ГЛАВА 3. Разделение и применение изотопов в различных отраслях

Многие страны заявляют о программах создания или развития парка энергетических ядерных реакторов. Согласно прогнозу Всемирной ядерной ассоциации, к 2020 году установленные мощности АЭС в мире увеличатся с текущих 360 ГВт (2007г.) до 446 ГВт. Поэтому увеличится потребность в обогащении урана, поскольку большинство существующих и планируемых к строительству реакторов используют в качестве топлива уран, обогащенный до 3,5-4 % по изотопу ²³⁵U.

В целом, развитие европейских обогатительных компаний имеет твердую основу в виде надежной технологии, значительных существующих мощностей и надежной производственной базы центрифуг.

Обогатительная программа США на данный момент опирается на производственную базу с недостаточной эффективностью, сроки окончания программы «Американская центрифуга» продолжают сдвигаться, вплотную придвинувшись к 2013 году – окончание контракта ВОУ-НОУ.

Для разделения различных изотопов в разное время использовались:

§ Электромагнитное разделение

§ Газовая диффузия

§ Жидкостная термодиффузия

§ Газовое центрифугирование

§ Аэродинамическая сепарация

§ Дистилляция

§ Изотопный обмен

§ Электролиз

Электромагнитное разделение. Это была исторически первый способ для производства оружейного урана. Использовалась в электромагнитном сепараторе Y-12 в Ок-Ридже во время второй мировой войны. На двух этапах разделения уран обогащался до 80-90%. Два остальных метода, доступных в то время - газовая диффузия, жидкостная термодиффузия - применялись для начального обогащения урана и увеличения выхода электромагнитного сепаратора по отношению к сырью из природного урана. Из-за высоких накладных расходов Y-12 был закрыт в 1946 г.

Газовая диффузия. Первая практически применяемая в промышленных масштабах технология. Несмотря на требование наличия для сильного обогащения тысяч ступеней, по затратам это более выгодный метод, чем электромагнитное разделение. Газодиффузионные предприятия по обогащению U-235 огромны и имеют большую производственную мощность.

Главная трудность - создание надежных газодиффузионных барьеров, способных противостоять коррозийному действию UF₆. Есть два основных типа таких барьеров: тонкие пористые мембраны и барьеры, собранные из отдельных трубочек. Мембраны представляют собой пленки с образованными травлением порами. Например, азотная кислота протравливает сплав 40/60 Au/Ag (Ag/Zn); либо электролитическим травлением алюминиевой фольги можно получить хрупкую алюминиевую мембрану. Составные барьеры собираются из маленьких дискретных элементов, упакованных в относительно толстую пористую перегородку.

Технология изготовления диффузионных барьеров продолжает оставаться засекреченной во всех странах, разработавших ее.

Построенное во время второй мировой войны производство K-25 в Ок-Ридже состояло из 3024 ступеней обогащения и функционировало до конца 1970-х. Разработка подходящего материала для барьеров оказалась сложным делом, что вызвало некоторую задержку с вводом в строй предприятия после войны, хотя даже частично законченный завод внес вклад в накопление U-235 для "Малыша" (Little Boy). В то время барьеры изготавливались из спеченного никелевого порошка, попытки создать многообещающие мембраны из электролитически вытравленного алюминия провалились. K-25 изначально содержал 162 000 м² мембранной поверхности. Это предприятие, с расширениями, произвело большую часть всего урана для армии США в шестидесятых. С усовершенствованием газодиффузионных барьеров производительность завода возросла в 23 раза.

Диффузионное производство потребляет меньше электроэнергии по сравнению с электромагнитным, но ее расход все равно остается достаточно большим. В 1981 г., после модернизации, оно имело удельную потребляемую мощность на уровне 2370 кВт-ч/МПП-кг. Несмотря на то, что уран низкого обогащения - ценное сырье для производства высокообогащенного урана, газодиффузионные установки низкого обогащения трудно переделать для производства урана высокого обогащения. Высокое обогащение требует много меньших по размеру ступеней, из-за резкого снижения коэффициента обогащения и проблем с критичностью (накопление критической массы урана) в больших по размеру блоках.

