Основные источники обогащенного урана

Источник
Диффузия	50 %	25 %
Центрифуга	40 %	65 %	93 %
Лазер			3 %
ВОУ оружейный	10 %	10 %	4 5

Мировые мощности по разделению изотопов урана в тыс ЕРР/год

Страна	Компания, завод
Франция	Areva, Georges Besse I & II
Германия Голландия Великобритания	URENCO: Gronau (Германия) Almelo (Голландия) Capenhurst (UK)
Япония	JNC и JNFL, Rokkaasho
США	USEC, Paducah & Piketon
США	URENCO: NewMexico
США	Areva, Idaho Falls			3300?
США	Global Laser Enrichment		1000?	3000?
Россия	TENEX: Ангарск, Новоуральск, Зеленогорск, Северск
Китай	CNNC, Hanzhun & Lanzhou
Пакистан Бразилия Иран	Разные
	Суммарное
Потребности (WNA базовый сценарий)

источник: WNA Market Report 2011 & 2013.

Основные понятия теории разделения изотопов и их применение к урану

Разделительный элемент и разделительная ступень. Для молекулярно-кинетических методов, к которым относятся газодиффузионный и центробежный, характерно многократное повторение единичного эффекта разделения, реализуемого в разделительном элементе. Для этого разделительные элементы соединяются в разделительный каскад. Ступенью каскада называется группа параллельно соединенных разделительных элементов (например центрифуг). В газодиффузионном каскаде понятия степени и разделительного элемента совпадают: cтепенью разделения является единичная газодиффузионная машина.

На вход в элемент подается поток исходной смеси F, внутри элемента поток разделяется обычно на два потока: поток, обогащенный легкой фракцией Ɵ F = P (отбор) и поток обедненный (тяжелый) по легкому элементу W = (1-Ɵ) F (отвал). Ɵ – называют коэффициентом деления потока.

В процессах обогащения урана можно считать, что гексафторид урана представляет собой бинарную смесь, состоящую из ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆, так как содержание ²³⁴UF₆ весьма мало и им можно пренебречь.

Разделительный элемент

Коэффициент разделения и обогащения. Процесс разделения смеси двух изотопов в разделительном элементе характеризуется коэффициентом разделения, который выражает отношение относительной концентрации (массовой доли) целевого изотопа (²³⁵U) в бинарной смеси после процесса разделения к его относительной концентрации в смеси перед осуществлением этого процесса.

При определении величины получаемого в разделительном элементе обогащения (или обеднения) удобно пользоваться коэффициентами обогащения (или обеднения), которые равны α-1.

Рассмотрим процесс обогащения и обеднения изотопом урана-235 в разделительном элементе. Пусть на входе атомная доля ²³⁵U равна x _F, тогда доля ²³⁸U 1- x _F. После процесса разделения в обогащаемой фракции доля ²³⁵U х _P, а в обедненной x _w. Введем относительные концентрации R:

на входе

в обогащенной фракции

и в обедненной

Поскольку и обогащенная и обедненная фракции по изотопному составу отличаются от исходной смеси, то для характеристики качества работы разделительного элемента вводятся два коэффициента разделения: по обогащенной фракции α и по обедненной – β:

; (1)

Соответствующие им коэффициенты обогащения и обеднения определяются следующим образом:

=

Подставляя вместо α и вместо β, получим значения концентраций урана-235 в обогащенной фракции

и в обедненной

(2)

Теперь найдем обогащение на одном разделительном элементе

(3)

и обеднение

(4)

Так как и << 1, знаменатели дробей можно без большой ошибки приравнять единице, тогда получим:

(5)

Коэффициент полного обогащения

	(6)

Для разделительного элемента должны выполняться уравнения материального баланса:

	(7)

Подставляя из уравнения (5) значения x _P и x _W, получим соотношения между коэффициентами обогащения и обеднения

Отсюда

Если Ɵ = 0,5, то

Процесс разделения в ступени полностью характеризуется тремя величинами: расходом F, коэффициентом полного обогащения ε и коэффициентом деления потока Ɵ. Этими величины объединяются в одну δ U – разделительная мощность ступени. Понятие разделительной мощности тесно связано с понятием работы разделения или разделительной работы.

Работа разделения

Известно, что энтропия изотопной смеси газов всегда больше, чем энтропия отдельных элементов, составляющих эту смесь. В разделительной ступени за данный отрезок времени обеспечивается определенное убывание энтропии смеси двух изотопов. Величина убывания энтропии (единицы массы) смеси двух изотопов зависит как от состава изотопной смеси, так и от достигнутого уровня энтропии, которым соответствует изменение концентрации разделяемых изотопов.

В технологии разделения изотопов урана понятие работы разделения (РР) имеет весьма важное значение. Количественное определение работы разделения как величины характеризующей меру физических усилий, совершаемых при разделении изотопов урана, было предложено английскими физиками Р. Пайерлсом и П. Дираком. Они предложили, что существует функция U, которой можно характеризовать «ценность» данной изотопной смеси как в количественном, так и в качественном отношении. Эту «функцию ценности» можно представить в виде произведения количества смеси на функцию V(x), зависящую только от концентрации извлекаемого изотопа и характеризующую качество смеси. Необходимо отметить, что функция ценности не имеет ничего общего с денежным выражением, и ее не следует смешивать с ценой изотопной смеси.

