Промышленное обогащение урана

Для целей ядерной энергетики и ядерного военного комплекса требуется уран, способный поддерживать цепную реакцию деления не только в чистом металле, но и в его соединениях, например, оксидах. Концентрация ²35U, делящегося нейтронами любых энергий, в природном уране низка — 0,711%. Поэтому требуется обогащение природного урана до 2,4¹⁹, 5% для энергетических ядерных реакторов.

Для разделения изотопов урана используются различные технологии: электромагнитное разделение, газовая диффузия, жидкостная термодиффузия, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация и др. UF6 является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения природного урана. Связано это с двумя обстоятельствами: l) фтор имеет один стабильный изотоп (¹⁹F), поэтому молекулярная масса UF6 зависит только от массы изотопов урана; 2) UF6 переходит в газообразное состояние уже при температуре 56⁰ при атмосферном давлении.

Электромагнитный метод основан на том, что два иона, имеющие одну и ту же энергию, но различные массы, фокусируются в разных точках плоскости, если они проходят через однородное магнитное поле, перпендикулярное их траектории. Коллекторы собирают по отдельности два главных изотопа ²³⁵U и ²³⁸U с довольно большой степенью чистоты. Коэффициент разделения приближается к юо%, но производительность одной установки невелика. Общая производительность может быть увеличена за счёт увеличения концентрации ²35U в исходном продукте.

Первая практически применяемая в промышленных масштабах технология разделения ²з⁸и и ²35U была основана на газопроницаемости пористых оболочек. В основу метода газовой диффузии положено различие скоростей теплового движения молекул изотопных веществ (UFe).

Замечание. Газодиффузионный метод основан на законе Грэхэма (предложен в 1829 г. Т. Грэхэмом и развит в 1896 г. Дж.У. Рэлеем): если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через.

него пройдёт несколько больше лёгкого газа, чем тяжёлого. В ноябре 1942 г. Юри и Даннинг (Колумбийский университет, США) создали газодиффузионный метод разделения изотопов урана.

Рис. 1. Схема аппарата для разделения изотопов урана методом газовой диффузии.

Как известно, значение коэффициента молекулярной диффузии D пропорционально длине свободного пробега и средней скорости теплового движения молекул:

где М — масса молекулы, Т — температура среды, R- газовая постоянная.

Из формулы видно, что чем меньше вес молекулы тем больше её скорость и выше коэффициент диффузии и часть смеси, прошедшая через фильтр обогащается лёгким изотопом. При истечении в абсолютный вакугде М, и М₂ — молекулярные веса легкой и тяжелой изотопных молекул.

ум достигается максимальное значение коэффициента разделения изотопных молекул при их диффузии через пористые перегородки:

В газодиффузионном методе используется UFe, который можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами — 349(²35+¹9^,6) и 352(238+19−6). Максимальный коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина ещё меньше. Повысить концентрацию ²ззи от 0,72 до 99% можно только с помощью 4000 тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах завода — величина того же порядка.

Рис. 2. Разделение изотопов урана методом газовой диффузии.

Эффективность процесса обогащения определяется диаметром пор и числом пор, приходящихся на единицу площади поверхности мембраны. Скорость диффузии задаётся длиной свободного пробега молекул и тем, что на него влияет — масса молекул, давление, температура. Переход в кнудсеновский режим диффузии начинается там, где длина свободного пробега становится больше размера пор, молекулы чаще сталкиваются со стенками пор, чем между собой. Для реализации кнудсеновского режима необходимо уменьшать размер пор. К тому же, чем меньше диаметр пор, тем больше можно повышать рабочее давление газа, достигая той же степени разделения без увеличения числа газодиффузионных ступеней. В СССР были созданы диффузионные фильтры, эффективно работающие длительное время при достаточно высоких давлениях в химически агрессивной среде гексафторида урана. Их механическая прочность позволяет допускать эксплуатацию в течение длительного времени в условиях переменных давлений и вибрации. Фильтр делается из двух слоёв — несущего, который обеспечивает необходимую механическую прочность, и делящего. Сделанный из прессованного никелевого порошка, диффузионный фильтр представляет собой пористую трубку (диаметр пор ~5 мкм) диаметром 15 мм, длиной 550 мм и толщиной стенки 0,15 мм. Нанесённый на поверхность трубки делящий слой толщиной 0,01 мм имеет поры, средний диаметр которых ~о, оз мкм. Опыт эксплуатации показал, что такие фильтры имеют хорошие разделительные характеристики и могут работать без регенерации более десяти лет.

