Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный?

Общая информация

Цепная ядерная реакция представляет собой деление ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением нескольких (2—3) нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Такое деление происходит при попадании нейтрона в ядро атома исходного вещества. Образующиеся при делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией. Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большого количества тепла. Осколки деления — это ядра, образовавшиеся непосредственно в результате деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычно называют продуктами деления. Ядра, делящиеся нейтронами любых энергий, называют ядерным горючим (как правило, это вещества с нечётным атомным числом). Существуют ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше некоторого порогового значения (как правило, это элементы с чётным атомным числом). Такие ядра называют сырьевым материалом, так как при захвате нейтрона пороговым ядром образуются ядра ядерного горючего. Комбинация ядерного горючего и сырьевого материала называется ядерным топливом. Ниже приведено распределение энергии деления ядра 235U между различными продуктами деления (в МэВ):

Кинетическая энергия осколков деления 162 81%
Кинетическая энергия нейтронов деления 5 2,5%
Энергия γ-излучения, сопровождающего захват нейтронов 10 5%
Энергия γ-излучения продуктов деления 6 3%
Энергия β-излучения продуктов деления 5 2,5%
Энергия, уносимая нейтрино 11 5,5%
Полная энергия деления ~200 100%

Так как энергия нейтрино уносится безвозвратно, доступно для использования только 188 МэВ/атом = 30 пДж/атом = 18 ТДж/моль = 76,6 ТДж/кг (по другим данным (см. ссылку) 205,2 — 8,6 = 196,6 МэВ/атом).

Природный уран состоит из трёх изотопов: 238U (99,282 %), 235U (0,712 %) и 234U (0,006 %). Он не всегда пригоден как ядерное топливо, особенно если конструкционные материалы и замедлитель интенсивно поглощают нейтроны. В этом случае ядерное топливо изготавливают на основе обогащённого урана. В энергетических реакторах на тепловых нейтронах используют уран с обогащением менее 6 %, а в реакторах на быстрых и промежуточных нейтронах обогащение урана превышает 20 %. Обогащённый уран получают на специальных обогатительных заводах.

Схема Теллера-Улама

Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».


В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер — цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.

На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба — это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.

Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.

При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.

В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент — начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд — в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.

Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.

Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы — уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».

Дефект массы

Последний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, — это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта».

Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту — в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, — масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями.

Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2.

Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие — объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй — в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине.

«В процессе производства ядерное топливо 11 раз проходит контроль качества»

Цех № 10, где сегодня производят ядерное топливо для БелАЭС. Фото предоставлено НЗХК

У «Росатома» два завода, изготавливающих ядерное топливо для атомных станций: в Подмосковье и Новосибирске. На белорусскую АЭС топливо будет поставлять Новосибирский завод химконцентратов (ПАО «НЗХК»). Руководство завода поясняет, что никакого технического вопроса в этом нет, Новосибирск был выбран для равномерной загрузки мощностей каждого завода. Сегодня новосибирский завод делает топливо для АЭС в России, Украине, Индии, Иране, Китае, Болгарии.

Вход на завод — только после тщательного досмотра. Брать с собой телефоны и даже диктофоны строго запрещено.

— Чтобы не допустить утечки информации, — объясняет нам сотрудник службы охраны и добавляет, что на входе нас проведут через рамки с металлоискателями, на выходе — через рамки, сканирующие на наличие делящихся материалов. На недоумевающие взгляды журналистов отвечает: «А вдруг таблетка урана вам в карман закатится». Таких случаев на заводе, конечно, не было, но проверить обязаны, — говорят нам.

Первую партию ядерного топлива для Беларуси производят в цеху № 10. Начали в августе, закончить должны к концу сентября. Сам цех состоит из нескольких участков, но работников тут немного — все полностью автоматизировано, участие человека сведено к минимуму. Заходить в цех без средств индивидуальной защиты запрещено, поэтому на всех сотрудниках — белые халаты, плотные бахилы, на головах — шапочки, на лицах — марлевые повязки.


Если говорить правильно, то цех производит тепловыделяющие сборки — ТВС, которые состоят из трубок из циркониевого сплава, внутри которых и находится ядерное топливо в виде спрессованных, спеченных «таблеток» диоксида урана весом пять граммов каждая.

Таблетки диоксида урана. Фото предоставлено НЗХК

Весит она немного, но энергия, которую выделяет одна таблетка, эквивалентна энергии, выделяемой 640 кг древесины или 400 кг каменного угля.

Фото предоставлено НЗХК

Трубку с таблетками называют твэл — тепловыделяющий элемент. В одну трубку входит 350 таблеток диоксида урана, в одну тепловыделяющую сборку 312 трубок, а в один реактор — 163 сборки. Все элементы — от порошка диоксида урана для таблеток до укомплектованных сборок — делают в одном цеху.

