Разделяй и властвуй
Любая страна, претендующая на статус ядерной державы, ставит первостепенной задачей овладение технологией промышленного обогащения урана. А это вопрос по известным причинам весьма деликатный. Недаром картинки, более или менее близкой к реальной конструкторской документации на соответствующее оборудование, в открытых источниках не найти. Куда легче обнаружить схему образца какой-нибудь водородной бомбы, чем настоящей газовой центрифуги.
Урана в земной коре маловато — где-то 2,5–2,9 десятитысячных процента. Причём способного к спонтанному делению урана 235 в природном сырье всего 0,711%. А для запуска реактора атомной электростанции необходимо, чтобы этого изотопа в ядерном топливе было 3–5%. В оружейном уране степень обогащения увеличивают до 90% и даже более.
Каким образом? Путём разделения исходного сырья, в котором доминирует уран 238, на «продукт» — фракцию, обогащённую ураном 235, и обеднённый «отвал». «Продукт» называется высокообогащённым, если содержит свыше 20% урана 235, низкообогащённым — если менее. В отвальном уране доля изотопа на уровне 0,3% и ниже.
СУММА ТЕХНОЛОГИИ
Процесс обогащения по сложности вполне можно сравнить с обнаружением иголки в стоге сена. Для определения его эффективности придуман особый показатель — единица разделительной работы (ЕРР). Это математическая функция, связывающая массу поступившего на переработку урана со степенью его конечного обогащения.
Для наработки низкообогащённого ядерного топлива, достаточного для загрузки одного тысячемегаваттного водо-водяного реактора АЭС, нужно задействовать до 100–120 тыс. ЕРР, зато для получения 20 кг высокообогащённого урана оружейной кондиции — в 30 раз меньше.
Прежде чем приступить к разделению изотопов урана, надо получить некий «урановый газ». Именно на разном поведении молекул газа неодинаковой массы основаны два самых распространённых метода обогащения урана — газодиффузионный и центрифужный. Таким газообразным соединением урана является его гексафторид — UF6. Он вырабатывается взаимодействием соединений урана (полученных из урансодержащей руды) с фторирующими агентами, например плавиковой кислотой.
Гексафторид урана — твёрдое вещество, которое легко переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, всего при 56 градусах. Это и есть тот самый «урановый газ», используемый в качестве сырья — специалисты называют его «питанием» — при обогащении урана газовой диффузией и центрифугированием.
Метод газовой диффузии основан на способности «лёгких» молекул гексафторида урана 235 проникать через специальные перегородки с микропорами быстрее, чем такие же молекулы, но «тяжёлые», с ураном 238. При центрифугировании же «тяжёлые» молекулы собираются у стенок ротора центрифуги, а «лёгкие» — у его оси. Поскольку речь идет об «иголке в стоге сена», то количество газодиффузионных и центрифужных обогатительных машин весьма велико. Они объединены в каскады, а те, в свою очередь, состоят из ступеней таких машин. Обогащающийся по 235 му изотопу уран последовательно переходит из ступени в ступень.
К примеру, к середине 2008 года на обогатительном заводе в иранском городе Натанзе эксплуатировалось порядка 4 тыс. газовых центрифуг общей мощностью до 9 тыс. ЕРР. И это вовсе не много: более мощные урановые газоцентрифужные заводы оперируют десятками, а то и сотнями тысяч центрифуг.
Газодиффузионные технологии пришлись по вкусу американцам и французам, а на центрифужном процессе — он куда экономичнее — базируется российская промышленность обогащения урана. Можно констатировать, что русская газовая центрифуга стала национальным брендом сродни атомным ледоколам, тульскому самовару и автомату Калашникова.
КАК ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ
Нужно сказать, отличающиеся профессиональной пытливостью зарубежные организации вроде ЦРУ и не чуждых ему «фабрик мысли» типа американской же корпорации RAND питали понятный интерес к обогащению урана в СССР. Однако железобетонный занавес секретности, сшитый по конспирологическим выкройкам ещё товарища Лаврентия Берии, оказался столь эффективным, что США сами же признавались в огромных погрешностях собственных оценок, связанных с этой темой.
Так, в капитальном труде «Советское ядерное оружие», изданном в 1989 году в штатах Советом защиты природных ресурсов (Natural Resources Defense Council, Inc.), сообщалось, что к середине 1980 х годов запасы высокообогащённого урана в Советском Союзе были примерно равны запасам США, то есть 500 т, но с поправкой на пятидесятипроцентную погрешность. В том же источнике со ссылкой на опубликованный в 1985 году ЦРУ «Атлас энергетики СССР» утверждалось, что «в СССР, как и в США, практически весь уран для военных целей производится газодиффузионным методом» и «проводятся исследования по нескольким альтернативным газодиффузионному методам обогащения урана».
А как же было на самом деле? Новая информационная эпоха, начало которой положила горбачёвская гласность, позволила заглянуть за упомянутый выше железобетонный занавес не только зарубежным аналитикам, тут же приступившим к работе над своими грубыми ошибками, но и любопытным гражданам страны лучших в мире (и это уже без всякой иронии) газовых центрифуг.
Работы по проблеме обогащения урана в рамках Атомного проекта начались в 1945 году. Газодиффузионная тематика, на которой был сделан упор с учётом сведений, добытых в США советской разведкой, велась под руководством Исаака Кикоина. Кроме того, исследовались возможности разработки электромагнитных и термодиффузионных технологий разделения изотопов урана.