Рис. з. Диффузионный каскад. При комнатной температуре UFe — твёрдое вещество, поэтому процесс разделения проводится при повышенных температурах и давлениях, т. е. условиях, когда UF6 переходит в газовую фазу. Поскольку' тройная точка UF6 находится при 55⁰, то в системе должна поддерживаться температура 70-^80°. UFr> - термически устойчивое соединение, однако оно чрезвычайно активно взаимодействует с водой, обладает сильным коррозионным воздействием на большинство металлов и несовместимо с органическими материалами, например, с обычными смазочными маслами. По этой причине должны применяться специальные смазки, рабочие жидкости для насосов и фторированные материалы для прокладок. Для изготовления оборудования используется никель или алюминий. Коррозия обусловливает дополнительные затруднения при выборе материалов для фильтров, поскольку фильтры должны обеспечить неизменные параметры разделения в течение длительного времени.

Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран. В 1979 98% всего урана производилось подобным способом. К середине 1980;х этот метод стал вытесняться методом центрифугирования.

Изменение диффузионного равновесия газа при наличии перепада температур, также широко используется в практике разделения изотопов. Термо диффузионное разделение изотопов урана происходит в жидком UF6, находящемся под большим давлением между двумя поверхностями — горячей и холодной. Благодаря разности масс изотопов урана и сложным межмолекулярным силам, происходит разделение изотопов.

Жидкостная термодиффузия оказалась первой технологией, на которой были получены существенные количества низкообогащённого урана. Это самый простой из всех методов разделения, но предельная степень обогащения по ²35U всего ~1%. Серьёзным недостатком этого метода является большое потребление энергии.

В настоящее время доминирующим способом разделения изотопов урана является газовое центрифугирование, в котором газообразный UFe газ под сильным разряжением находится в центрифуге, которая представляет собой цилиндр и является ротором, т. е. вращается в электромагнитном поле. На дне центрифуги имеется корундовая игла для снижения трения, во время вращения центрифуга приподнимается «взлетает» и вращается без соприкосновения с частями кожуха. Скорость вращения достигает юо тыс. об/мин. Вращение создаёт центробежную силу, под действием которой более тяжёлые газовые молекулы, содержащие ²³⁸U, движутся к стенкам сосуда, а более лёгкие молекулы, содержащие ²³sU, собираются в центре цилиндра. Поток, слегка обогащённого по ²35UF6, подаётся на следующую центрифугу с более высокой степенью обогащения, а поток слегка обеднённого вещества подаётся назад на более низкую ступень обогащения. Процесс обогащения урана использует большое количество вращающихся цилиндров. Включённые последовательно и параллельно, они образуют газоразделительные каскады. Коэффициент разделения зависит от разности масс изотопов и от скорости вращения центрифуги. Степень обогащения на одной центрифуге намного больше, чем на одной, диффузионной ячейке (а=1,з по сравнению с 1,003 для диффузионного способа).

Центрифуга Зиппе (Zippe) — усовершенствованная газовая центрифуга, отличительной особенностью которой является использование высокой температуры. Основание вращающихся цилиндров нагревается, вызывая интенсивные конвекционные потоки, которые перемещают ²35U в верхнюю часть цилиндра, где его забирают ковшами.

Разделение на одной ультрацентрифуге намного эффективнее, чем на одной диффузионной ступени: для достижения требуемого разделения требуется намного меньше установок. К тому же потребление энергии в ю раз меньше. Правда стоимость каждой центрифуги существенно превышает стоимость диффузионного модуля.

Рис. 4. Усовершенствованная центрифуга Зиппе, для разделения изотопов урана (сочетание вращения и нагрева).

В настоящее время перспективным считается лазерный метод разделения изотопов. Способ основан на том, что различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определённого изотопа. Получившиеся ионы можно легко разделить магнитным полем.

Процесс разделения состоит из нескольких стадий: 1. Из твёрдотельной фазы получают пар рабочего элемента (при использовании UF6 эта стадия отсутствует). Этот пар содержит естественную смесь изотопов. 2. Полученный пар ионизируют излучением лазеров. Для преимущественной ионизации нужного изотопа излучение лазера должно иметь очень малый разброс по частоте и его необходимо с большой точностью настроить на переходы соответствующего изотопа. 3. Ионы, имеющие обогащенный изотопный состав, экстрагируются из пара и транспортируются на коллектор с помощью электрического поля или его комбинации с магнитным полем.