Трубки, в которые позже поместят «таблетки». Фото предоставлено НЗХК

От запуска производства сырья — порошка до готовой продукции — упакованной кассеты — две недели. Если описывать процесс изготовления примитивно, то производство выглядит так: порошок загружается в автоматы, там он прессуется в таблетки, они обжигаются, шлифуются, проходят на автоматический контроль качества на наличие брака и выходят из печи. Затем таблетки помещаются в изготовленные на отдельных станках трубки, которые позже соединяются в «пучок». Его запечатывают, промывают, протирают спиртом и упаковывают — теперь это кассеты для загрузки в реактор. При этом все изготавливают только после получения заказа.

Тепловыделяющая сборка (ТВС), или «пучок», который позже «запечатают» в кассету и поместят в реактор БелАЭС. В один реактор войдет 163 таких ТВС. Фото предоставлено НЗХК

— Про запас не делается ничего, нет смысла. Только под конкретный срок поставки делаются и таблетки, и ТВС, — говорит ведущий инженер цеха № 10 Евгений Авдеев. — Контроль качества автоматический. Если с таблеткой что-то не так, она автоматически возвращается на доработку, там превращается снова в порошок и снова идет на прессовку. Обычно брака процента три.

В процессе изготовления ядерное топливо на каждом этапе производства проходит контроль качества. Всего его проверяют 11 раз.

Фото предоставлено НЗХК

— У нас есть «ловители брака», которые выявляют все недоработки. Все контрольные операции не разрушающие, они выполняются в автоматическом режиме, без участия человека. Все параметры контроля по каждому тепловыделяющему элементу фиксируются в операционной памяти на каждой установке, а потом передаются в общий технологический паспорт, где и хранятся. При этом, если что-то с твэлом уже на месте будет не так, мы сможем отследить эту партию, дату, когда изделие было изготовлено и как прошло контроль, — объясняет специалист.

Уран был впервые выделен в 1841 году.

Первым человеком, который изолировал уран, был Эжен Пелиго, профессор химии в Национальной консерватории искусств и ремесел (Conservatoire National des Arts et Métiers) в Париже.

Пилиго успешно продемонстрировал, что таинственный черный порошок, открытый Мартином Генрихом Клапротом, был не чистым веществом, а оксидом урана (UO2 ). Он сделал это, обработав тетрахлорид урана (черный порошок) калием.

Затем в 1896 году физик Анри Беккерель обнаружил радиоактивные свойства урана наряду с самой радиоактивностью. Для этого он использовал несколько фосфоресцентных материалов, которые светятся в темноте после воздействия света.

Он накрыл фотопластинку черной бумагой и поочередно поместил разные фосфоресцентные соли. Он предположил, что свечение, создаваемое в ЭЛТ (электронно-лучевые трубки) рентгеновскими лучами, может быть связано с фосфоресценцией.

Результаты были неожиданными, так как урановая соль была единственным веществом, которое вызывало значительное почернение пластины. Исследование прояснило, что фосфоресценция не была позади запотевания пластины (соли урана не являются фосфоресцентными) и что там была какая-то форма невидимого излучения, которое проникало в черную бумагу и создавало вид, будто пластина подвергается воздействию света.

Разница между U 235 и U 238

Определение

U 235: U-235 является изотопом урана и состоит из 92 протонов и 143 нейтронов в его ядре.

U 238: U-238 является изотопом урана и состоит из 92 протонов и 146 нейтронов в его ядре.

Нейтроны

U 235: Количество нейтронов, присутствующих в ядре U-235, составляет 143.

U 238: Количество нейтронов, присутствующих в ядре U-238, составляет 146.

Период полураспада


U 235: Период полураспада U-235 составляет около 703 миллионов лет.

U 238: Период полураспада U-238 составляет около 4,4 миллиарда лет.

изобилие

U 235: Естественное содержание U-235 составляет около 0,72%.

U 238: Естественное содержание U-238 составляет около 99%.

U 235: U-235 является расщепляющимся материалом.

U 238: U-238 является плодородным материалом.

Цепные реакции

U 235: U-235 способен выдерживать цепные реакции ядерного деления.

U 238: Один U-238 не способен выдерживать цепные реакции ядерного деления.

U 235: Масса атома U-235 составляет около 235,043 а.е.м.

U 238: Масса атома U-238 составляет около 238,05 а.е.м.

Заключение

Уран является широко известным радиоактивным материалом. Он имеет несколько изотопов, и все эти изотопы радиоактивны по своей природе. U-235 и U-238 являются такими изотопами урана. Основное различие между U-235 и U-238 состоит в том, что число нейтронов, присутствующих в ядре U-235, составляет 143, тогда как число протонов, присутствующих в ядре U-238, составляет 146.

Изотопы и радиоактивность

Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом — это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.

Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро — это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса — почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.

Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов — стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.

Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто — один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.

Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне — дейтерием.


Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый — тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить — никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.

Итак, протий, дейтерий и тритий — это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд — нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода — это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.

Давайте взглянем снова на наши водороды. Так… Протий на месте, дейтерий на месте… А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития — это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.

Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.

Производство и наличие

Батарея газовых центрифуг, осуществляющих разделение изотопов, на заводе в Пикетон (Огайо), США, 1984 год.