Огромные размеры обогатительной системы ведут к длительному времени заполнения ее материалом (обогащаемым веществом), до начала выхода продукта. Обычно это время установления равновесия составляет 1-3 месяца. Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран, даже Аргентина создала действующее обогатительное предприятие для своей тайной оружейной программы (в настоящее время прекращенной). В 1979 г. более 98% всего урана производилось с использованием этого процесса. К середине 1980-х эта доля сократилась до 95% с освоением метода центрифугирования.

Термодиффузия осуществляется в газовой или жидкой фазах в противоточной колонне, вдоль оси которой расположена нагретая металлическая нить (или трубка), а наружная стенка охлаждается. Перепад температур вызывает диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентраций изотопов в радиальном направлении. Нагреваемая вблизи оси колонны смесь, обогащенная легким изотопом, перемещается кверху, а охлаждаемая у стенок более тяжелая смесь - вниз. Метод ранее применялся при промышленном концентрировании ²³⁵U, сейчас используется для лабораторного разделения изотопов многих элементов.

Жидкостная термодиффузия оказалась первой технологией, на которой были получены существенные количества низкообогащенного урана. Она применялась в США во время Манхэттенского проекта для увеличения КПД сепаратора Y-12. Это самый простой из всех методов разделения, но предельная степень обогащения по ²³⁵U всего ~1% (завод S-50 в Ок-Ридже производил 0,85-0,89% ²³⁵U в конечном продукте). Кроме того, для термодиффузии нужны огромные количества тепла.

Газовое центрифугирование. Доминирующий способ разделения изотопов для новых производств, хотя уже существующие мощности - по большей части газодиффузионные. Каждая центрифуга обеспечивает гораздо больший коэффициент разделения, чем одна газовая ступень. Требуется много меньше ступеней, всего около тысячи, правда стоимость каждой центрифуги гораздо выше.

Газовое центрифугирование требует ~10% энергии, требующейся газовой диффузии (его энергопотребление 100-250 кВт-ч/МПП-кг) и обеспечивает более легкое наращивание масштаба производства. Из развивающихся ядерных стран этой достаточно сложной технологией владеют Пакистан и Индия.

Аэродинамическое разделение разработано в ЮАР (процесс UCOR, использующий вихревые трубки с давлением 6 бар) и Германии (используются искривленные сопла, работающие с давлением 0,25-0,5 бар).

Единственная страна, применявшая этот метод на практике - ЮАР, где было произведено 400 кг оружейного урана на предприятии в Валиндабе, закрытом в конце восьмидесятых. Коэффициент разделения ~1,015, энергозатраты ~3300 кВт-ч/МПП-кг.

Дистилляция основана на различиях в равновесном составе жидкость-пар. Обычно соединения, содержащее легкий изотоп, концентрируется в паре. Значение a равно отношению давлений насыщенного пара (летучестей) изотопных модификаций молекул. Оно уменьшается с повышением мол. массы и температуры. Процесс протекает в противоточных колоннах. Применяется для промышленного разделения изотопов Н₂ и, в меньших масштабах, В, С, N₂, О₂.

Изотопный обмен обусловлен отличием от единицы константы равновесия обмена изотопами данного элемента между двумя соед., находящимися в контактирующих фазах (чаще всего жидкость и газ, но используются также системы жидкость-жидкость, жидкость-твердая фаза и газ-твердая фаза). Осуществляется в противоточных колоннах. Для обращения потоков применяют термич. или электрохим. разложение либо реакции со вспомогат. в-вами. Напр., при концентрировании изотопа ¹⁰В обменом между BF₃ и его соединением с анизолом последнее разлагают при нагреве и BF3 возвращают в колонну. При разделении изотопов лития обменом между амальгамой и р-рами солей литий переводят в амальгаму электролизом р-ра соли на текущем ртутном электроде. При концентрировании изотопа ¹⁵N обменом между HNO₃ и NO азотную к-ту восстанавливают диоксидом серы. В случае разделения изотопов водорода процессы изотопного обмена с обращением потока не применяют, т.к. более экономичной оказывается двухтемпературная схема, в которой вместо перевода всей обогащенной смеси в другую фазу путем превращения одного соединения в другое используют изотопный обмен между теми же соединениями (напр., Н₂О и H₂S) при более высокой температуре. В результате из покидающей холодную колонну фазы (Н₂О) в поступающую фазу (H₂S) переводится избыточное по сравнению с исходным кол-во накапливаемого изотопа. Обогащенная дейтерием вода выводится на границе холодной и горячей колонн. Изотопный обмен применяется для промышленного разделения изотопов легких элементов: Н₂, Li, В, N, С.

