для чего обогащают уран
Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?
Чем же так страшен обогащенный уран
На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.
При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.
Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.
Урановые рудники: правда и вымысел
Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.
Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.
Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.
Урановая руда
Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.
Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.
Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.
Газодиффузионный способ обогащения
Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.
Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.
Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.
Центрифужный метод
Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.
Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.
Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.
Применение обогащенного урана
Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни – ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.
В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.
Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.
Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, – топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.
Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на термоядерный синтез как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.
Как обогащают уран: метод центрифужного разделения изотопов
Разделить изотопы совсем не просто. Их химические свойства идентичны (в конце концов, это один и тот же химический элемент), а разница в атомной массе составляет чуть более 1%, так что физические методы для разделения должны иметь очень высокую избирательность. Этот вопрос в 1950-х стал одним из решающих моментов, которые определили успех советской ядерной отрасли и заложили основу для современной конкурентоспособности российской ядерной промышленности на мировом рынке.
Сквозь сито
Самым простым методом разделения является газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) сквозь мелкопористую мембрану, при этом различные изотопы диффундируют сквозь поры с различной скоростью. Именно газовая диффузия стала первым методом, который использовался для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах. В США разработки в области газовой диффузии для Манхэттенского проекта велись под началом лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри. В СССР до 1954 года этим направлением руководил академик Борис Константинов, потом его сменил Исаак Кикоин.
Поначалу, как это нередко бывает, метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Но он требовал огромных затрат электроэнергии — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской атомной, как теперь выясняется, строились прежде всего для этих целей. Кроме общей дороговизны и низкого КПД, метод газовой диффузии был небезопасен для работающих — главным образом из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением, а это потенциальные выбросы и загрязнение окружающей среды. Между тем альтернатива газодиффузионному методу была известна с конца XIX века — это центрифужный метод, сулящий весьма значительную экономию: когда в 1958 году завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного метода, а себестоимость — вдвое меньше. Правда, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали многочисленные технологические сложности.
Немецкие корни
Истоки советской технологии центрифуг берут свое начало в нацистской Германии, где в рамках атомного проекта велись эксперименты по разделению урана. Один из участников этого проекта, инженер-физик Геронт Циппе, оказался среди других немецких военнопленных, отправленных в СССР. Под началом Макса Штеенбека, своего соотечественника и тестя, Циппе до 1954 года занимался экспериментальными исследованиями — сначала в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а последние два года — в особом конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде.
Как свидетельствуют участники и очевидцы тех событий, немецкие ученые не знали отказа в материалах для исследований. И режим у них был почти такой же, как у наших секретных атомщиков, которых столь же плотно опекало ведомство Берии. В июле 1952 года специальным постановлением правительства Штеенбека и его помощников перевели из Сухумского института в Ленинград, в ОКБ Кировского завода. Да еще усилили группу выпускниками политехнического института с профильной кафедры ядерных исследований. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе-Штеенбека. За дело взялись горячо, однако уже в первом квартале 1953-го работу прекратили, не доводя до испытаний: стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства.
Центрифуга Циппе была не первой советской машиной подобного назначения. Еще во время войны в Уфе другой немец, Фриц Ланге, бежавший из Германии в 1936 году, изготовил громоздкий аппарат на подшипнике. Однако специалисты, знакомые с перипетиями атомного проекта в СССР и США, отмечают одно безусловное достижение группы Штеенбека — оригинальную конструкцию опорного узла: ротор опирался на стальную иглу, а эта игла — на подпятник из сверхтвердого сплава в масляной ванне. И вся эта хитроумная конструкция удерживалась специальной магнитной подвеской в верхней части ротора. Его раскрутка до рабочей скорости также производилась посредством магнитного поля.
Советский конкурент
В то время как проект группы Штеенбека потерпел фиаско, в феврале того же 1953 года была выведена на рабочие обороты газовая центрифуга с жестким ротором конструкции советского инженера Виктора Сергеева. За год до этого Сергеев с группой специалистов из особого КБ Кировского завода, где он тогда работал, был командирован в Сухуми для ознакомления с экспериментами Штеенбека и его команды. «Именно тогда он задал Штеенбеку технический вопрос о расположении отборников газа в виде трубок Пито, — приоткрыл важные подробности ветеран центрифужного производства ПО «Точмаш» Олег Чернов, хорошо знавший Сергеева и работавший вместе с ним. — Вопрос был сугубо техническим и содержал, по сути, подсказку, как сделать конструкцию центрифуги работоспособной». Но доктор Штеенбек проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила. »
По словам Олега Чернова, Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги в 13 странах. Первые лица в советском атомном ведомстве, узнав о таком интеллектуальном коварстве, шум поднимать не стали — если следовать официальной версии, «чтобы не вызывать подозрений и повышенного интереса к этой теме у военно-технической разведки США». Пусть, мол, думают, что Советы довольствуются неэкономичным, как и у них, газодиффузионным методом. В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, следует отдать должное, «Русской центрифугой». Однако увлечь американцев он не сумел. В отношении новой машины, как в свое время и по конструкции Штеенбека, был вынесен вердикт: для промышленного использования непригодна.
