IT-teknologier innen uranutvinning og anrikning. Hvordan anrikes uran? Anrikning av uran i Russland

Er det sant, sier du, ingen trenger naturlig uran? La oss se på forbruket.

For øyeblikket er følgende typer anriket uran etterspurt i verden:

• 1. Naturlig uran (0,712%). Tungtvannsreaktorer (PHWR) som CANDU
• 2. Svakt anriket uran (2-3 %, 4-5 %). Vann-grafitt-zirkonium, vann-vann-zirkonium reaktorer, VVER, PWR, RBMK reaktorer
• 3. Moderat anriket uran (15-25%), raske reaktorer, transportreaktorer (isbrytere, FNPP) kjernekraftverk
• 4. Høyanriket uran (>50%), TRNPPs (ubåter), forskningsreaktorer.

Det vil være en artikkel om anrikningsmetoder.

Som råstoff for anrikning brukes ikke rent metallisk uran, men uranheksafluorid UF 6 , som ved kombinasjonen av egenskaper er den mest egnede kjemiske forbindelsen for isotopanrikning. For kjemikere merker vi at uranfluorering skjer i en vertikal plasmareaktor.
Til tross for all overflod av anrikningsmetoder, brukes i dag bare to av dem i industriell skala - gassdiffusjon og sentrifuger. I begge tilfeller brukes gass - UF 6.

Nærmere tilfellet med isotopseparasjon. For enhver metode er effektiviteten av isotopseparasjon preget av separasjonsfaktoren α - forholdet mellom fraksjonen av den "lette" isotopen i "produktet" og dens fraksjon i primærblandingen.

For de fleste metoder er α bare litt større enn enhet; derfor, for å oppnå en høy isotopkonsentrasjon, må en enkelt isotopseparasjonsoperasjon gjentas mange ganger (kaskader). For eksempel, for gassdiffusjonsmetoden α=1,00429, for sentrifuger avhenger verdien sterkt av omkretshastigheten - ved 250m/s α=1,026, ved 600m/s α=1,233. Bare med elektromagnetisk separasjon er α 10-1000 for 1 separasjonssyklus. En sammenlignende tabell for flere parametere vil være på slutten.

Hele kaskaden av anrikningsmaskiner er alltid delt inn i etapper. I det første trinnet av separasjonskaskaden er strømmen av den innledende blandingen delt inn i to strømmer: utarmet (fjernet fra kaskaden) og anriket. Anriket mates til 2. trinn. I det andre trinnet blir den en gang berikede strømmen separert på nytt:
den berikede strømmen av 2. trinn går inn i 3. trinn, og dens utarmede strømmen går tilbake til forrige (1.), etc. Fra det siste stadiet av kaskaden velges et ferdig produkt med den nødvendige konsentrasjonen av en gitt isotop.

Jeg vil kort snakke om de viktigste separasjonsmetodene som noen gang har blitt brukt i verden.

elektromagnetisk separasjon

Siden separasjonen kan utføres med uranioner, er omdanning av uran til UF 6 i prinsippet ikke nødvendig. Denne metoden gir høy renhet, men lavt utbytte til høye energikostnader. Stoffet hvis isotoper skal separeres, plasseres i digelen til ionekilden, fordampes og ioniseres. Ioner trekkes ut av ioniseringskammeret av et sterkt elektrisk felt. Ionestrålen går inn i vakuumseparasjonskammeret i et magnetfelt H rettet vinkelrett på ionebevegelsen. Som et resultat beveger ionene seg langs sirklene sine med forskjellige (avhengig av masse) krumningsradier. Det er nok å se på bildet og huske skoletimer, der vi alle vurderte radiusen som et elektron eller et proton ville fly i et magnetfelt.

Diagram som viser prinsippet for elektromagnetisk separasjon.

Fordelen med metoden er bruken av en relativt enkel teknologi (kalutroner: CAL ifornia U niversitet).
Den ble brukt til urananrikning ved Y-12-anlegget (USA), hadde 5184 skillekamre - "calutrons", og gjorde det for første gang mulig å oppnå kilogram mengder på 235U høy anrikning - 80% eller høyere.

I Manhattan-prosjektet ble kalutoner brukt etter termisk diffusjon - alfa-kalutroner mottok 7 % råvarer (plante Y-12) og ble anriket opptil 15 %. Våpenkvalitetsuran (opptil 90%) ble produsert på beta-kalutroner ved Y-12-anlegget. Alfa- og beta-kalutroner har ingenting med alfa- og beta-partikler å gjøre, de er bare to "linjer" med kalutroner, en for pre-anriking, den andre for endelig anrikning.

Metoden lar deg separere hvilken som helst kombinasjon av isotoper, har en veldig høy grad av separasjon. To passeringer er tilstrekkelig for anrikning over 80 % fra et dårlig materiale med et startinnhold på mindre enn 1 %. Produktiviteten bestemmes av verdien av ionestrømmen og effektiviteten til å fange ioner - opptil flere gram isotoper per dag (totalt for alle isotoper).

Et av de elektromagnetiske separasjonsverkstedene i Oak Ridge (USA)

Kjempe alfa-kalutron fra samme plante

Diffusjonsmetoder

Hvis en gass som består av to typer molekyler (i vårt tilfelle, to isotoper) føres gjennom et lite hull eller gjennom et rutenett som består av et stort antall små hull, så viser det seg at lettere gassmolekyler passerer i større antall enn tunge. seg. Det er viktig å merke seg at dette fenomenet bare oppstår når molekylene passerer gjennom hullet uten å kollidere i det, ... dvs. når den gjennomsnittlige frie banen til molekylet er større enn diameteren til hullet. Følgelig viser gassen som passerer gittene seg å være utarmet i lette molekyler. I praksis skjer det imidlertid alltid tilbakelekkasje av gass gjennom nettet, som følge av at økningen i konsentrasjonen av lysisotopen (anrikningen) i realiteten viser seg å være noe mindre.

Mer under spoileren, fra samme reportasje.

"Om tilstanden til forskning og praktisk arbeid i laboratorium nr. 2 for produksjon av uran-235 ved diffusjonsmetoden"

Anrikningen er jo større, jo større trykkfall over nettet. Trykkfallet skapes vanligvis av en kompressor (pumpe) som flytter gassen mellom gitterne. Et slikt system, bestående av gitter og en kompressor som beveger gassen, er et skilletrinn.

Vi bruker uranheksafluorid som gass. Det er et salt med ganske høyt damptrykk ved romtemperatur. Når det gjelder gitteret, må de ha en hulldiameter som er mindre enn den gjennomsnittlige frie banen til molekylene av uranheksafluorid. Sistnevnte er som kjent omvendt proporsjonal med gasstrykket. Ved atmosfærisk trykk er den gjennomsnittlige frie banen til molekyler omtrent 1/10 000 mm. Derfor, hvis vi kunne lage en finmasket med hull mindre enn 1/10 000 mm, kunne vi arbeide med gass ved atmosfærisk trykk.

For tiden har vi lært å lage masker med hull på ca 5/1000 mm, dvs. 50 ganger den gjennomsnittlige frie banen til molekyler ved atmosfærisk trykk. Derfor må gasstrykket som isotopseparasjon på slike nett vil finne sted være mindre enn 1/50 av atmosfærisk trykk. I praksis regner vi med å jobbe ved et trykk på ca 0,01 atmosfærer, dvs. under gode vakuumforhold. Multippel gassanriking i en kontinuerlig operasjonsprosess kan utføres ved bruk av en kaskadeinstallasjon som består av et stort antall trinn koblet i serie. Beregningen viser at for å få et produkt anriket til en konsentrasjon på 90 % i en lett isotop (en slik konsentrasjon er tilstrekkelig for å få et eksplosiv), må ca 2000 slike trinn kobles sammen i en kaskade. I maskinen som er designet og delvis produsert av oss, forventes den å produsere 75-100 g uran-235 per dag. Installasjonen vil bestå av cirka 80-100 "kolonner", som hver vil inneholde 20-25 trinn. Det totale arealet av rutenettene (nettverkets areal bestemmer ytelsen til hele installasjonen) vil være omtrent 8000 m 2 . Den totale effekten som forbrukes av kompressorene vil være 20 000 kW.

Den ble brukt som en av de første stadiene av berikelse. I Manhattan-prosjektet anriket K-25-anlegget uran fra 0,86 % til 7 %, deretter gikk råmaterialet til kalutroner. I USSR - det langmodige anlegget D-1, samt fabrikkene D-2 og D-3 som fulgte det, og så videre.

Også "diffusjons"-separasjonsmetoden blir noen ganger forstått som væskediffusjon - også bare i væskefasen. Det fysiske prinsippet er at lettere molekyler samles i et varmere område. Typisk består separasjonskolonnen av to koaksialt anordnede rør, som holdes ved forskjellige temperaturer. Blandingen som skal separeres innføres mellom dem. Temperaturforskjellen ΔT fører til fremveksten av konvektive vertikale strømmer, og en diffusjonsstrøm av isotoper skapes mellom overflatene på rørene, noe som fører til utseendet til en forskjell i konsentrasjonen av isotoper i søylens tverrsnitt. Som et resultat akkumuleres lettere isotoper nær den varme overflaten av det indre røret og beveger seg oppover. Den termiske diffusjonsmetoden gjør det mulig å separere isotoper i både gass- og væskefase.

I Manhattan-prosjektet er dette S-50-anlegget – det anriket naturlig uran til 0,86 %, dvs. bare 1,2 ganger økte anrikningen av det femte uranet. I USSR ble arbeidet med væskediffusjon utført av Radium Institute i etterkrigstiden, men denne retningen fikk ingen utvikling.

Kaskade av maskiner for gassdiffusjon isotopseparasjon.
Signaturer på patentet - F. Simon, K. Fuchs, R. Peierls.

Aerodynamisk separasjon

Alt du trenger å vite om aerodynamisk separasjon er på dette bildet.

Dysealternativer

Gassentrifugering

Driftsprinsippet er separasjon på grunn av sentrifugalkrefter, avhengig av den absolutte forskjellen i masse. Under rotasjon (opptil 1000 rpm, periferhastighet - 100 - 600 m/s), går tyngre molekyler til periferien, lettere - i midten (nær rotoren). Denne metoden er for øyeblikket den mest produktive og billigste (basert på $/EPP-pris).

Google er full av skjematiske bilder av sentrifugeenheten, jeg vil bare gi et par bilder av hvordan den sammensatte kaskaden ser ut. I et slikt rom er det forresten ganske varmt - uranheksafotoridet der er langt fra romtemperatur, og all en slik kaskade må også avkjøles.

Kaskade av URENCO-sentrifuger. Stor, ca 3 meter høy.

Det finnes også mindre, omtrent en halv meter. Vårt hjemlige.

For å forstå skalaen, eller hva er en "workshop fra horisont til horisont".

Laser berikelse

Metoden bruker urandamp, og lasere som er finjustert til en bestemt bølgelengde, spennende atomene til nettopp det 235. uranet. Deretter fjernes ioniserte atomer fra blandingen av et elektrisk eller magnetisk felt.

Teknologien er veldig enkel, og krever generelt sett ingen superkomplekse mekaniske enheter som diffusjonsmasker eller sentrifuger, det er ett og et annet problem.
I september 2012 mottok Global Laser Enrichment LLC (GLE), et konsortium av General Electric, Hitachi og Cameco, en lisens fra US Nuclear Regulatory Commission (NRC) til å bygge et laserseparasjonsanlegg med en kapasitet på opptil 6 millioner SWU ved stedet for et eksisterende joint venture mellom GE, Toshiba og Hitachi drivstofffabrikk i Wilmington, North Carolina. Planlagt berikelse - opptil 8%. Imidlertid ble lisensiering suspendert - på grunn av problemer med spredning av teknologi. Moderne anrikningsteknologier (diffusjon og sentrifugering) krever spesialutstyr, så spesielt at man, generelt sett, om ønskelig, gjennom overvåking av internasjonale kontrakter, indirekte kan anta hvem som skal «stille» (uten IAEAs kjennskap) anrike uran. eller utføre arbeid i denne retningen. Og slik overvåking blir virkelig utført. I tilfelle laseranrikningsmetoden viser seg å være enkel og effektiv, kan arbeidet med uran av våpenkvalitet begynne å utføres der det egentlig ikke er behov for det. Derfor, mens lasermetoden på en eller annen måte er knust.

Lasermetoder kan også inkludere den molekylære metoden, basert på det faktum at det ved infrarøde eller ultrafiolette frekvenser er en selektiv absorpsjon av det infrarøde spekteret av 235 UF 6 gass, som videre tillater bruk av metoden for dissosiasjon av eksiterte molekyler eller kjemisk separasjon .
Det relative innholdet av U-235 kan økes med en størrelsesorden allerede i første trinn. Dermed er en enkelt passering tilstrekkelig til å gi tilstrekkelig urananrikning for atomreaktorer.

Forklaringer for den "molekylære" metoden med kjemisk separasjon.

Fordeler med laseranrikning:

• Strømforbruk: 20 ganger mindre enn for diffusjon.
• Kaskader: antall kaskader (0,7 % til 3-5 % U-235) mindre enn 100, sammenlignet med 150 000 sentrifuger.
• Kostnaden for anlegget er betydelig mindre.
• Miljøvennlig: mindre farlig metallisk uran brukes i stedet for uranheksafluorid.
• Behovet for naturlig uran er 30 % mindre.
• 30 % mindre avgangsmasse (dumplagring).

Sammenligning av indikatorer for ulike metoder

Anrikning av uran i Russland

Er det sant, sier du, ingen trenger naturlig uran? La oss se på forbruket.

For øyeblikket er følgende typer anriket uran etterspurt i verden:

• 1. Naturlig uran (0,712%). Tungtvannsreaktorer (PHWR) som CANDU
• 2. Svakt anriket uran (2-3 %, 4-5 %). Vann-grafitt-zirkonium, vann-vann-zirkonium reaktorer, VVER, PWR, RBMK reaktorer
• 3. Moderat anriket uran (15-25%), raske reaktorer, transportreaktorer (isbrytere, FNPP) kjernekraftverk
• 4. Høyanriket uran (>50%), TRNPPs (ubåter), forskningsreaktorer.

Naturlig uran passerer bare på det første punktet. Hvis vi antar at i vår verden er forbrukere av uran kun kommersielle reaktorer, så er PHWR av dem mindre enn 10%. Og hvis vi regner med alt annet (transport, forskning), så ... kort sagt, naturlig uran er verken i landsbyen eller i byen. Dette betyr at nesten enhver forbruker krever en økning i prosentandelen lysisotop i en blanding på 235-238. Dessuten brukes uran ikke bare i atomkraft, men også i produksjon av rustning, ammunisjon og noe annet. Og der er det bedre å ha utarmet uran, som i prinsippet krever de samme prosessene, bare omvendt.

Det vil være en artikkel om anrikningsmetoder.

Som råstoff for anrikning brukes ikke rent metallisk uran, men uranheksafluorid UF 6 , som ved kombinasjonen av egenskaper er den mest egnede kjemiske forbindelsen for isotopanrikning. For kjemikere merker vi at uranfluorering skjer i en vertikal plasmareaktor.
Til tross for all overflod av anrikningsmetoder, brukes i dag bare to av dem i industriell skala - gassdiffusjon og sentrifuger. I begge tilfeller brukes gass - UF 6.

Nærmere tilfellet med isotopseparasjon. For enhver metode er effektiviteten av isotopseparasjon preget av separasjonsfaktoren α - forholdet mellom fraksjonen av den "lette" isotopen i "produktet" og dens fraksjon i primærblandingen.

For de fleste metoder er α bare litt større enn enhet; derfor, for å oppnå en høy isotopkonsentrasjon, må en enkelt isotopseparasjonsoperasjon gjentas mange ganger (kaskader). For eksempel, for gassdiffusjonsmetoden α=1,00429, for sentrifuger avhenger verdien sterkt av omkretshastigheten - ved 250m/s α=1,026, ved 600m/s α=1,233. Bare med elektromagnetisk separasjon er α 10-1000 for 1 separasjonssyklus. En sammenlignende tabell for flere parametere vil være på slutten.

Hele kaskaden av anrikningsmaskiner er alltid delt inn i etapper. I det første trinnet av separasjonskaskaden er strømmen av den innledende blandingen delt inn i to strømmer: utarmet (fjernet fra kaskaden) og anriket. Anriket mates til 2. trinn. I det andre trinnet blir den en gang berikede strømmen separert på nytt:
den berikede strømmen av 2. trinn går inn i 3. trinn, og dens utarmede strømmen går tilbake til forrige (1.), etc. Fra det siste stadiet av kaskaden velges et ferdig produkt med den nødvendige konsentrasjonen av en gitt isotop.

Jeg vil kort snakke om de viktigste separasjonsmetodene som noen gang har blitt brukt i verden.

elektromagnetisk separasjon

Ved hjelp av denne metoden er det mulig å separere komponentene i en blanding i et magnetfelt, og med høy renhet. Elektromagnetisk separasjon er historisk sett den første metoden som er mestret for separasjon av uranisotoper.

Siden separasjonen kan utføres med uranioner, er omdanning av uran til UF 6 i prinsippet ikke nødvendig. Denne metoden gir høy renhet, men lavt utbytte til høye energikostnader. Stoffet hvis isotoper skal separeres, plasseres i digelen til ionekilden, fordampes og ioniseres. Ioner trekkes ut av ioniseringskammeret av et sterkt elektrisk felt. Ionestrålen går inn i vakuumseparasjonskammeret i et magnetfelt H rettet vinkelrett på ionebevegelsen. Som et resultat beveger ionene seg langs sirklene sine med forskjellige (avhengig av masse) krumningsradier. Det er nok å se på bildet og huske skoletimer, der vi alle vurderte radiusen som et elektron eller et proton ville fly i et magnetfelt.

Diagram som viser prinsippet for elektromagnetisk separasjon.

Fordelen med metoden er bruken av en relativt enkel teknologi (kalutroner: CAL ifornia U niversitet).
Den ble brukt til urananrikning ved Y-12-anlegget (USA), hadde 5184 skillekamre - "calutrons", og gjorde det for første gang mulig å oppnå kilogram mengder på 235U høy anrikning - 80% eller høyere.

I Manhattan-prosjektet ble kalutoner brukt etter termisk diffusjon - alfa-kalutroner mottok 7 % råvarer (plante Y-12) og ble anriket opptil 15 %. Våpenkvalitetsuran (opptil 90%) ble produsert på beta-kalutroner ved Y-12-anlegget. Alfa- og beta-kalutroner har ingenting med alfa- og beta-partikler å gjøre, de er bare to "linjer" med kalutroner, en for pre-anriking, den andre for endelig anrikning.

Metoden lar deg separere hvilken som helst kombinasjon av isotoper, har en veldig høy grad av separasjon. To passeringer er tilstrekkelig for anrikning over 80 % fra et dårlig materiale med et startinnhold på mindre enn 1 %. Produktiviteten bestemmes av verdien av ionestrømmen og effektiviteten til å fange ioner - opptil flere gram isotoper per dag (totalt for alle isotoper).

Et av de elektromagnetiske separasjonsverkstedene i Oak Ridge (USA)

Kjempe alfa-kalutron fra samme plante

Diffusjonsmetoder

Diffusjonsmetoder ble brukt for innledende anrikning. Sammen med den elektromagnetiske metoden - historisk sett en av de første. Diffusjonsmetoden forstås vanligvis som gassdiffusjon - når uranheksafluorid varmes opp til en viss temperatur og føres gjennom en "sil" - et filter av en spesiell utforming med hull av en viss størrelse.

Hvis en gass som består av to typer molekyler (i vårt tilfelle, to isotoper) føres gjennom et lite hull eller gjennom et rutenett som består av et stort antall små hull, så viser det seg at lettere gassmolekyler passerer i større antall enn tunge. seg. Det er viktig å merke seg at dette fenomenet bare oppstår når molekylene passerer gjennom hullet uten å kollidere i det, ... dvs. når den gjennomsnittlige frie banen til molekylet er større enn diameteren til hullet. Følgelig viser gassen som passerer gittene seg å være utarmet i lette molekyler. I praksis skjer det imidlertid alltid tilbakelekkasje av gass gjennom nettet, som følge av at økningen i konsentrasjonen av lysisotopen (anrikningen) i realiteten viser seg å være noe mindre.

Nøkkelpunktet her er uttrykket om størrelsen på hullene. I utgangspunktet ble gitteret laget mekanisk, som nå - ingen vet. Dessuten må materialet fungere ved forhøyede temperaturer, og selve hullene må ikke tettes, størrelsen deres må ikke endres på grunn av korrosjon osv. Teknologiene for produksjon av diffusjonsbarrierer er fortsatt klassifisert - samme kunnskap som med sentrifuger.

Mer under spoileren, fra samme reportasje.

"Om tilstanden til forskning og praktisk arbeid i laboratorium nr. 2 for produksjon av uran-235 ved diffusjonsmetoden"

Anrikningen er jo større, jo større trykkfall over nettet. Trykkfallet skapes vanligvis av en kompressor (pumpe) som flytter gassen mellom gitterne. Et slikt system, bestående av gitter og en kompressor som beveger gassen, er et skilletrinn.

Vi bruker uranheksafluorid som gass. Det er et salt med ganske høyt damptrykk ved romtemperatur. Når det gjelder gitteret, må de ha en hulldiameter som er mindre enn den gjennomsnittlige frie banen til molekylene av uranheksafluorid. Sistnevnte er som kjent omvendt proporsjonal med gasstrykket. Ved atmosfærisk trykk er den gjennomsnittlige frie banen til molekyler omtrent 1/10 000 mm. Derfor, hvis vi kunne lage en finmasket med hull mindre enn 1/10 000 mm, kunne vi arbeide med gass ved atmosfærisk trykk.

For tiden har vi lært å lage masker med hull på ca 5/1000 mm, dvs. 50 ganger den gjennomsnittlige frie banen til molekyler ved atmosfærisk trykk. Derfor må gasstrykket som isotopseparasjon på slike nett vil finne sted være mindre enn 1/50 av atmosfærisk trykk. I praksis regner vi med å jobbe ved et trykk på ca 0,01 atmosfærer, dvs. under gode vakuumforhold. Multippel gassanriking i en kontinuerlig operasjonsprosess kan utføres ved bruk av en kaskadeinstallasjon som består av et stort antall trinn koblet i serie. Beregningen viser at for å få et produkt anriket til en konsentrasjon på 90 % i en lett isotop (en slik konsentrasjon er tilstrekkelig for å få et eksplosiv), må ca 2000 slike trinn kobles sammen i en kaskade. I maskinen som er designet og delvis produsert av oss, forventes den å produsere 75-100 g uran-235 per dag. Installasjonen vil bestå av cirka 80-100 "kolonner", som hver vil inneholde 20-25 trinn. Det totale arealet av rutenettene (nettverkets areal bestemmer ytelsen til hele installasjonen) vil være omtrent 8000 m 2 . Den totale effekten som forbrukes av kompressorene vil være 20 000 kW.

I tillegg et godt vakuum, som krever en tilstrekkelig stor kapasitet på kompressorutstyr, og tilstedeværelsen av en stor mengde tetthetskontrollutstyr (som i prinsippet ikke er et problem i den moderne verden, men artikkelen handlet om innlegget -krigstid hvor alt var nødvendig, umiddelbart og raskt).

Den ble brukt som en av de første stadiene av berikelse. I Manhattan-prosjektet anriket K-25-anlegget uran fra 0,86 % til 7 %, deretter gikk råmaterialet til kalutroner. I USSR - det langmodige anlegget D-1, samt fabrikkene D-2 og D-3 som fulgte det, og så videre.

Også "diffusjons"-separasjonsmetoden blir noen ganger forstått som væskediffusjon - også bare i væskefasen. Det fysiske prinsippet er at lettere molekyler samles i et varmere område. Typisk består separasjonskolonnen av to koaksialt anordnede rør, som holdes ved forskjellige temperaturer. Blandingen som skal separeres innføres mellom dem. Temperaturforskjellen ΔT fører til fremveksten av konvektive vertikale strømmer, og en diffusjonsstrøm av isotoper skapes mellom overflatene på rørene, noe som fører til utseendet til en forskjell i konsentrasjonen av isotoper i søylens tverrsnitt. Som et resultat akkumuleres lettere isotoper nær den varme overflaten av det indre røret og beveger seg oppover. Den termiske diffusjonsmetoden gjør det mulig å separere isotoper i både gass- og væskefase.

I Manhattan-prosjektet er dette S-50-anlegget – det anriket naturlig uran til 0,86 %, dvs. bare 1,2 ganger økte anrikningen av det femte uranet. I USSR ble arbeidet med væskediffusjon utført av Radium Institute i etterkrigstiden, men denne retningen fikk ingen utvikling.

Kaskade av maskiner for gassdiffusjon isotopseparasjon.
Signaturer på patentet - F. Simon, K. Fuchs, R. Peierls.

Aerodynamisk separasjon

Aerodynamisk separasjon er en slags sentrifugering, men i stedet for å virvle gassen virvles den i en spesiell dyse. I stedet for tusen ord - se bildet, den såkalte. "Becker-dyse" for aerodynamisk separasjon av uranisotoper (en blanding av hydrogen og uranheksafluorid) ved redusert trykk. Uranheksafluorid er en svært tung gass og fører til slitasje på små deler av dyser (se skala), og kan bli fast i områder med høyt trykk (for eksempel ved innløpet til dysen), slik at heksafluoridet fortynnes med hydrogen. Det er klart at ved 4% av innholdet av råvarer i gassen, og til og med redusert trykk, er effektiviteten til denne metoden ikke stor. Denne metoden ble utviklet i Sør-Afrika og Tyskland.

Alt du trenger å vite om aerodynamisk separasjon er på dette bildet.

Dysealternativer

Gassentrifugering

Sannsynligvis hver person (og en nerd enda mer!) som har hørt minst én gang atomenergi, bomber og anrikning vet generelt hva en sentrifuge er, hvordan den fungerer og at det er mange vanskeligheter, hemmeligheter og kunnskap i utforming av slike enheter. Derfor vil jeg si bare noen få ord om gasssentrifugering. Men for å være ærlig, har gassentrifuger en svært rik utviklingshistorie og fortjener en egen artikkel.

Driftsprinsippet er separasjon på grunn av sentrifugalkrefter, avhengig av den absolutte forskjellen i masse. Under rotasjon (opptil 1000 rpm, periferhastighet - 100 - 600 m/s), går tyngre molekyler til periferien, lettere - i midten (nær rotoren). Denne metoden er for øyeblikket den mest produktive og billigste (basert på $/EPP-pris).

Google er full av skjematiske bilder av sentrifugeenheten, jeg vil bare gi et par bilder av hvordan den sammensatte kaskaden ser ut. I et slikt rom er det forresten ganske varmt - uranheksafotoridet der er langt fra romtemperatur, og all en slik kaskade må også avkjøles.

Kaskade av URENCO-sentrifuger. Stor, ca 3 meter høy.

Det finnes også mindre, omtrent en halv meter. Vårt hjemlige.

For å forstå skalaen, eller hva er en "workshop fra horisont til horisont".

Laser berikelse

Det fysiske prinsippet for laserberikelse er at atomenerginivåene til forskjellige isotoper varierer litt.
Denne effekten kan brukes til å skille U-235 fra U-238, både i atomform - AVLIS, og i molekylær form - MLIS.

Metoden bruker urandamp, og lasere som er finjustert til en bestemt bølgelengde, spennende atomene til nettopp det 235. uranet. Deretter fjernes ioniserte atomer fra blandingen av et elektrisk eller magnetisk felt.

Teknologien er veldig enkel, og krever generelt sett ingen superkomplekse mekaniske enheter som diffusjonsmasker eller sentrifuger, det er ett og et annet problem.
I september 2012 mottok Global Laser Enrichment LLC (GLE), et konsortium av General Electric, Hitachi og Cameco, en lisens fra US Nuclear Regulatory Commission (NRC) til å bygge et laserseparasjonsanlegg med en kapasitet på opptil 6 millioner SWU ved stedet for et eksisterende joint venture mellom GE, Toshiba og Hitachi drivstofffabrikk i Wilmington, North Carolina. Planlagt berikelse - opptil 8%. Imidlertid ble lisensiering suspendert - på grunn av problemer med spredning av teknologi. Moderne anrikningsteknologier (diffusjon og sentrifugering) krever spesialutstyr, så spesielt at man, generelt sett, om ønskelig, gjennom overvåking av internasjonale kontrakter, indirekte kan anta hvem som skal «stille» (uten IAEAs kjennskap) anrike uran. eller utføre arbeid i denne retningen. Og slik overvåking blir virkelig utført. I tilfelle laseranrikningsmetoden viser seg å være enkel og effektiv, kan arbeidet med uran av våpenkvalitet begynne å utføres der det egentlig ikke er behov for det. Derfor, mens lasermetoden på en eller annen måte er knust.

Lasermetoder kan også inkludere den molekylære metoden, basert på det faktum at det ved infrarøde eller ultrafiolette frekvenser er en selektiv absorpsjon av det infrarøde spekteret av 235 UF 6 gass, som videre tillater bruk av metoden for dissosiasjon av eksiterte molekyler eller kjemisk separasjon .
Det relative innholdet av U-235 kan økes med en størrelsesorden allerede i første trinn. Dermed er en enkelt passering tilstrekkelig til å gi tilstrekkelig urananrikning for atomreaktorer.

Forklaringer for den "molekylære" metoden med kjemisk separasjon.

Fordeler med laseranrikning:

• Strømforbruk: 20 ganger mindre enn for diffusjon.
• Kaskader: antall kaskader (0,7 % til 3-5 % U-235) mindre enn 100, sammenlignet med 150 000 sentrifuger.
• Kostnaden for anlegget er betydelig mindre.
• Miljøvennlig: mindre farlig metallisk uran brukes i stedet for uranheksafluorid.
• Behovet for naturlig uran er 30 % mindre.
• 30 % mindre avgangsmasse (dumplagring).

Sammenligning av indikatorer for ulike metoder

Anrikning av uran i Russland

For tiden er det fire prosessanlegg i Russland:

Det er alt. Takk for din oppmerksomhet.

BERIKNING AV KJERNEFØRSEL, som skiller den svært spaltbare isotopen av uran, uran 235, fra den dominerende isotopen, uran 238. Gassformig uran (VI) fluorid gjennomgår diffusjonsseparasjon, som bruker en rekke ledeplater med ... ... Vitenskapelig og teknisk encyklopedisk ordbok

BERIKELSE- (1) sprengning av oksygeninnføring i atmosfærisk luft for å intensivere den teknologiske prosessen under metallsmelting (se), (2) O. minerals er en kombinasjon av ulike metoder for prosessering av malmer av jernholdige, ikke-jernholdige og edle metaller, kull , etc. ... ... Great Polytechnic Encyclopedia

Bearbeiding av uranmalm er et sett med prosesser for primærbearbeiding av mineralholdige råvarer, med sikte på å skille uran fra andre mineraler som utgjør malmen. I dette tilfellet er det ingen endring i sammensetningen av mineraler, men bare deres ... ... Atomkraftvilkår

anrikning av uranmalm- Et sett med prosesser for primærforedling av mineralholdige råstoffer, med sikte på å skille uran fra andre mineraler som utgjør malmen. I dette tilfellet er det ingen endring i sammensetningen av mineraler, men bare deres mekaniske separasjon fra ... ... Teknisk oversetterhåndbok

Radiometriske anrikningsprosesser for malmbehandling basert på samspillet mellom ulike typer stråling med materie. I teknologien for radiometrisk malmanrikning skilles to typer prosesser ut: Radiometrisk sortering ... ... Wikipedia

- (engelsk magnetisk separasjon, magnetisk konsentrasjon av mineraler; tysk magnetische Aufbereitung f der Bodenschätze) anrikning av mineraler basert på virkningen av et uensartet magnetfelt på mineralpartikler med ... ... Wikipedia

- (a. kjemisk raffinering; n. chemische Aufbereitung; f. konsentrasjon par voie chimique, enrichissement chimique; og. tratamiento quimico, preparacion quimica, elaboracion quimica) teknologi for primærbehandling av malm, kollektiv og ... ... Geologisk leksikon

Uran er den viktigste energikilden for kjernekraft, som genererer omtrent 20 % av verdens elektrisitet. Uranindustrien dekker alle ledd i uranproduksjonen, inkludert leting av forekomster, utvikling av disse og anrikning av malm. Behandler... ... Collier Encyclopedia

Nesten klar til å gå ... Wikipedia

Kjernebrenselcelle Kjernebrensel er et stoff som brukes i kjernefysiske reaktorer for å utføre en kjernefysisk fisjonskjedereaksjon. Innhold 1 Generell informasjon 2 Klassifisering ... Wikipedia

Bøker

• "Rose" av Isfahan, Michel Gaven, 2000-tallet. Iran. Et jordskjelv oppstår i området til byen Isfahan med store ødeleggelser og tap. Når de innser at de ikke kan klare seg på egenhånd, blir iranske myndigheter tvunget til å søke om ... Kategori:

Hvor kom uran fra? Mest sannsynlig dukker det opp under supernovaeksplosjoner. Faktum er at for nukleosyntesen av elementer som er tyngre enn jern, må det være en kraftig nøytronfluks, som oppstår bare under en supernovaeksplosjon. Det ser ut til at senere, når det kondenserer fra skyen av nye stjernesystemer dannet av den, skulle uran, etter å ha samlet seg i en protoplanetær sky og være veldig tung, synke ned i dypet av planetene. Men det er det ikke. Uran er et radioaktivt grunnstoff og avgir varme når det forfaller. Beregningen viser at dersom uran ble jevnt fordelt over hele planetens tykkelse, i det minste med samme konsentrasjon som på overflaten, så ville det avgi for mye varme. Dessuten bør strømmen avta etter hvert som uran forbrukes. Siden ingenting av denne typen er observert, mener geologer at minst en tredjedel av uran, og kanskje alt, er konsentrert i jordskorpen, hvor innholdet er 2,5∙10 -4%. Hvorfor dette skjedde diskuteres ikke.

Hvor utvinnes uran? Uran på jorden er ikke så lite - når det gjelder utbredelse, er det på 38. plass. Og mest av alt er dette elementet i sedimentære bergarter - karbonholdige skifer og fosforitter: opp til henholdsvis 8∙10 -3 og 2,5∙10 -2%. Til sammen inneholder jordskorpen 10 14 tonn uran, men hovedproblemet er at det er svært spredt og ikke danner kraftige forekomster. Omtrent 15 uranmineraler er av industriell betydning. Dette er uranbek – basen er fireverdig uranoksid, uranglimmer – ulike silikater, fosfater og mer komplekse forbindelser med vanadium eller titan basert på seksverdig uran.

Hva er Becquerel-stråler? Etter oppdagelsen av røntgenstråler av Wolfgang Roentgen, ble den franske fysikeren Antoine-Henri Becquerel interessert i gløden av uransalter, som oppstår under påvirkning av sollys. Han ville forstå om det var røntgenbilder også her. De var faktisk til stede - saltet opplyste den fotografiske platen gjennom det svarte papiret. I et av forsøkene ble saltet imidlertid ikke opplyst, og den fotografiske platen ble fortsatt mørkere. Når en metallgjenstand ble plassert mellom saltet og den fotografiske platen, var mørkningen under den mindre. Følgelig oppsto ikke de nye strålene i det hele tatt på grunn av eksitasjonen av uran av lys og passerte ikke delvis gjennom metallet. De ble først kalt "Becquerel-stråler". Deretter ble det funnet at dette hovedsakelig er alfa-stråler med et lite tillegg av beta-stråler: faktum er at hovedisotopene av uran avgir en alfapartikkel under forfall, og datterproduktene opplever også beta-forfall.

Hvor høy er radioaktiviteten til uran? Uran har ingen stabile isotoper, de er alle radioaktive. Den lengstlevende er uran-238 med en halveringstid på 4,4 milliarder år. Den neste er uran-235 - 0,7 milliarder år. Begge gjennomgår alfa-forfall og blir de tilsvarende isotoper av thorium. Uran-238 utgjør over 99 % av alt naturlig uran. På grunn av sin lange halveringstid er radioaktiviteten til dette elementet liten, og dessuten er alfapartikler ikke i stand til å overvinne stratum corneum på overflaten av menneskekroppen. De sier at IV Kurchatov, etter å ha jobbet med uran, ganske enkelt tørket hendene med et lommetørkle og ikke led av noen sykdommer forbundet med radioaktivitet.

Forskere har gjentatte ganger vendt seg til statistikken over sykdommer hos arbeidere i urangruver og prosessanlegg. For eksempel, her er en fersk artikkel av kanadiske og amerikanske eksperter som analyserte helsedataene til mer enn 17 000 arbeidere ved Eldorado-gruven i den kanadiske provinsen Saskatchewan for årene 1950-1999 ( miljøforskning, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). De tok utgangspunkt i at stråling har den sterkeste effekten på raskt formerende blodceller, noe som fører til tilsvarende krefttyper. Statistikk viste også at gruvearbeidere har lavere forekomst av ulike typer blodkreft enn gjennomsnittlig kanadier. Samtidig regnes hovedkilden til stråling som ikke uran i seg selv, men gassformig radon som genereres av det og dets forfallsprodukter, som kan komme inn i kroppen gjennom lungene.

Hvorfor er uran skadelig?? Det, som andre tungmetaller, er svært giftig og kan forårsake nyre- og leversvikt. På den annen side er uran, som er et spredt grunnstoff, uunngåelig tilstede i vann, jord og, konsentrert i næringskjeden, kommer det inn i menneskekroppen. Det er rimelig å anta at levende vesener i utviklingsprosessen har lært å nøytralisere uran i naturlige konsentrasjoner. Det farligste uranet er i vann, så WHO satte en grense: først var den 15 µg/l, men i 2011 ble standarden økt til 30 µg/g. Som regel er det mye mindre uran i vann: i USA i gjennomsnitt 6,7 μg / l, i Kina og Frankrike - 2,2 μg / l. Men det er også sterke avvik. Så i noen områder av California er det hundre ganger mer enn standarden - 2,5 mg / l, og i det sørlige Finland når det 7,8 mg / l. Forskere prøver å forstå om WHO-standarden er for streng ved å studere effekten av uran på dyr. Her er en typisk jobb BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Franske forskere matet rotter i ni måneder med vann supplert med utarmet uran, og i en relativt høy konsentrasjon - fra 0,2 til 120 mg / l. Den nedre verdien er vann nær gruven, mens den øvre ikke finnes noe sted - den maksimale konsentrasjonen av uran, målt i samme Finland, er 20 mg / l. Til forfatternes overraskelse - artikkelen har tittelen: "Det uventede fraværet av en merkbar effekt av uran på fysiologiske systemer ..." - uran hadde praktisk talt ingen effekt på helsen til rotter. Dyrene spiste godt, la på seg skikkelig, klaget ikke over sykdom og døde ikke av kreft. Uran, som det burde være, ble først og fremst avsatt i nyrer og bein, og i hundre ganger mindre mengde - i leveren, og dets opphopning, som forventet, var avhengig av innholdet i vannet. Dette førte imidlertid ikke til nyresvikt, eller til og med merkbart utseende av noen molekylære markører for betennelse. Forfatterne foreslo å starte en gjennomgang av WHOs strenge retningslinjer. Det er imidlertid ett forbehold: effekten på hjernen. Det var mindre uran i hjernen til rotter enn i leveren, men innholdet var ikke avhengig av mengden i vann. Men uran påvirket arbeidet til antioksidantsystemet i hjernen: aktiviteten til katalase økte med 20 %, glutationperoksidase økte med 68–90 %, mens aktiviteten til superoksiddismutase falt med 50 % uavhengig av dose. Dette betyr at uran klart forårsaket oksidativt stress i hjernen og kroppen reagerte på det. En slik effekt - en sterk effekt av uran på hjernen i fravær av akkumulering i den, forresten, så vel som i kjønnsorganene - ble lagt merke til tidligere. Dessuten vann med uran i en konsentrasjon på 75–150 mg/l, som forskere fra University of Nebraska matet til rotter i seks måneder ( Nevrotoksikologi og teratologi, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001) påvirket oppførselen til dyr, hovedsakelig hanner, som ble sluppet ut i feltet: de krysset linjene, reiste seg på bakbena og børstet pelsen, i motsetning til kontrollene. Det er bevis på at uran også fører til hukommelsessvekkelse hos dyr. Endringen i atferd korrelerte med nivået av lipidoksidasjon i hjernen. Det viser seg at rotter fra uranvann ble friske, men dumme. Disse dataene vil fortsatt være nyttige for oss i analysen av det såkalte Persiske Gulf-syndromet (Gulf War Syndrome).

Forurenser uran skifergassgruveanlegg? Det avhenger av hvor mye uran som er i de gassholdige bergartene og hvordan det er knyttet til dem. For eksempel har førsteamanuensis Tracy Bank ved universitetet i Buffalo utforsket Marcelus Shale, som strekker seg fra vestlige New York State gjennom Pennsylvania og Ohio til West Virginia. Det viste seg at uran er kjemisk bundet nøyaktig med kilden til hydrokarboner (husk at relaterte karbonholdige skifer har det høyeste uraninnholdet). Eksperimenter har vist at løsningen som brukes til å frakturere sømmen, løser uran perfekt. «Når uranet i disse vannet er på overflaten, kan det forårsake forurensning av området rundt. Det medfører ingen strålingsrisiko, men uran er et giftig grunnstoff, sier Tracey Bank i en pressemelding fra universitetet datert 25. oktober 2010. Det er ennå ikke utarbeidet detaljerte artikler om risiko for miljøforurensning med uran eller thorium ved utvinning av skifergass.

Hvorfor trengs uran? Tidligere ble det brukt som pigment for fremstilling av keramikk og farget glass. Nå er uran grunnlaget for atomenergi og atomvåpen. I dette tilfellet brukes dens unike egenskap - kjernens evne til å dele seg.

Hva er kjernefysisk fisjon? Oppløsningen av kjernen i to ulikt store stykker. Det er nettopp på grunn av denne egenskapen at under nukleosyntese på grunn av nøytronbestråling, dannes kjerner tyngre enn uran med store vanskeligheter. Essensen av fenomenet er som følger. Hvis forholdet mellom antall nøytroner og protoner i kjernen ikke er optimalt, blir det ustabilt. Vanligvis sender en slik kjerne ut enten en alfapartikkel - to protoner og to nøytroner, eller en beta-partikkel - et positron, som er ledsaget av transformasjonen av en av nøytronene til et proton. I det første tilfellet oppnås et element i det periodiske systemet, fordelt med to celler tilbake, i det andre - en celle fremover. Imidlertid er urankjernen, i tillegg til å sende ut alfa- og beta-partikler, i stand til å spalte - råtne ned i kjernene til to grunnstoffer i midten av det periodiske systemet, som barium og krypton, noe den gjør, etter å ha mottatt et nytt nøytron . Dette fenomenet ble oppdaget kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet, da fysikere utsatte alt de hadde for den nyoppdagede strålingen. Her er hvordan Otto Frisch, en deltaker i arrangementene, skriver om dette (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1968, 96, 4). Etter oppdagelsen av berylliumstråler - nøytroner - bestrålte Enrico Fermi dem, spesielt uran for å forårsake beta-forfall - håpet han å få det neste, 93. grunnstoffet, nå kalt neptunium, på hans bekostning. Det var han som oppdaget en ny type radioaktivitet i bestrålt uran, som han assosierte med utseendet til transuranelementer. I dette tilfellet økte nedbremsing av nøytroner, for hvilke berylliumkilden var dekket med et lag parafin, denne induserte radioaktiviteten. Den amerikanske radiokjemikeren Aristide von Grosse antydet at et av disse grunnstoffene var protactinium, men han tok feil. Men Otto Hahn, som da jobbet ved universitetet i Wien og anså protactinium oppdaget i 1917 for å være hans hjernebarn, bestemte at han var forpliktet til å finne ut hvilke elementer som ble oppnådd i dette tilfellet. Sammen med Lise Meitner, tidlig i 1938, foreslo Hahn, basert på resultatene av eksperimenter, at det dannes hele kjeder av radioaktive elementer, som oppstår fra flere beta-forfall av kjernene til uran-238 som absorberte nøytronet og dets datterelementer. Snart ble Lise Meitner tvunget til å flykte til Sverige, i frykt for mulige represalier fra nazistene etter Anschluss i Østerrike. Gan, som fortsatte sine eksperimenter med Fritz Strassmann, oppdaget at blant produktene var det også barium, element nummer 56, som ikke kunne ha blitt oppnådd fra uran på noen måte: alle kjeder av uran-alfa-forfall ender i mye tyngre bly. Forskerne ble så overrasket over resultatet at de ikke publiserte det, de skrev kun brev til venner, spesielt Lise Meitner i Gøteborg. Der, julen 1938, besøkte nevøen hennes, Otto Frisch, henne, og mens de gikk i nærheten av vinterbyen - han går på ski, tanten hans er til fots - diskuterte de muligheten for utseendet av barium under bestråling av uran på grunn av kjernefysisk fisjon (for mer om Lise Meitner, se "Kjemi og liv", 2013, nr. 4). Da han kom tilbake til København, fanget Frisch, bokstavelig talt på landgangen til en dampbåt som dro til USA, Niels Bohr og informerte ham om ideen om deling. Bor slo seg i pannen og sa: «Å, for så dumme vi var! Vi burde ha lagt merke til dette før." I januar 1939 publiserte Frisch og Meitner en artikkel om fisjon av urankjerner under påvirkning av nøytroner. På det tidspunktet hadde Otto Frisch allerede satt opp et kontrolleksperiment, i tillegg til mange amerikanske grupper som mottok en melding fra Bohr. De sier at fysikere begynte å spre seg til laboratoriene deres rett under rapporten hans 26. januar 1939 i Washington på den årlige konferansen om teoretisk fysikk, da de skjønte essensen av ideen. Etter oppdagelsen av fisjon reviderte Hahn og Strassman sine eksperimenter og fant, akkurat som sine kolleger, at radioaktiviteten til bestrålt uran ikke er assosiert med transuraner, men med nedbrytningen av radioaktive grunnstoffer dannet under fisjon fra midten av det periodiske systemet.

Hvordan fungerer en kjedereaksjon i uran? Kort tid etter at muligheten for fisjon av uran- og thoriumkjerner ble eksperimentelt bevist (og det er ingen andre spaltbare elementer på jorden i noen betydelig mengde), Niels Bohr og John Wheeler, som jobbet ved Princeton, og også uavhengig av den sovjetiske teoretiske fysikeren Ya. I. Frenkel og tyskerne Siegfried Flügge og Gottfried von Droste skapte teorien om kjernefysisk fisjon. To mekanismer fulgte av det. Den ene er relatert til terskelabsorpsjon av raske nøytroner. Ifølge ham, for å starte fisjon, må nøytronet ha en ganske høy energi, mer enn 1 MeV for kjernene til hovedisotopene - uran-238 og thorium-232. Ved lavere energier har absorpsjonen av et nøytron av uran-238 en resonant karakter. Dermed har et nøytron med en energi på 25 eV et fangstverrsnitt som er tusenvis av ganger større enn med andre energier. I dette tilfellet vil det ikke være noen fisjon: uran-238 vil bli uran-239, som med en halveringstid på 23,54 minutter vil bli til neptunium-239, den med en halveringstid på 2,33 dager vil bli til lang- levde plutonium-239. Thorium-232 vil bli uran-233.

Den andre mekanismen er ikke-terskelabsorpsjon av et nøytron, etterfulgt av den tredje mer eller mindre vanlige spaltbare isotopen - uran-235 (samt plutonium-239 og uran-233, som er fraværende i naturen): ved å absorbere et hvilket som helst nøytron , selv en langsom en, den såkalte termiske, med en energi på for molekyler som deltar i termisk bevegelse - 0,025 eV, en slik kjerne vil bli delt. Og dette er veldig bra: for termiske nøytroner er fangstverrsnittsarealet fire ganger høyere enn for raske, megaelektronvolt. Dette er betydningen av uran-235 for hele den påfølgende historien til atomenergi: det er det som sikrer multiplikasjon av nøytroner i naturlig uran. Etter å ha truffet et nøytron, blir uran-235-kjernen ustabil og splittes raskt i to ulikt deler. Underveis flyr flere (i snitt 2,75) nye nøytroner ut. Hvis de treffer kjernene til samme uran, vil de få nøytronene til å formere seg eksponentielt - en kjedereaksjon vil starte, som vil føre til en eksplosjon på grunn av den raske frigjøringen av en enorm mengde varme. Verken uran-238 eller thorium-232 kan fungere på denne måten: under fisjon blir det tross alt sendt ut nøytroner med en gjennomsnittlig energi på 1-3 MeV, det vil si at hvis det er en energiterskel på 1 MeV, vil en betydelig del av nøytronene vil absolutt ikke kunne forårsake en reaksjon, og det blir ingen reproduksjon. Dette betyr at disse isotopene bør glemmes og nøytroner må bremses ned til termisk energi slik at de samhandler med uran-235-kjerner så effektivt som mulig. Samtidig kan deres resonansabsorpsjon av uran-238 ikke tillates: tross alt, i naturlig uran er denne isotopen litt mindre enn 99,3%, og nøytroner kolliderer oftere med den, og ikke med målet uran-235. Og som moderator er det mulig å opprettholde nøytronmultiplikasjon på et konstant nivå og forhindre en eksplosjon - for å kontrollere en kjedereaksjon.

Beregningen utført av Ya. B. Zeldovich og Yu. B. Khariton i samme skjebnesvangre 1939 viste at for dette er det nødvendig å bruke en nøytronmoderator i form av tungtvann eller grafitt og berike naturlig uran med uran-235 ved hjelp av minst 1,83 ganger. Da virket denne ideen for dem ren fantasi: "Det bør bemerkes at omtrent dobbelt så mye anrikning av de ganske betydelige mengdene uran som er nødvendige for å utføre en kjedeeksplosjon,<...>er en ekstremt tung oppgave, nærmest praktisk umulig." Nå er dette problemet løst, og atomindustrien masseproduserer uran anriket med uran-235 opptil 3,5 % til kraftverk.

Hva er spontan kjernefysisk fisjon? I 1940 oppdaget G. N. Flerov og K. A. Petrzhak at uran fisjon kan skje spontant, uten noen ytre påvirkning, selv om halveringstiden er mye lengre enn ved vanlig alfa-forfall. Siden slik fisjon også produserer nøytroner, hvis de ikke får fly vekk fra reaksjonssonen, vil de tjene som initiatorer av kjedereaksjonen. Det er dette fenomenet som brukes til å lage atomreaktorer.