Такая технология имеет высокую эффективность.

При завершении процесса обогащения урана, обычно в отходах остается 0.25+0.4% 235U, так как извлекать этот изотоп до конца экономически невыгодно. Обогащённый уран полезный продукт, а польза от обеднённого урана весьма незначительна — сегодня только 5% производимого в мире обеднённого урана находит применение.

Обогащенный изотопом ²35U поток UF₆ гидролизуют водными растворами, осаждают и прокаливают осадок, либо подвергают восстановительном)' пирогидролизу влажным Н₂ до 1Ю₂ или металлического урана. Полученные продукты используют для изготовления компонентов атомных бомб, или топлива для промышленных реакторов с целью наработки оружейного плутония. Обедненный изотопом^UFe восстанавливают до UF₄ и далее до металла, либо подвергают пирогидролизу до U₃Oe.

Рис. 5. Газовые центрифуги в цех)' по разделению изотопов урана.

Разделительная способность обогатительного завода измеряется в единицах массы переработанного вещества (МПП) за единицу времени, например МПП-кг/год или МППтонн/год. Выход обогащённого продукта с предприятия заданной мощности зависит от концентрации нужного изотопа во входной породе, выходных отходах и конечном продукте. Исходное содержание полезного изотопа определено природным его содержанием. Зато два остальных параметра можно изменять. Если уменьшить степень извлечения изотопа из исходного вещества, можно увеличить скорость его выхода, но платой за это будет увеличение требуемой массы сырья. Принимая остаточную концентрацию в 0,25%, завод с производительностью 3100 МПП-кг/год произведёт 15 кг 90% ²«5U ежегодно из природного урана. Если взять в качестве сырья трёхпроцентный ²35U (топливо для АЭС) и концентрацию 0.7% в отходах производства, тогда достаточно мощности 886 МПП-кг/год для того же выхода.

Единица работы разделения (Separative Work Unit, SWU), EPP — функция количества переработанного урана, состава исходного материала, и степени обогащения; она пропорциональна полному времени работы установки, требуемому для её достижения. Работа разделения, выполненная на отдельной ступени, определяется как концентрационное увеличение, достигнутое на этой ступени и выраженное в виде отношения потоков на выходе и входе.

Замечание. Современные центрифужные установки потребляют 50-^60 кВ-ч электроэнергии на ЕРР. Для получения 1 кг урана с обогащением 3,6% (1,48 кг обогащенного иКб) необходимо затратить 4,5 ЕРР.

Работа разделения (ЕРР) выражается в SWU — кг 51У или кг UTA (от немецкого Urantrennarbeit, т. е. на уран требуемая работа): l SWU = 1 кг = 1- кг UTA; 1 kSWU= nSW= it UTA; iMSWU= 1 кгSW= ikt UTA Единица EPP (SWU) — единица работы, затраченная на разделения 1 кг U, показывающая энергию, задействованную в обогащении, если количества исходного

вещества, хвостов и полученного продукта выражены в килограммах.

Рис. 6. Схема процесса обогащения урана методом центрифугирования.

Кроме единиц работы разделения (ЕРР), производимых обогатительной установкой, учитывается другой параметр — масса природного урана, требуемая для производства нужного количества обогащённого урана. Количество требуемого материала зависит от уровня обогащения и от количества ²35U в обеднённом уране. Однако, в отличие от ЕРР, требующихся в ходе обогащения, которые увеличиваются с уменьшением содержания ²35U в обеднённом уране, количество необходимого природного урана уменьшается с уменьшением концентрации ²35U в обеднённом ураном продукте.

Поскольку требования количества природного урана и ЕРР противоречат друг друга, то если природный уран дёшев, а обогащение дорого, то заводы будут стремиться оставлять больше ²35U в обеднённом уране, а если природный уран сравнительно дорог, а обогащение довольно дёшево, то заводы выберут противоположный сценарий.

В России обогащением урана занимаются четыре предприятия: Ангарский электролизный химический комбинат (г. Ангарск, Иркутская область), Производственное объединение «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край), Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск, Свердловская область), Сибирский химический комбинат (г. Северск, Томская область). Их производственные мощности позволяют России в лице Росатома занимать 40% мирового рынка услуг по обогащению урана.