях смесь
останется однородной, но если обе
поверхности круто изогнуты, и поток
между ними в зоне изгиба как бы
вращается, описывая часть окружности,
то в зоне поворота начинают действовать
центробежные силы и устанавливаться распределение Больцмана, различное
для каждого из газов. Переход метода от теоретической абстракции к
эффективной практической реализации стал возможен, также как и в случае
вертикальной циркуляции в ГЦ, благодаря предложению направлять на
отклоняющую пластину не чистый гексафторид урана, а его смесь с водородом
или гелием — газом-носителем. Увлечение тяжёлого газа скоростным потоком
более лёгкого газа приводит к возрастанию эффективности разделения
пропорционально более высокой степени скорости набегающего потока,
нежели потери на ускорение последнего.
Составитель: Крайденко Р.И.
Для бинарной смеси гексафторидов изотопов урана максимальная скорость
потока будет ниже 100 м/с, и изотопная разность градиентов концентраций
будет очень малой, однако если в качестве газа-носителя использовать водород
или гелий, скорость звука в которых больше 1000 м/с, то эффект разделения
существенно возрастёт. Таким образом, в зоне разворота потока у наружного
края, как и у стенки ротора центрифуги, образуется обогащение по урану в
целом по отношению к водороду или гелию и обогащение ураном-238 по
отношению к урану-235.
Поскольку поток в такой геометрии можно развернуть лишь примерно на
180°, то равновесное распределение не успеет установиться за 10-6 с, пока газ
проходит зону разворота, но теория и эксперимент показали, что достижение
обогащения в 1-2% за одно прохождение достигаются для смеси, содержащей
примерно 5% UF6 в водороде или гелии. Это существенно меньше, чем в
простых центрифугах, но намного больше, чем на газодиффузионных
фильтрах. Разумеется, существует сильная зависимость параметра единичного
разделения в от давления газа на входе Pq (т. е. произведения скорости на
массовый расход), в общем случае эта зависимость двузначна. Как и в
центрифужном методе, удельный эффект разделения, получаемый на
одиночном щелевом сопле, должен быть умножен каскадированием элементов.
Составитель: Крайденко Р.И.
Оптимальные рабочие режимы и характеристики сопла.
Смесь UF6 и Н2 с 4,2% UF6,
Давление на входе 0,26 бар (26 кПа),
Коэффициент расширения 2,1,
Коэффициент деления потока 0,25,
Коэффициент разделения 1,48 • 10-2.
Метод разделительного сопла был разработан Центром научных
исследований в Карлсруэ (ФРГ). Далее в разработке и промышленном
внедрении участвовали фирма «Штеаг», бразильская фирма «Нуклебрас»,
«Интератом» ФРГ. Фирма «Сименс» (Мюнхен) разработала технологию
изготовления элементов сопел методом фототравления. В Южной Африке
была разработана модификация метода (вихревая труба), схема которой не
публиковалась.
Мощная разделительная ступень этого метода снабжена компрессором с
объёмным расходом смеси 100000 м3/ч; энергозатраты метода — от 2500 до
5500 кВт • ч/ЕРР, что примерно вдвое превышает энергозатраты газовой
диффузии.
Преимущество сопла Беккера перед газовой диффузией состоят в
возможности реализации завода для производства высокообогащённого урана
при существенно меньшем количестве разделительных ступеней и масштабе
Составитель:
Крайденкодиффузии.
Р.И.
производства, чем при использовании
газовой
В настоящее время мировой рынок обогащённого урана не испытывает
потребности в разработке новой технологии разделения изотопов урана. Для
повышения эффективности экономики той части ядерного топливного цикла,
которая связана с обогащением урана, следует использовать технологию
газовой центрифуги. Свидетельством этого является возобновление в США и
Франции остановленных около 20 лет назад работ по созданию промышленного
метода разделения изотопов урана на газовых центрифугах. По оценке
экспертов URENCO на разработку нового поколения газовых центрифуг даже в
таких высокоиндустриальных странах как США и Франция потребуется от 7 до
10 лет. В то же время требования к экономичности газовых центрифуг для нужд
атомной энергетики возрастают в связи со стремлением к существенному
понижению концентрации урана-235 в отвале.
Пока неясно, может ли стать экономически привлекательной задача
повторной переработки полутора миллионов тонн накопленного в мире
отвального урана, но её решение может быть связано только с очень серьёзным
удешевлением стоимости работы разделения. Ещё одна задача — переработка
вторичного урана, извлечённого из отработавших ТВЭЛов и содержащего
гораздо более радиоактивные изотопы урана. Здесь главная проблема —
очистка каскадов от сильно радиоактивных коррозионных отложений, не
повреждающая роторы центрифуг и другие элементы каскада.
Составитель: Крайденко Р.И.
Некоторые страны разработали или позаимствовали центрифуги для
ядерного
самовооружения.
Требования
к
экономичности
и
производительности таких центрифуг много ниже, чем для центрифуг ядерной
энергетики, и сейчас в мире достаточно открытых публикаций, открыто
продающихся высокопрочных волокон и других компонентов, чтобы
среднеразвитая страна сама, без кражи секретов, разработала каскад из
нескольких тысяч не слишком сложных по современным возможностям
центрифуг. Поэтому авторы считают, что борьба с неконтролируемым
распространением центрифуг в мире должна вестись прежде всего с помощью
инспекций,
опирающихся
на
усовершенствованное
международное
законодательство в этой области.
Разработка высокоскоростных центрифуг с окружной скоростью более
700 м/с может привести к существенному расширению их использования для
разделения лёгких изотопов: бора, углерода, азота, кислорода. Сейчас изотопы
этих элементов выделяют методами ректификации и химобмена, специально
создавая не очень крупные и потому не слишком экономичные установки.
Центрифужные же каскады могут действовать в составе мощных урановых
комбинатов, где их эксплуатация будет в несколько раз дешевле.
Составитель: Крайденко Р.И.
В основе презентации лежат труды авторов:
- Андреев Г.Г.;
- Бекман И.Н.;
- Галкин Н.П.;
- Дьяченко А.Н.;
- Калин Б.А.
- Кошелев Ф.П.;
- Ран Ф.;
- Синев Н.М.;
- Тураев Н.С.;
- internet
Составитель: Крайденко Р.И.