Способы обогащения урана 235

Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение

Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта первым, восстановившим из руды один из наиболее распространённых минералов урана – настуран.
• Французского химика ЭженаПелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес.
• Великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева – поставившего уран в соответствующую его характеристикам клетку периодической системы, задолго до открытия действительного атомного веса этого элемента.
• Знаменитого британского физика Эрнеста Резерфорда, открывшего два вида радиоактивного излучения урана.
• Советских академиков Юлия Борисовича Харитона и Якова Борисовича Зельдовича, доказавших возможность осуществления цепной ядерной реакции.

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

• Тяжёлый, гибкий и ковкий металл, плотностью 18-19 г/см 3 .
• Температура плавления равняется +1132,3 0 C.
• Температура кипения составляет +4113 0 C.
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +150 0 C, уран способен самовозгораться.
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определённых температурах: альфа, бета и гамма.
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.
• Химически очень активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной плёнкой.

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:

• настуран,
• карнотит,
• соединения с ванадием и титаном,
• силикаты,
• фосфаты.

Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

• откалывание (отбивание) материала,
• погрузку его на вагонетки или шахтные самосвалы,
• перевозку руды до бункера приёмки,
• скиповое поднятие на поверхность,
• транспортировку к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.

Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.

Обогащение урана

Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 ( 235 U). Остальную часть составляют:

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235 U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

• Обеднённый уран представляет собой технологические отходы процесса обогащения. Содержание 235 U в нём колеблется в пределах: 0,1–0,3 %. Тем не менее, постепенно он находит широкий диапазон применения в качестве:

• химического катализатора в реакциях восстановления перекиси водорода и кислорода;
• космического, судового, автомобильного балласта и самолётного противовеса;
• средства радиационной защиты;
• бронебойного сердечника снарядов;
• танковой брони;
• ударного механизма буровых штанг,
• средства получения комплексного ядерного топлива, применение которого возможно в энергетических ядерных реакторах на тепловых нейронах.

• Низкообогащённый уран с концентрацией 235 U доходящей до 20%, широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.
• Высокообогащённый уран, содержащий в себе свыше 20% урана-235, применяется при изготовлении атомных и водородных бомб, а также в качестве длительно используемого ядерного топлива в реакторах морских судов и космических кораблей.

Технологии

В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.

• Термодиффузия – концентрирующая различные по массе изотопы в отдельных температурных зонах.
• Электромагнитная сепарация – отбирающая разно заряженные ионы в отдельные сборники.
• Газовая диффузия – использующая неодинаковую скорость проникновения частиц через мелкопористые мембраны.
• Центрифугирование – разделяющее газовую среду по скоростям вращающихся потоков.
• Аэродинамическая сепарация – создающая завихряющиеся потоки в соплах искривлённой конфигурации.

Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.

Применение

Ядерное топливо

Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).

Геология

Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.

Другие сферы

В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

• Австралия – 19 месторождений. Крупнейшими из них являются: ОлимпикДан – 3 тыс. тонн добычи ежегодно, Биверли – 1 тыс. тонн., Хонемун – 900 тонн.
• Казахстан. 16 месторождений. 6 наиболее значимых: Будёновское, Западный Мынкудук, Ирколь, Корсан, Южный Инкай, Харасан.
• Россия. 7 месторождений. Из них в эксплуатации находятся три: Аргунское, Жерловское, Источное.
• Канада. Известные урановые залежи на территории этой страны: МакАртур-Ривер, Сигар Лейк и «Проект Уотербери».
• ЮАР. Месторождение Доминион и рудники: Вааль-Ривер, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн.
• Нигер. 12 залежей. Наибольшие: Азелит, Арлит, Имурарен, Мадауэла.
• Намибия. 4 месторождения.

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

• Австралия – 40%.
• Канада – 15%.
• Казахстан – 13%.
• Бразилия – 8%.
• Южная Африка – 6,5%.

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

• Казахстан – 21,705 тыс. тонн. 41% мировой добычи, составляющей 53,498 тыс. тонн.
• Канада – 7,001 тыс. тонн. Что составляет 13% от общемирового уровня.
• Австралия – 6,517 тыс. тонн или 12%.
• Намибия – 5,525 тыс. тонн.
• Нигер – 2,911 тыс. тонн.
• Россия – 2,904 тыс. тонн.
• Узбекистан – 2,404 тыс. тонн.
• Китай – 1,855 тыс. тонн.
• Украина – 1,18 тыс. тонн.
• США – 582 тонны.
• Также добычей урана занимаются: Индия – 423 тонн, ЮАР – 346 тонн, Иран – 71 тонна и Пакистан – 45 тонн.

Источник

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