Обогащение урана
Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый уран.
В природном уране содержится три изотопа урана: 238U (массовая доля 99,2745 %), 235U (доля 0,72 %) и 234U (доля 0,0055 %). Изотоп 238U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого 235U. В настоящее время 235U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.
Причины обогащения
Цепная ядерная реакция подразумевает, что хотя бы один нейтрон из образованных распадом атома урана будет захвачен другим атомом и, соответственно, вызовет его распад. В первом приближении это означает, что нейтрон должен «наткнуться» на атом 235U раньше, чем покинет пределы реактора. Значит, конструкция с ураном должна быть достаточно компактной, чтобы вероятность найти следующий атом урана для нейтрона была достаточно высока. Но по мере работы реактора 235U постепенно выгорает, что уменьшает вероятность встречи нейтрона и атома 235U, что вынуждает закладывать в реакторах определённый запас этой вероятности. Соответственно, низкая доля 235U в ядерном топливе вызывает необходимость в:
- большем объёме реактора, чтобы нейтрон дольше в нём находился;
- бо́льшую долю объёма реактора должно занимать топливо, чтобы повысить вероятность столкновения нейтрона и атома урана;
- чаще требуется перезагружать топливо на свежее, чтобы сохранять заданную объёмную плотность 235U в реакторе;
- высокой доле ценного 235U в отработавшем топливе.
В процессе совершенствования ядерных технологий были найдены экономически и технологически оптимальные решения, требующие повышения содержания 235U в топливе, то есть обогащения урана.
В ядерном оружии задача обогащения практически такая же: требуется, чтобы за предельно короткое время ядерного взрыва максимальное число атомов 235U нашли свой нейтрон, распались и выделили энергию. Для этого нужна предельно возможная объёмная плотность атомов 235U, достижимая при предельном обогащении.
Степени обогащения урана
Природный уран с содержанием 235U 0,72 % находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).
Уран с содержанием 235U до 20 % называют низкообогащённым (НОУ, англ. Low enriched uranium, LEU):
- уран с обогащением 2—5 % в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру;
- уран с обогащением до 20 % используется в исследовательских и экспериментальных реакторах;
- НОУ с высоким содержанием проб (High-assay LEU, [англ.]) — уран обогащенный до 5–20 %.
Уран с содержанием 235U свыше 20 % называют высокообогащённым (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным. На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90 %. Высокообогащённый уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (то есть с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или в корабельных и подлодочных реакторах.
В отвалах обогатительных производств остаётся обеднённый уран с содержанием 235U 0,1—0,3 %. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обеднённого урана. В будущем предполагается использование обеднённого урана в реакторах на быстрых нейтронах, где не поддерживающий цепную реакцию уран-238 может трансмутировать в плутоний-239, поддерживающий цепную реакцию; полученное MOX-топливо может быть использовано в традиционных энергетических реакторах на тепловых нейтронах, образуя, таким образом, замкнутый ядерный топливный цикл.
Технологии
Известно много методов разделения изотопов. Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге, то тяжёлые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем лёгкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжёлые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с лёгким изотопом урана более подвижны чем тяжёлые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6.
Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.
Производство обогащённого урана в мире
Информация в этом разделе устарела. |
Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU). Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report.
| Страна | Компания, завод | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Россия | Росатом | 25000 | 26000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Германия, Голландия, Англия | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Франция | Orano | 2500 | 5500 | 7000 | 7500 | 7500 |
| Китай | CNNC | 1500 | 2200 | 4220 | 6750 | 10700+ |
| США | URENCO | 2000 | 3500 | 4700 | ? | 4700 |
| Пакистан, Бразилия, Иран, Индия, Аргентина | 100 | 75 | 100 | ? | 170 | |
| Япония | [англ.] | 150 | 75 | 75 | ? | 75 |
| США | USEC: Paducah & Piketon | 5000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Суммарное | 49 000 | 51 550 | 57 073 | 61 111 | 66 700 |
См. также
Примечания
- [англ.] — Россия является единственным в мире производителя такого вида топлива на продажу. В 2020-х Великобритания планирует инвестировать 300 миллионов фунтов стерлингов (более 381 млн долл.), чтобы запустить собственное производство подобного топлива для ядерных реакторов нового поколения [eadaily.com/ru/news/2024/01/07/velikobritaniya-namerena-potesnit-rossiyu-na-rynke-uranovogo-topliva ] Архивная копия от 8 января 2024 на Wayback Machine . В США имеется HALEU Availability Program Архивная копия от 8 января 2024 на Wayback Machine [1] Архивная копия от 15 февраля 2024 на Wayback Machine [2] Архивная копия от 8 января 2024 на Wayback Machine Первый в США завод по производству «высокообогащенного низкообогащенного урана» Centrus Energy в Пайктоне, штат Огайо Архивная копия от 8 января 2024 на Wayback Machine
- Удешевление обогащения. Атомный эксперт. Архивировано 8 апреля 2014 года. Обзор истории и технологий обогащения урана.
