Методы разделения изотопов урана. Работа разделения. Стоимость обогащенного и отвального урана

Газовые центрифуги для разделения и обогащения урана. Концентрация делящегося урана-235 в природном уране составляет всего 0,71 %. Остальные 99,29 % приходятся на уран-238, который может служить сырьем для производства искусственного ядерного топлива плутония-239. Для энергетических ядерных реакторов содержание урана-235 должно быть 2 - 5 %, а для перспективных реакторов - размножителей на быстрых нейтронах - около 20 % (исключение составляет канадский реактор CANDU, работающий на природном уране благодаря использованию тяжелой воды D₂O в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя). Уран для ору­жейных целей должен иметь обогащение, близкое к 100 %.

Процесс увеличения концентрации изотопа уран-235 называют изотопным обогащением.

Для разделения изотопов урана невозможно применить химиче­ские методы, так как химические свойства изотопов одинаковы.

Практически все физические методы разделения изотопов (элек­тромагнитный, газодиффузионный, центробежный или метод газо­вых центрифуг, лазерный, метод разделительного сопла и др.) ис­пользуют различие масс изотопов урана-235 и урана-238. В по­следние годы наибольшее распространение приобрел центрифуж­ный метод разделения изотопов урана, впервые освоенный в про­мышленном масштабе в СССР и отличающийся высокой эконо­мичностью по сравнению с диффузионным методом [5.2], [5.45] - [5.47]. Как в диффузионном, так и в центрифужном методах при­меняется газообразное соединение гексафторид урана UF6. Допол­нительное преимущество газообразного гексафторида урана за­ключается в том, что у фтора имеется лишь один изотоп, поэтому различия в массах молекул гексафторида полностью связаны с раз­личиями в массе атомов урана.

Вышеперечисленные (и некоторые другие) ограничения приво­дят к ограничению размеров центрифуги: диаметр - около 20 см, высота - менее 1 м. Производительность одной такой центрифуги невелика. Для обеспечения необходимой производительности раз­деления изотопов (сотни тонн обогащенного урана в год) отдель­ные центрифуги объединяют в разделительные каскады, состоящие из сотен тысяч центрифуг (рис. 5.26). На выходе каскада образуют­ся два потока: легкая фракция, обогащенная изотопом уран-235 до необходимой концентрации, и тяжелая фракция (отвал), обогащен­ная изотопом уран-238. Содержание урана-235 в отвале обычно около 0,2 %, что в несколько раз меньше, чем в природном уране. Уменьшение содержания урана-235 в отвале позволяет экономить природный уран, но удорожает процесс разделения изотопов. В случае роста цен на природный уран в несколько раз может стать экономически выгодным извлечение урана-235 из накопившихся отвалов.

Работа разделения. Исходное сырье (называемое питанием) - природный уран с расходом F кг/с и начальной концентрацией с урана-235 поступает на вход разделительного производства. В ре­зультате обогащения производится продукт (отбор) с расходом Р кг/с и концентрацией х > с и обедненный уран (отвал) с расходом W кг/с и концентрацией y < с. Так как выполняется баланс масс по полному количеству урана и по урану-235 до и после разделения, то получаем два уравнения баланса:

Затраты на обогащение урана. В настоящее время номиналь­ные мощности заводов по обогащению урана составляют примерно 45 млн кг ЕРР/год. Цена на единицу работы разделения (ЕРР) зави­сит от способа разделения.

В 2002 - 2004 гг. цены на обогащение урана центрифужным ме­тодом стабилизировались на уровне около 110 дол./кг ЕРР.

В России, первой освоившей выпуск центрифуг для разделения урана, действуют четыре обогатительных комбината [5.26]: Ураль­ский электрохимический комбинат (УЭХК, г. Новоуральск), Си­бирский химический комбинат (СХК, г. Северск), Красноярский электрохимический завод (КЭХК), Ангарский электролизный хи­мический комбинат (АЭХК).