Электролиз основан на различиях в скоростях электролитического разложения изотопнозамещенных молекул. При электролизе воды или водных р-ров электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее кол-во дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизере растет концентрация дейтерия. В зависимости от материала и поверхности катода 5 < a < 15. Процесс проводят в каскаде ступеней - электролизеров. Метод применяется для промышленнго получения тяжелой воды (D₂O), а также лаб. обогащения воды тритием.

Macc-диффузия основана на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогательного разделительного пара. Вспомогат. пар должен обладать высоким коэф. диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от нее. Часто в качестве вспомогат. пара используют пары ртути. И. р. осуществляется либо в каскаде ступеней (наз. насосами), либо в противоточной колонне. Ступень однократного действия представляет собой цилиндр, внутри к-рого соосно размещена цилиндрич. диафрагма с отверстиями диаметром ок. 10 мкм. По центр. каналу движется вспомогат. пар, по кольцевому зазору между каналом и стенкой цилиндра в противоположном направлении разделяемая смесь. Молекулы смеси диффундируют в отверстиях диафрагмы через встречный поток вспомогат. пара. Выходящая из центр. канала часть смеси, увлекаемая вспомогат. паром, обогащена легким изотопом, выходящая из кольцевого канала тяжелым. В противоточной колонне вспомогательный пар подается равномерно по всей высоте колонны через трубку с отверстиями, помещенную вдоль оси, диффундирует сквозь отверстия к стенкам колонны и конденсируется. Элементарный разделит. эффект возникает в каждом поперечном сечении из-за диффузии изотопно замещенных молекул газообразной смеси к оси колонны. В результате у оси повышается концентрация легкого изотопа, у стенок - тяжелого. Различия в плотности, а также движение вниз по стенке пленки конденсата приводят к возникновению конвекц. потоков, направленных около оси вверх, а у стенок - вниз. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Аr, С.

Электромиграция ионов. В электрич. поле изотопные ионы в р-ре или расплаве перемещаются с разными скоростями и более подвижные концентрируются у соответствующего электрода. Для увеличения эффекта разделения создают постоянный противоток ионов противоположного знака. Напр., при разделении изотопных катионов в катодное пространство добавляют кислоту, содержащую тот же анион, что и исходная соль. Кол-во кислоты эквивалентно кол-ву разрядившихся на аноде анионов. Метод применяют для лабораторного разделения изотопов щелочных, щелочноземельных элементов, Ag, Cl, Вr.

Внимания заслуживают методы, пока промышленно неприменяемые:

· Испарение с использованием лазера

· Химическое разделение

· Разделение изотопов при помощи светового давления

· Фотохимические реакции электронно-возбужденных частиц

· Двухступенчатое возбуждение атомов и молекул

· Селективная фотопредиссоциация

· Возбуждение молекул излучением инфракрасного диапазона

· Изотопный эффект в химических реакциях, протекающих в термодинамически неравновесных условиях

· Конденсация газа колебательно-возбужденных молекул

· Изотопный эффект в химических реакциях, протекающих в магнитном поле

· Разделение при адсорбции

· Селективная диффузия, стимулированная лазерным излучением

· Резонансное управление процессами на поверхности лазерным излучением

· Лазерная химия на поверхности раздела двух сред

· Лазерное стимулирование химических реакций на границе раздела двух жидкостей

Испарение с использованием лазера. AVLIS (atomic vapor laser isotope separation). Технология так и не была воплощена в производстве, разрабатывалась в США в течении 1970-80-х гг. и отмерла вследствии общего переизбытка разделяющих мощностей и сокращении арсенала.

Химическое разделение урана разрабатывалось в Японии и Франции, но, как и AVLIS, никогда не использовалось. Французкий метод Chemex использует противоток в высокой колонне двух несмешиваемых жидкостей, каждая содержащая растворенный уран. Японский метод Asahi использует реакцию обмена между водным раствором и мелкоизмельченной смолой, через которую медленно просачивается раствор. Оба способа нуждаются в катализаторах для ускорение процесса концентрации.

Эффузия газов основана на том, что при молекулярном истечении (эффузии) смеси изотопно замещенных молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр которых меньше длины свободного пробега молекул газа, легкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжелые. Используется каскад ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону которой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом. Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для пром. концентрирования ²³⁵U (в виде UF₆).