Ссылки
- Мировой рынок ядерного топлива, Cambridge, 2013.
- Уран
- Глоссарий терминов // Minatom
- Справка: обогащение урана
- The Radioactive Boy Scout. Ken Silverstein. (перев. рус.)
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Обогащение урана, Что такое Обогащение урана? Что означает Обогащение урана?
Obogashenie urana tehnologicheskij process uvelicheniya doli izotopa 235U v urane V rezultate prirodnyj uran razdelyayut na obogashyonnyj uran i obednyonnyj uran Otnositelnye proporcii urana 238 sinij i urana 235 krasnyj dlya razlichnyh stepenej obogasheniya V prirodnom urane soderzhitsya tri izotopa urana 238U massovaya dolya 99 2745 235U dolya 0 72 i 234U dolya 0 0055 Izotop 238U yavlyaetsya otnositelno stabilnym izotopom ne sposobnym k samostoyatelnoj cepnoj yadernoj reakcii v otlichie ot redkogo 235U V nastoyashee vremya 235U yavlyaetsya pervichnym delyashimsya materialom v cepochke tehnologij yadernyh reaktorov i yadernogo oruzhiya Odnako dlya mnogih primenenij dolya izotopa 235U v prirodnom urane mala i podgotovka yadernogo topliva obychno vklyuchaet stadiyu obogasheniya urana Prichiny obogasheniyaCepnaya yadernaya reakciya podrazumevaet chto hotya by odin nejtron iz obrazovannyh raspadom atoma urana budet zahvachen drugim atomom i sootvetstvenno vyzovet ego raspad V pervom priblizhenii eto oznachaet chto nejtron dolzhen natknutsya na atom 235U ranshe chem pokinet predely reaktora Znachit konstrukciya s uranom dolzhna byt dostatochno kompaktnoj chtoby veroyatnost najti sleduyushij atom urana dlya nejtrona byla dostatochno vysoka No po mere raboty reaktora 235U postepenno vygoraet chto umenshaet veroyatnost vstrechi nejtrona i atoma 235U chto vynuzhdaet zakladyvat v reaktorah opredelyonnyj zapas etoj veroyatnosti Sootvetstvenno nizkaya dolya 235U v yadernom toplive vyzyvaet neobhodimost v bolshem obyome reaktora chtoby nejtron dolshe v nyom nahodilsya bo lshuyu dolyu obyoma reaktora dolzhno zanimat toplivo chtoby povysit veroyatnost stolknoveniya nejtrona i atoma urana chashe trebuetsya perezagruzhat toplivo na svezhee chtoby sohranyat zadannuyu obyomnuyu plotnost 235U v reaktore vysokoj dole cennogo 235U v otrabotavshem toplive V processe sovershenstvovaniya yadernyh tehnologij byli najdeny ekonomicheski i tehnologicheski optimalnye resheniya trebuyushie povysheniya soderzhaniya 235U v toplive to est obogasheniya urana V yadernom oruzhii zadacha obogasheniya prakticheski takaya zhe trebuetsya chtoby za predelno korotkoe vremya yadernogo vzryva maksimalnoe chislo atomov 235U nashli svoj nejtron raspalis i vydelili energiyu Dlya etogo nuzhna predelno vozmozhnaya obyomnaya plotnost atomov 235U dostizhimaya pri predelnom obogashenii Stepeni obogasheniya uranaPrirodnyj uran s soderzhaniem 235U 0 72 nahodit primenenie v nekotoryh energeticheskih reaktorah naprimer v kanadskih CANDU v reaktorah narabotchikah plutoniya naprimer A 1 Uran s soderzhaniem 235U do 20 nazyvayut nizkoobogashyonnym NOU angl Low enriched uranium LEU uran s obogasheniem 2 5 v nastoyashee vremya