Обогатяване на уран

Природният уран съдържа три уранови изотопа: 238U (масова част 99,2745%), 235U (дял 0,72%) и 234U (дял 0,0055%). Изотопът 238U е сравнително стабилен изотоп, неспособен на независима ядрена верижна реакция, за разлика от редкия 235U. Понастоящем 235U е основният делящ се материал във веригата на технологиите за ядрени реактори и ядрени оръжия. Въпреки това, за много приложения делът на изотопа 235U в естествения уран е малък и подготовката на ядрено гориво обикновено включва етап на обогатяване на уран.

Съдържание

  • 1 Причини за обогатяване
  • 2 нива на обогатяване на уран
  • 3 Технологии
  • 4 Производство на обогатен уран в света
  • 5 Вижте също
  • 6 Бележки
  • 7 връзки

Причини за обогатяване

Ядрената верижна реакция предполага, че поне един от неутроните, образувани при разпадането на уранов атом, ще бъде уловен от друг атом и съответно ще причини неговия разпад. В първо приближение това означава, че неутронът трябва да се "спъне" в атома 235U, преди да напусне реактора. Това означава, че конструкцията с уран трябва да бъде достатъчно компактна, така че вероятността за намиране на следващия атом на уран за неутрон да е достатъчно висока. Но докато реакторът работи, 235U постепенно изгаря, което намалява вероятността от среща между неутрон и атом 235U, което принуждава известна граница на тази вероятност да бъде вградена в реакторите. Съответно ниският дял на 235U в ядреното гориво налага:

  • по-голям обем на реактора, така че неутронът да остане в него по-дълго;
  • по-голяма част от обема на реактора трябва да бъде заета от гориво, за да се увеличи вероятността от сблъсък между неутрон и атом на уран;
  • по-често се налага повторно зареждане на горивото със свежо, за да се поддържа зададена обемна плътност от 235U в реактора;
  • висок дял на ценния 235U в отработеното гориво.

В процеса на усъвършенстване на ядрените технологии бяха намерени икономически и технологични оптимални решения, които изискват увеличаване на съдържанието на 235U в горивото, тоест обогатяване на уран.

При ядрените оръжия задачата за обогатяване е практически същата: изисква се за изключително краткото време на ядрена експлозия максимален брой атоми 235U да намерят своя неутрон, да се разпаднат и да освободят енергия. Това изисква максимално възможната обемна плътност на 235U атоми, която е постижима при максимално обогатяване.

Нива на обогатяване на уран

Технологии

Има много методи за разделяне на изотопи. Повечето от методите се основават на различните маси на атоми от различни изотопи: 235-ият е малко по-лек от 238-ия поради разликата в броя на неутроните в ядрото. Това се проявява в различната инертност на атомите. Например, ако накарате атомите да се движат в дъга, тогава тежките ще са склонни да се движат по по-голям радиус от леките. На този принцип са изградени електромагнитни и аеродинамични методи. Приелектромагнитнияметод урановите йони се ускоряват в ускорител на елементарни частици и се усукват в магнитно поле. Приаеродинамичнияметод, газообразно съединение на уран се продухва през специална спираловидна дюза. Подобен принцип пригазово центрофугиране: газообразно съединение на уран се поставя в центрофуга, където инерцията кара тежките молекули да се концентрират срещу стената на центрофугата. Методите за термична дифузия и дифузия на газ използват разликата в мобилността на молекулите: газовите молекули с лек изотоп на уран са по-подвижни от тежките. Поради това те по-лесно проникват в малките пори на специалните мембрани, използвайки технологиятагазова дифузия. С методатермодифузияпо-малко подвижните молекули се концентрират в по-студенодолна част на сепарационната колона, измествайки по-подвижните в горната гореща част. Повечето методи за разделяне работят с газообразни уранови съединения, най-често UF6.

Много от методите са изпробвани за търговско обогатяване на уран, но в момента почти всички съоръжения за обогатяване работят на базата на газово центрофугиране. Наред с центрофугирането в миналото широко се използваше методът на дифузия на газ. В зората на ядрената ера се използват електромагнитни, топлинна дифузия и аеродинамични методи. Към днешна дата центрофугирането показва най-добрите икономически параметри за обогатяване на уран. Въпреки това се провеждат изследвания върху обещаващи методи за разделяне, като например лазерно разделяне на изотопи.

Производство на обогатен уран в света

Работата по отделяне на изотопи се изчислява в специални работни единици за разделяне (SWU). Капацитет на инсталацията за разделяне на изотопи на уран в хиляди SWU годишно според пазарния доклад на WNA с прогноза за развитие.