Процесс разделения для любого метода можно представить схематически следующим образом. До начала процесса имелось некоторое количество исходного материала F (кг) с концентрацией легкого изотопа урана x _F; изотопная ценность этого продукта определяется значением функции U _F = FV (x _F). После процесса разделения из этого материала получится обогащенный продукт в количестве Р (кг) с концентрацией х _Р и обедненный продукт в количестве W (кг) с концентрацией x _w; изотопная ценность этих продуктов будет, соответственно, U_P = PV (x _P) и U _w = WV(x _W ). Таким образом, в результате разделения функция целостности U _F увеличится на величину ∆ U:

= PV

(1)

т.е.

PV

Величина ∆ U характеризует меру работы, которую необходимо затратить, чтобы получить из первоначальной газовой бинарной смеси два новых продукта – обогащенный и обедненный одним из изотопов этой смеси. Приращение функции ценности, характеризующее изменение потоков и их изотопного состава при прохождении смеси через разделительное устройство. Как видно из формулы (1), работа разделения, необходимая для получения Р (кг) обогащенного продукта, зависит от содержания урана-235 в отборе х _р, в отвале х _W и в исходном сырье x _F и от количества урана в отборе, отвале и питании. Формула (1) показывает также, что работа разделения имеет размерность количества вещества и ее можно измерять в единицах массы. По определению работа разделения не зависит от конкретной технологии разделения. Очевидно, что работа разделения не совпадает с термодинамической работой, фактически совершаемой в процессе разделения. Значение работы разделения не дает ответа на вопрос о том, за какое время эта работа может быть выполнена на той или иной разделительной установке. Для ответа на этот вопрос необходимо знать разделительную мощность установки, т.е. работу разделения, которую данная установка способна выполнить в единицу времени. Для фактического вычисления работы разделения по формуле (1) необходимо определить потенциалы разделения V(х). Это можно сделать, рассматривая разделительную мощность ступени.

(2)

Формула (2) получена при следующих условиях:

1) cуществует функция целостности U = МV(x), где М – количество бинарной изотопной смеси; V(x) – потенциал разделения, зависящий только от изотопного состава смеси;

2) коэффициент полного обогащения разделительной ступени мал по сравнению с единицей;

3) Разделительная мощность ступени не зависит от изотопного состава смеси, поступающей на питание ступени.

Единица работы разделения (ЕРР)

1 кг РР=1 ЕРР – является специфической единицей, применяемой только в промышленном производстве обогащенного урана. Наглядное представление о величине 1 ЕРР дает схема, представленная на рис. 1.

Работу по разделению изотопов измеряют в единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU). ЕРР впервые была введена КАЭ США (Комиссия по атомной энергии) в связи с необходимостью подвести научную основу под составляемые таблицы и прейскуранты, которые необходимо применять в коммерческих расчетах за услуги по обогащению урана.

Для определенного изменения изотопного состава определенной смеси требуется одинаковое количество ЕРР, независимо от технологии разделения изотопов. ЕРР применяется в качестве характеристики мощности заводов по обогащению урана. Также в ЕРР измеряют необходимые затраты для получения веществ с заданным изменением изотопного состава.

Для практических расчетов важно определить удельную работу разделения n _ЕРР, которую необходимо затратить для получения 1 кг обогащенного урана, заданного обогащения.????

(3)

Величина n _ЕРР зависит только от долевого содержания урана-235 в отборе, питании и отвале обогащаемого урана. В природном уране содержится 0,711 % изотопа ²³⁵U. Для получения обогащенного урана с содержанием этого изотопа 5 % требуется 7,9 ЕРР и 10,4 кг природного урана, при этом в отходах содержание этого изотопа будет 0,25 % (обедненный уран). Чем меньше нужного изотопа уходит в отвал, тем меньше требуется исходного сырья, но тем больше затраты ЕРР. Например, если в отвал будет уходить 0,2 % изотопа, то потребуется уже 8,9 ЕРР и 9,4 кг природного урана. Всегда существует компромисс между затратами на обогащение ЕРР и стоимостью урана.

Для разных технологий разделения изотопов реальные затраты ресурсов могут сильно отличаться. Например, газодиффузионная технология требует 2500 кВт/ЕРР (по затратам электроэнергии). Газовые центрифуги тратят 50 кВт/ЕРР. Рыночная стоимость ЕРР около 130 $/ЕРР США.

Разделительная мощность (разделительная способность) измеряется в единицах работы разделения, совершаемой за год (ЕРР/год). В единицах работы разделения принято выражать годовую проектную и фактическую производительность разделительных установок и заводов. Таким образом, подразумевается, что действительной продукцией разделительных заводов является производимая ими работа разделения. Это связано с тем, что разделительный завод, спроектированный на получение заданного годового количества обогащенного урана с заданной концентрацией урана-235 может вместо этого фактически производить другое количество урана, обогащаемого до некоторой другой концентрации урана-235, отличающейся от проектной концентрации урана-235 при условии, что работа разделения считается прежней. Правда, при этом концентрация в выпускаемом продукте может отличаться от проектной только в некотором интервале, определяемом конструкционными особенностями завода. Например, газодиффузионный завод «Евродиф» во Франции рассчитан на производство урана, обогащаемого не более чем до 5 % ²³⁵U.

Все затраты разделительного завода по производству обогащенного урана относят к фактически выполненной работе разделения, выраженной в ЕРР, и, подобно тому как продукцию электростанции – электроэнергию измеряют в киловатт-часах и на нее относят все постоянные и эксплуатационные затраты, продукцию разделительных заводов измеряют в ЕРР и на нее относят все затраты. ЕРР утвердилась как единая международная единица измерения, принятая в разделительном производстве и при оценке стоимости обогащенного урана (анализ таблиц по производству обогащенного урана).

http://www.world-nuclear.org/info/nuclear-fuel-cycle/conversion-enrichment-and-fabrication/uranium-enrichment/#.ulzoquxtd1s

Дата добавления: 2014-11-16