shiroko ispolzuetsya v energeticheskih reaktorah po vsemu miru uran s obogasheniem do 20 ispolzuetsya v issledovatelskih i eksperimentalnyh reaktorah NOU s vysokim soderzhaniem prob High assay LEU angl uran obogashennyj do 5 20 Uran s soderzhaniem 235U svyshe 20 nazyvayut vysokoobogashyonnym angl Highly enriched uranium HEU ili oruzhejnym Na zare yadernoj ery byli postroeny neskolko obrazcov yadernogo oruzhiya pushechnoj shemy na osnove urana s obogasheniem okolo 90 Vysokoobogashyonnyj uran mozhet ispolzovatsya v termoyadernom oruzhii v kachestve tampera obzhimayushej obolochki termoyadernogo zaryada Krome togo uran s vysokim obogasheniem ispolzuetsya v energeticheskih yadernyh reaktorah s dlitelnoj toplivnoj kampaniej to est s redkimi perezagruzkami ili vovse bez perezagruzki naprimer v reaktorah kosmicheskih apparatov ili v korabelnyh i podlodochnyh reaktorah V otvalah obogatitelnyh proizvodstv ostayotsya obednyonnyj uran s soderzhaniem 235U 0 1 0 3 On shiroko ispolzuetsya v kachestve serdechnikov bronebojnyh snaryadov artillerijskih orudij blagodarya vysokoj plotnosti urana i deshevizne obednyonnogo urana V budushem predpolagaetsya ispolzovanie obednyonnogo urana v reaktorah na bystryh nejtronah gde ne podderzhivayushij cepnuyu reakciyu uran 238 mozhet transmutirovat v plutonij 239 podderzhivayushij cepnuyu reakciyu poluchennoe MOX toplivo mozhet byt ispolzovano v tradicionnyh energeticheskih reaktorah na teplovyh nejtronah obrazuya takim obrazom zamknutyj yadernyj toplivnyj cikl TehnologiiOsnovnaya statya Razdelenie izotopov Izvestno mnogo metodov razdeleniya izotopov Bolshinstvo metodov osnovano na raznoj masse atomov raznyh izotopov 235 j nemnogo legche 238 go iz za raznicy v kolichestve nejtronov v yadre Eto proyavlyaetsya v raznoj inercii atomov Naprimer esli zastavit atomy dvigatsya po duge to tyazhyolye budut stremitsya dvigatsya po bolshemu radiusu chem lyogkie Na etom principe postroeny elektromagnitnyj i aerodinamicheskij metody V elektromagnitnom metode iony urana razgonyayutsya v uskoritele elementarnyh chastic i zakruchivayutsya v magnitnom pole V aerodinamicheskom metode gazoobraznoe soedinenie urana produvaetsya cherez specialnoe soplo ulitku Pohozhij princip v gazovom centrifugirovanii gazoobraznoe soedinenie urana pomeshaetsya v centrifugu gde inerciya zastavlyaet tyazhyolye molekuly koncentrirovatsya u stenki centrifugi Termodiffuzionnyj i gazodiffuzionnyj metody ispolzuyut raznicu v podvizhnosti molekul molekuly gaza s lyogkim izotopom urana bolee podvizhny chem tyazhyolye Poetomu oni legche pronikayut v melkie pory specialnyh membran pri gazodiffuzionnoj tehnologii Pri termodiffuzionnom metode menee podvizhnye molekuly koncentriruyutsya v bolee holodnoj nizhnej chasti razdelitelnoj kolonny vytesnyaya bolee podvizhnye v verhnyuyu goryachuyu chast Bolshinstvo metodov razdeleniya rabotayut s gazoobraznymi soedineniyami urana chashe vsego s UF6 Mnogie iz metodov pytalis ispolzovat dlya promyshlennogo obogasheniya urana odnako v nastoyashee vremya prakticheski