Природный уран содержит около 0,71 % U-235, 99,28 % U-238 и примерно 0,0054 % U-234. При получении обогащённого урана процесс разделения изотопов позволяет выделить значительную часть U-235 для ядерной энергетики, производства оружия или других видов использования. Остаток — обеднённый уран — содержит только 0,2—0,4 % урана-235. Из природного урана удаётся получить очень низкий процент U-235, процесс обогащения даёт большое количество обеднённого урана. Например, для производства 1 кг 5-процентного обогащённого урана требуется 11,8 кг природного урана и остаётся около 10,8 кг обеднённого урана, содержащего лишь 0,3 % урана-235.

Комиссия по регулированию ядерной деятельности даёт определение обеднённому урану, как урану с долей изотопа 235U менее 0,711 % по массе. Военные спецификации указывают, что используемый Министерством обороны США обеднённый уран содержит менее 0,3 % 235U. Фактически используется только обеднённый уран, содержащий приблизительно 0,2 % 235U.

Производство ядерного топлива

Производство ядерного топлива невозможно представить без газовых центрифуг, которые используются для получения обогащённого урана. После достижения необходимой концентрации из диоксида урана прессуют так называемые таблетки. Их создают при помощи смазочных материалов, которые удаляются во время обжига в печах. Температура обжига достигает 1000 градусов. После этого таблетки проверяются на соответствие заявленным требованиям. Имеют значение качество поверхности, содержание влаги, соотношение кислорода и урана.

Таблетки из диоксида урана

В это же время в другом цехе готовят трубчатые оболочки для тепловыделяющих элементов. Вышеназванные процессы, включая последующие дозировку и упаковку таблеток в оболочечные трубки, герметизацию, дезактивацию, называются фабрикацией топлива. В России созданием тепловыделяющих сборок (ТВС) занимаются предприятия «Машиностроительный завод» в Московской области, «Новосибирский завод химконцентратов» в Новосибирске, «Московский завод полиметаллов» и другие.

Каждая партия топливных сборок создаётся под реактор конкретного типа. Европейские ТВС делаются в форме квадрата, а российские — с шестиугольным сечением. В РФ широко распространены реакторы типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Первые ТВЭЛы для ВВЭР-440 начали разрабатываться с 1963 года, а для ВВЭР-1000 — с 1978 года. Несмотря на то что в России активно внедряются новые реакторы с постфукусимскими технологиями безопасности, по стране и за её пределами функционирует много ядерных установок старого образца, поэтому одинаково актуальными остаются топливные сборки для разных типов реакторов.

Тепловыделяющая сборка ТВС-2M

Например, для обеспечения тепловыделяющими сборками одной активной зоны реактора РБМК-1000 необходимо свыше 200 тысяч комплектующих деталей из циркониевых сплавов, а также 14 млн спечённых таблеток из диоксида урана

Иногда стоимость изготовления топливной сборки может превосходить стоимость содержащегося в элементах топлива, поэтому так важно обеспечить высокую энергоотдачу с каждого килограмма урана

Затраты на производственные процессы в %

Создание тепловыделяющей сборки с ядерным топливом
Изготовление порошка UO2 4,8%
Производство спрессованных таблеток 8,2%
Подготовка стержней для ТВС 9,8%
Загрузка топливных таблеток в стержни 3,7%
Контрольные операции, анализы 8,4%
Утилизация отходов, потери урана 6,4%
Конструкционные материалы (оболочки, сборные детали) 50%
Амортизация 8,7%

Отдельно стоит сказать о топливных сборках для исследовательских реакторов. Они конструируются таким образом, чтобы сделать наблюдение и изучение процесса генерации нейтронов максимально комфортным. Такие ТВЭЛы для экспериментов в сферах ядерной физики, наработки изотопов, радиационной медицины в России производит «Новосибирский завод химических концентратов». ТВС создаются на основе бесшовных элементов с ураном и алюминием.

Производством ядерного топлива в РФ занимается топливная компания ТВЭЛ (подразделение «Росатома»). Предприятие работает над обогащением сырья, сборкой тепловыделяющих элементов, а также предоставляет услуги по лицензированию топлива. «Ковровский механический завод» во Владимирской области и «Уральский завод газовых центрифуг» в Свердловской области создают оборудование для российских ТВС.

Первый в мире ядерный реактор

После успешного обнаружения способности деления урана, другая команда во главе с Энрико Ферми, на этот раз в рамках Манхэттенского проекта, начала работу над первым в мире ядерным реактором под названием Чикагская свая-1 (CP-1). 2 декабря 1942 года команда смогла инициировать первую в истории самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию в СР-1.

Их первоначальный план состоял в том, чтобы использовать обогащенный уран-235 в качестве топлива, но был отброшен из-за его дефицита в то время. Вместо этого реактор был заправлен 45 тоннами оксида урана и 5,4 тоннами металлического урана. В качестве замедлителя нейтронов было использовано около 360 тонн гранита. В отличие от многих современных ядерных реакторов, СР-1 не имел системы охлаждения.


С этим читают