Правда, четверть века спустя в США все-таки решили перейти с газовой диффузии на центрифуги. Первая попытка не удалась — в 1985 году, когда были установлены первые 1300 машин, разработанные в Оук-Риджской национальной лаборатории, правительство США закрыло программу. В 1999 году на расконсервированной площадке в Пайктоне (штат Огайо) вновь начались работы по установке американских центрифуг нового поколения (в 10−15 раз больше российских по высоте и в два-три раза по диаметру) с ротором из углеродных волокон. По плану смонтировать 96 каскадов по 120 «волчков» предполагалось еще в 2005 году, но и к концу 2012 года проект все еще не запущен в коммерческую эксплуатацию.
Секретные иголки
А тем временем в СССР, в малоприметном местечке Верх-Нейвинск на Среднем Урале, в обстановке строжайшей секретности монтировалась первая опытная линия разделительных газовых центрифуг. Исаак Кикоин еще в 1942 году сталкивался с газовой центрифугой конструкции Ланге и даже испытывал ее в своей лаборатории в Свердловске. Тогда эксперименты желаемых результатов не дали, и академик скептически относился к самой возможности создания промышленных газовых центрифуг. Главной бедой самых первых установок была их недолговечность. И хотя вращались они поначалу со скоростью «всего» 10000 оборотов в минуту, совладать с огромной кинетической энергией ротора было далеко не просто.
— Машины-то ваши разрушаются! — язвительно упрекнул разработчиков на одном из совещаний в Минсредмаше начальник главка Александр Зверев, имевший звание генерала НКВД.
— А вы что хотели? Чтобы они еще и размножались?! — дерзко парировал руководивший в то время проектом заместитель главного конструктора Анатолий Сафронов.
По первоначальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 мм — как танковая броня. Попробуй такую махину раскрути. Но методом проб и ошибок нашли-таки компромиссное решение. Был создан специальный сплав — прочнее и легче стали. Корпуса современных центрифуг, которые одному из авторов довелось увидеть и подержать в руках на ПО «Точмаш» во Владимире, никаких ассоциаций с танковой броней не вызывают: обычные с виду пустотелые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью. Издали их можно принять за обрезки труб с соединительными фланцами на концах. Длина — не больше метра, в диаметре — сантиметров двадцать. А на Уральском электрохимическом комбинате из них собраны гигантские каскады длиною в сотни метров. Знаки на стенах и специальная разметка на окрашенном бетонном полу в технологических проходах указывают, что здесь принято перемещаться на велосипеде. Правда, не быстрее 5−10 км/ч.
А внутри гудящих едва слышно центрифуг совсем другие скорости — ротор на игле с корундовым подпятником, «подвешенный» в магнитном поле, делает 1500 оборотов в секунду! В сравнении с первым изделием ВТ-3Ф 1960 года выпуска его разогнали почти в десять раз, а срок безостановочной работы увеличили с трех лет до 30. Наверное, трудно найти другой пример, когда бы техника демонстрировала такую надежность при столь экстремальных параметрах. Как рассказал заместитель начальника центрифужного производства Валерий Лемперт, на комбинате в Новоуральске еще работают машины, которые «Точмаш» поставил туда 30 лет назад: «Это было, наверное, третье поколение центрифуг, а сейчас серийно производится восьмое и запускается в опытное производство девятое».
«В конструкции нашей центрифуги ничего сверхсложного нет. Все дело в отработке технологии до мельчайших деталей и строгом контроле качества, — объясняет Татьяна Сорокина, которая десятки лет «вела» на заводе технологию изготовления опорной иглы для ротора. — Такие иглы делают из обычной рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот способ закалки наконечника — это наше ноу-хау».
Свое объяснение секретам российской центрифуги дал на склоне лет и один из главных ее создателей — Виктор Сергеев. По свидетельству инженера Олега Чернова, на вопрос спецслужб, а что же нужно охранять в этом изделии и в чем его главный секрет, конструктор ответил лаконично: «Люди».
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:
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:
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:
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:
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:
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.
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
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:
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:
Страны, добывающие уран
Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году: