Электромагнитные методы

Применение природного и обогащенного урана в реакторостроении

Лекция 6

Современная атомная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах, за исключением тяжеловодных реакторов CANDU и графитово-газовых Маgnox (@8 % от общего числа реакторов), базируются на применении топлива, обогащенного по урану‑235. Напомним, содержание урана‑235 в природной смеси изотопов 0,711 %.

Применение в реакторах на тепловых нейтронах слабообогащённого урана, содержащего до 5 % ²³⁵U, обуславливает бóльшую глубину выгорания топлива, высокую удельную энергопроизводительность с каждой тонны топливной загрузки, компактность активной зоны и другие преимущества. Работа на обогащённом уране позволяет существенно снизить массовые потоки урана во внешнем топливном цикле. Все это позволяет получать от АЭС значительный экономический эффект.

Без урана высокого (до 90 %) и среднего (до 20 %) обогащения невозможно создание современных исследовательских реакторов, а также ядерных реакторов для атомного морского флота.

Уран среднего обогащения используется для первых загрузок активных зон реакторов на быстрых нейтронах и при их работе в конверторном режиме.

Промышленное производство обогащённого урана является важнейшей стадией ЯТЦ. Разработка эффективных методов разделения изотопов урана в крупных масштабах оказалось весьма сложной научной и инженерно-технической задачей.

Разделение изотопов урана

Как известно, изотопы имеют одинаковый заряд ядра, но различаются атомными массами. Различие в атомных массах обуславливает различие в физических и химических свойствах изотопов элементов.

Методы разделения изотопов можно разделить на физические и физико-химические. Физические методы экономически более выгодны для разделения изотопов тяжелых элементов (атомная масса > 40), физико-химические используются для разделения изотопов легких элементов (атомная масса < 40).

Физические методы разделения основаны на использовании различия масс ионов, молекул или атомов. Примерами могут служить электромагнитное разделение (в том числе с использованием плазменных центрифуг), газодиффузионный метод, разделение в газовых центрифугах, газодинамические методы (в том числе с использованием разделительного сопла или вихревой трубки). Коротко остановимся на сути этих методов.

В 1940- гг. было приложено немало усилий для разделения изотопов урана с использованием калютрона – устройства для масс-спектрометрического разделения изотопов.

Эта технология использует те же принципы, что и масс-спектрометр, хотя и в гораздо бóльших масштабах. Ионы урана-238 и урана-235 описывают дуги разного радиуса, двигаясь в постоянном магнитном поле.

где r – радиус кривизны траектории иона, v – скорость иона, m - масса иона, – заряд иона, В – магнитная индукция. Смесь ионов, вышедших из источника, разделяется в таком электромагнитном сепараторе на пучки, каждый из которых содержит ионы только одной массы. Наибольшее расхождение между разделяемыми пучками достигается после того, как ионы пройдут путь, равный половине окружности. Если в соответствующих местах установить коллекторы ионов, то в идеальном случае можно собрать полностью разделенные изотопы. В реальных условиях имеют место процессы, приводящие к тому, что в коллектор для одного изотопа, частично попадают другие. Поэтому на практике электромагнитный метод не приводит к полному разделению изотопов элемента, однако высокое разделение достигается уже в однократной операции.

Технология была разработана в 1940 г. в рамках Манхэттенского проекта. Этим методом впервые (1943-1945 гг.) было получено несколько кг ²³⁵U для бомбы, сброшенной на Хиросиму. Однако от этого метода вскоре отказались. Полагают, что он возродился как основное направление подпольной программы обогащения урана в Ираке.

Метод по своей физической природе универсален и может быть применен к любому химическому элементу. Его применяют для получения малых количеств изотопов более 50 элементов.

Недостатки: малая производительность, низкая степень использования сырья, сложность аппаратуры, крайняя энергоемкость процесса – примерно в 10 раз выше, чем в диффузионном методе.

Метод газовой диффузии (эффузионный) основан на различии в скоростях движения различных по массе молекул газа. При молекулярном истечении (эффузии) смеси молекул газа через пористую перегородку с отверстиями, диаметр которых меньше длины свободного пробега молекул газа d < l лёгкие молекулы проникают через отверстия в перегородке быстрее, чем тяжелые.

Длина свободного пробега – это среднее расстояние λ, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Метод применим для разделения смесей изотопов, находящихся в газообразном состоянии. В случае урана наиболее пригодным оказался гексафторид урана UF₆.

Фторид урана (VI) (гексафторид урана) — бинарное соединение урана со фтором. Связь уран — фтор в нём носит ковалентный характер. Обладает молекулярной кристаллической решеткой. Возгоняется при 56,4 ^оС.

Максимальное значение коэффициента разделения a₀:

где М ₁ и М ₂ – молярные массы разделяемых веществ. Для смеси ²³⁸UF₆ и ²³⁵UF₆ степень разделения составляет всего лишь a = 1,00429, поэтому изотопное разделение осуществляют с помощью каскада разделительных элементов.

По этой причине газодиффузионные обогатительные предприятия огромны по размерам и состоят из сотен ступеней обогащения. Последние годы только США и Франция используют диффузионный метод в заметном промышленном масштабе. Россия начала поэтапно отказываться от него с 1992 г.

Диффузионный метод – достаточно гибкий (в отношении производительности), но очень энергоемкий, 2400 кВт‑ч/ЕРР. Затраты на электроэнергию составляют до 70 % цены продукции. Было подсчитано, что в разгар холодной войны 7 % электроэнергии США уходило на обогащение урана до 90 %. Поэтому по окончании срока эксплуатации диффузионные заводы закрываются. В последние годы доля диффузионного процесса упала до 25 % от мирового производства обогащения.

Центробежный метод разделения изотопов в газовой центрифуге основан на том, что в поле центробежных сил устанавливается равновесное распределение молекул, зависящее от молекулярной массы. Как и в диффузионном методе в центрифужном процессе в качестве питания используется газ UF₆ и небольшое различие в массе между U-235 и U‑238. Возможности процесса газового центрифугирования впервые были продемонстрированы в 1940 г., но тогда от него отказались в пользу более простого процесса диффузии.

Центрифуга представляет собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью.

Обычно высота центрифуги 3-5 м, диаметр 20 см (американские центрифуги более 12 м в высоту и 40-50 см в диаметре). При быстром вращении ротора (50000-70000 об/мин) и линейной скорости стенок цилиндра 400‑600 м/с возникает ускорении около 1 млн g, и более тяжелые молекулы гексафторида урана (с U-238) концентрируются на периферии, а более легкие – ²³⁵UF₆ в центре около оси ротора, т.е. центробежная сила разделяет лёгкие и тяжёлые молекулы на слои, где их и можно будет собрать. Из-за различий плотности обогащённая по ²³⁵U смесь перемещается вдоль оси вверх, а обедненная – по периферии вниз.

Степень разделения определяется абсолютной разностью масс ½М₁ ‑ М₂½, а не определяется их соотношением (как в методе газовой диффузии), поэтому центрифуга одинаково хорошо работает как с легкими, так и тяжелыми газами. Степень разделения пропорциональна также квадрату отношения линейной скорости вращения к скорости молекул в газе, и обычно равна 1,01‑1,1.

Хотя объем одной центрифуги значительно меньше, чем одной диффузионной камеры, ее разделяющая способность выше. Поэтому ступень установки включает в себя несколько центрифуг, работающих параллельно. Центрифуги соединены в каскады (аналогичные диффузионному): хвосты от ступени являются частью питания для предыдущей ступени.

Каскад центрифуг на заводе URENCO

В центрифужном методе ступеней обычно 10-20, тогда как в диффузионном – тысячи или более.

Центрифужная технология становится рентабельной при работе на полную мощность. В сравнении с газодиффузионным методом центробежный – менее энергозатратный, и в настоящее время является основным промышленным методом разделения изотопов в РФ. Последние центрифуги 6-го и 7-го поколения были установлены в 2005 г. С 2004 г. центрифуги 8-го поколения (со сроком службы до 30 лет) заменяют модели 5-го поколения со сроком службы всего 15 лет. На долю России (четыре завода в Северске, Зеленогорск, Ангарск и Новоуральске) приходится около 40 % мирового производства

Центрифужный процесс используется на коммерческом уровне также в Европе URENCO (UK, Германия, Нидерланды). Строится один завод в США. Центрифужные технологии применяют Китай, Бразилия, Пакистан, Иран. Подозревается, что Пакистан продал эту технологию Северной Корее. Энергоемкость 50‑60 кВт‑ч/ЕРР.

Дата добавления: 2014-11-16