vse moshnosti po obogasheniyu rabotayut na osnove gazovogo centrifugirovaniya Naryadu s centrifugirovaniem v proshlom shiroko ispolzovalsya gazodiffuzionnyj metod Na zare yadernoj ery ispolzovalis elektromagnitnyj termodiffuzii aerodinamicheskij metody Na segodnyashnij den centrifugirovanie demonstriruet nailuchshie ekonomicheskie parametry obogasheniya urana Odnako vedutsya issledovaniya perspektivnyh metodov razdeleniya naprimer lazernoe razdelenie izotopov Proizvodstvo obogashyonnogo urana v mireInformaciya v etom razdele ustarela Vy mozhete pomoch proektu obnoviv eyo i ubrav posle etogo dannyj shablon 30 aprelya 2025 Raboty po razdeleniyu izotopov ischislyayutsya v specialnyh edinicah raboty razdeleniya ERR angl Separative work unit SWU Moshnosti zavodov po razdeleniyu izotopov urana v tysyachah ERR v god soglasno WNA Market Report Strana Kompaniya zavod 2012 2013 2015 2018 2020Rossiya Rosatom 25000 26000 26578 28215 28663Germaniya Gollandiya Angliya URENCO 12800 14200 14400 18600 14900Franciya Orano 2500 5500 7000 7500 7500Kitaj CNNC 1500 2200 4220 6750 10700 SShA URENCO 2000 3500 4700 4700Pakistan Braziliya Iran Indiya Argentina 100 75 100 170Yaponiya angl 150 75 75 75SShA USEC Paducah amp Piketon 5000 0 0 0 0Summarnoe 49 000 51 550 57 073 61 111 66 700Sm takzheYadernaya energiya Obednyonnyj uranPrimechaniya angl Rossiya yavlyaetsya edinstvennym v mire proizvoditelya takogo vida topliva na prodazhu V 2020 h Velikobritaniya planiruet investirovat 300 millionov funtov sterlingov bolee 381 mln doll chtoby zapustit sobstvennoe proizvodstvo podobnogo topliva dlya yadernyh reaktorov novogo pokoleniya eadaily com ru news 2024 01 07 velikobritaniya namerena potesnit rossiyu na rynke uranovogo topliva Arhivnaya kopiya ot 8 yanvarya 2024 na Wayback Machine V SShA imeetsya HALEU Availability Program Arhivnaya kopiya ot 8 yanvarya 2024 na Wayback Machine 1 Arhivnaya kopiya ot 15 fevralya 2024 na Wayback Machine 2 Arhivnaya kopiya ot 8 yanvarya 2024 na Wayback Machine Pervyj v SShA zavod po proizvodstvu vysokoobogashennogo nizkoobogashennogo urana Centrus Energy v Pajktone shtat Ogajo Arhivnaya kopiya ot 8 yanvarya 2024 na Wayback Machine Udeshevlenie obogasheniya Atomnyj ekspert Arhivirovano 8 aprelya 2014 goda Obzor istorii i tehnologij obogasheniya urana SsylkiMediafajly na Vikisklade Mirovoj rynok yadernogo topliva Cambridge 2013 Uran Glossarij terminov Minatom Spravka obogashenie urana The Radioactive Boy Scout Ken Silverstein perev rus Nekotorye vneshnie ssylki v etoj state vedut na sajty zanesyonnye v spam list Eti sajty mogut narushat avtorskie prava byt priznany neavtoritetnymi istochnikami ili po drugim prichinam byt zapresheny v Vikipedii Redaktoram sleduet zamenit takie ssylki ssylkami na sootvetstvuyushie pravilam sajty ili bibliograficheskimi ssylkami na pechatnye istochniki libo udalit ih vozmozhno vmeste s podtverzhdaemym imi soderzhimym Spisok problemnyh ssylokeadaily com ru news 2024 01 07 velikobritaniya namerena potesnit rossiyu na rynke uranovogo topliva