Созданием первых газодиффузионных машин занимались опытно-конструкторские бюро Ленинградского Кировского и Горьковского машиностроительного заводов. Работы велись ударными темпами, свойственными Атомному проекту. В 1949 году на комбинате № 813, ныне известном как Уральский электрохимический комбинат (город Новоуральск, он же когда-то Свердловск 44), начал действовать первый в СССР газодиффузионный завод Д 1. Здесь смонтировали 7040 ураноразделительных машин суммарной мощностью 7,5 тыс. ЕРР. В 1950–1957 годах в Новоуральске вступили в строй ещё четыре более мощных обогатительных завода — Д 3, Д 4, СУ 3 и Д 5.
Первоначально завод Д 1 производил уран с обогащением 75%, что было недостаточно для производства ядерного оружия, и до девяностопроцентной кондиции он доводился электромагнитным способом на разделительной установке СУ 20 завода № 418 в Свердловске 45 (ныне комбинат «Электрохимприбор», город Лесной). Электромагнитный способ, основанный на различии радиусов траекторий движущихся в магнитном поле ионизированных молекул с атомами урана 238 и урана 235, был разработан под руководством Льва Арцимовича, а сама промышленная технология предложена Ленинградским НИИ электрофизической аппаратуры.
ВПЕРЕДИ ПЛАНЕТЫ ВСЕЙ
Уже в 1950 году на заводе Д 1 научились обогащать уран до 90%, надобность в дообогащении в Свердловске 45 отпала. Тамошнюю установку СУ 20 приспособили для производства других изотопов — уже не урановых, а площадки, предназначенные для электромагнитного обогащения урана, передали под сборку ядерных боеприпасов. Кстати, электромагнитный способ обогащения урана в 1980 е годы пытались реализовать в Ираке — здесь незадолго до нападения на Кувейт начали строительство обогатительной установки в районе Тармия севернее Багдада. В целом электромагнитный метод малоперспективен из-за значительных энергозатрат.
Обогащение урана методом газовой диффузии было также начато в 1953 году на комбинате № 816 в Томске 7 (сейчас Сибирский химический комбинат, Северск), а в течение 1957–1963 годов вышло на полную мощность газодиффузионное производство Д 8 на комбинате № 820 в Ангарске (Ангарский электролизный химический комбинат). В 1962 году вступил в строй электрохимический завод в Красноярске 45 (Зеленогорск), где также применялся газодиффузионный метод обогащения урана.
В начале 1960 х годов в Советском Союзе было решено перейти на центрифужную технологию — более прогрессивную, нежели газодиффузионная. Начало её разработки относится к 1946 году — тогда над этим трудились в Сухумском физико-техническом институте. Через пять лет работы были продолжены в ОКБ Ленинградского Кировского завода, что позволило уже в 1961 году ввести в эксплуатацию на Уральском электрохимическом комбинате опытный участок с 2,5 тыс. газовых центрифуг.
Эксплуатация продемонстрировала технико-экономические преимущества центрифужного обогащения урана, и в 1962–1964 годах в Новоуральске построили первый в мире центрифужный завод. В 1988 году на Уральском электрохимическом комбинате было окончательно прекращено использование газодиффузионного метода. Перешли на центрифуги и на Сибирском химическом комбинате, а также на электрохимическом заводе в Зеленогорске. А вступление в строй первой очереди центрифужного обогащения в Ангарске в 1991 году совпало по времени с полным отказом СССР от газодиффузионной технологии. Так что американцы серьёзно ошибались с характеристикой советского уранообогатительного комплекса.
Производство высокообогащённого оружейного урана в СССР было прекращено ещё в 1988 году, и все отечественные обогатительные заводы были переориентированы на производство урана для энергетических реакторов — наземных и морских. Половина российских обогатительных мощностей приходится на Уральский электрохимический комбинат. Здесь, по оценкам экспертов, сосредоточено около 10 млн. ЕРР.
Существующие сегодня в мире мощности обогащения урана оцениваются в 50 млн. ЕРР, из них 20 млн. — наши, считают специалисты. Собственные данные Россия не раскрывает. Отечественная урановая промышленность находится на ведущих позициях. И это один из приоритетов, которые определяют конкурентоспособность страны на международном рынке ядерных технологий. Завоевание новых секторов этого рынка входит в число стратегических задач русского атома.
Константин ЧУПРИН,
«Страна РОСАТОМ»
СПРАВКА
Крупнейшими мощностями по обогащению урана кроме России располагают европейские консорциумы Eurodif (Бельгия, Испания, Италия, Франция) и URENCO (Великобритания, Германия, Нидерланды), а также компании США и Японии. Технологиями обогащения урана владеют Аргентина, Бразилия, Израиль, Индия, Иран и Пакистан.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Разделение молекул с атомами разных изотопов урана происходит в гексафториде урана (UF6) — газообразном соединении, которое получают из урановой руды.
Гексафторид подаётся во внутреннюю полость ротора центрифуги через трубопровод питания и поступает в пространство возле оси ротора. При вращении с огромной скоростью за счёт центробежной силы газ начинает разделяться на «тяжёлую» и «лёгкую» фракции. При этом «тяжёлые» молекулы урана 238 собираются на периферии, а «лёгкие» молекулы урана 235 — в центре.
С помощью специальных приёмов в центрифуге создаётся поток циркулирующего газа в осевом направлении, в результате чего молекулы, содержащие уран 235, сосредотачиваются в нижней части ротора, а молекулы, содержащие уран 238, — в верхней. Вывод потоков газа с разными изотопами осуществляется с помощью особых трубок, установленных в роторе. Их соединяют последовательно в цепочку, называемую разделительным каскадом.
Источник
Технологии обогащения урана
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). UF6 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 UF6) 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.
Источник