Hvorfor trengs atomkraft? Zel'dovich og Khariton var blant de første som beregnet den økonomiske effekten av kjernekraft (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1940, 23, 4). «... For øyeblikket er det fortsatt umulig å trekke endelige konklusjoner om muligheten eller umuligheten av å implementere en kjernefysisk fisjonsreaksjon i uran med uendelig forgrenede kjeder. Hvis en slik reaksjon er gjennomførbar, justeres reaksjonshastigheten automatisk for å sikre at den fortsetter jevnt, til tross for den enorme energimengden som eksperimentlederen har til rådighet. Denne omstendigheten er usedvanlig gunstig for energiutnyttelsen av reaksjonen. Derfor, selv om dette er en inndeling av huden til en udød bjørn, presenterer vi noen tall som karakteriserer mulighetene for energibruk av uran. Hvis fisjonsprosessen fortsetter på raske nøytroner, fanger reaksjonen derfor hovedisotopen av uran (U238), da<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>kostnaden for en kalori fra hovedisotopen av uran viser seg å være omtrent 4000 ganger billigere enn fra kull (med mindre selvfølgelig prosessene med "brenning" og varmefjerning viser seg å være mye dyrere når det gjelder uran enn når det gjelder kull). Når det gjelder langsomme nøytroner, vil kostnaden for en "uran"-kalori (basert på tallene ovenfor), tatt i betraktning at forekomsten av isotopen U235 er 0,007, allerede er bare 30 ganger billigere enn en "kull"-kalori, alt annet likt.

Den første kontrollerte kjedereaksjonen ble utført i 1942 av Enrico Fermi ved University of Chicago, og reaktoren ble manuelt kontrollert ved å skyve og trekke ut grafittstaver etter hvert som nøytronfluksen endret seg. Det første kraftverket ble bygget i Obninsk i 1954. I tillegg til å generere energi, arbeidet de første reaktorene også for å produsere plutonium av våpenkvalitet.

Hvordan fungerer et atomkraftverk? De fleste reaktorer opererer nå på langsomme nøytroner. Anriket uran i form av et metall, en legering, for eksempel med aluminium, eller i form av et oksid settes i lange sylindre - brenselelementer. De er installert på en bestemt måte i reaktoren, og det innføres stenger fra moderatoren mellom dem, som styrer kjedereaksjonen. Over tid akkumuleres reaktorgifter i brenselelementet - uran fisjonsprodukter, som også er i stand til å absorbere nøytroner. Når uran-235-konsentrasjonen faller under det kritiske nivået, tas elementet ut av drift. Den inneholder imidlertid mange fisjonsfragmenter med sterk radioaktivitet, som avtar med årene, og derfor avgir grunnstoffene en betydelig mengde varme over lang tid. De oppbevares i kjølebassenger, og så graves de enten ned eller de prøver å behandle dem – for å utvinne uforbrent uran-235, akkumulert plutonium (det ble brukt til å lage atombomber) og andre isotoper som kan brukes. Den ubrukte delen sendes til gravplassen.

I såkalte hurtignøytronreaktorer, eller avlerreaktorer, er det installert reflektorer av uran-238 eller thorium-232 rundt elementene. De bremser ned og sender for raske nøytroner tilbake til reaksjonssonen. Bremset ned til resonanshastigheter absorberer nøytroner disse isotopene, og blir til henholdsvis plutonium-239 eller uran-233, som kan tjene som drivstoff for et atomkraftverk. Siden raske nøytroner ikke reagerer godt med uran-235, er det nødvendig å øke konsentrasjonen betydelig, men dette lønner seg med en sterkere nøytronfluks. Til tross for at oppdrettsreaktorer regnes som fremtiden for kjernekraft, siden de gir mer kjernebrensel enn de forbruker, har eksperimenter vist at de er vanskelige å kontrollere. Nå er det bare en slik reaktor igjen i verden - ved den fjerde kraftenheten til Beloyarsk NPP.

Hvordan kritiseres kjernekraft? Hvis vi ikke snakker om ulykker, var hovedpoenget i argumentene til motstandere av atomenergi i dag forslaget om å legge til kostnadene ved å beskytte miljøet etter avvikling av anlegget og når du arbeider med drivstoff til beregningen av effektiviteten. I begge tilfeller oppstår oppgaven med sikker deponering av radioaktivt avfall, og det er kostnadene staten bærer. Det er en oppfatning at hvis de flyttes til kostnadene for energi, vil dens økonomiske attraktivitet forsvinne.

Det er også motstand blant tilhengere av kjernekraft. Dens representanter peker på det unike med uran-235, som ikke har noen erstatning, fordi alternative isotoper som er spaltbare av termiske nøytroner - plutonium-239 og uran-233 - er fraværende i naturen på grunn av en halveringstid på tusenvis av år. Og de oppnås bare som et resultat av fisjon av uran-235. Hvis det tar slutt, vil en utmerket naturlig kilde til nøytroner for en kjernefysisk kjedereaksjon forsvinne. Som et resultat av slik ekstravaganse vil menneskeheten miste muligheten i fremtiden til å involvere thorium-232 i energisyklusen, hvis reserver er flere ganger større enn reservene til uran.

Teoretisk sett kan partikkelakseleratorer brukes til å oppnå en fluks av raske nøytroner med megaelektronvolt-energier. Men hvis vi for eksempel snakker om interplanetære flyvninger på en atommotor, vil det være veldig vanskelig å implementere et opplegg med en klumpete akselerator. Utmattelsen av uran-235 setter en stopper for slike prosjekter.

Hva er uran av våpenkvalitet? Dette er høyanriket uran-235. Dens kritiske masse - den tilsvarer størrelsen på et stykke materie der det oppstår en kjedereaksjon spontant - er liten nok til å lage en ammunisjon. Slikt uran kan brukes til å lage en atombombe, samt en sikring for en termonukleær bombe.

Hvilke katastrofer er forbundet med bruk av uran? Energien som er lagret i kjernene til spaltbare elementer er enorm. Etter å ha rømt fra kontroll på grunn av en forglemmelse eller på grunn av intensjon, kan denne energien gjøre mye trøbbel. De to verste atomkatastrofene skjedde 6. og 8. august 1945, da det amerikanske luftforsvaret slapp atombomber over Hiroshima og Nagasaki, og drepte og skadet hundretusenvis av sivile. Katastrofer av mindre skala er forbundet med ulykker ved kjernekraftverk og kjernekraftverk. Den første store ulykken skjedde i 1949 i USSR ved Mayak-anlegget nær Chelyabinsk, hvor plutonium ble produsert; flytende radioaktivt avfall kom inn i elven Techa. I september 1957 skjedde en eksplosjon på den med utslipp av en stor mengde radioaktivt materiale. Elleve dager senere brant den britiske plutoniumreaktoren ved Windscale ned, en sky av eksplosjonsprodukter spredte seg over Vest-Europa. I 1979 brant reaktoren ved atomkraftverket Trimail Island i Pennsylvania ned. Ulykkene ved atomkraftverket i Tsjernobyl (1986) og atomkraftverket i Fukushima (2011) førte til de mest utbredte konsekvensene, da millioner av mennesker ble utsatt for stråling. De første forsøplet store landområder og kastet ut 8 tonn uranbrensel med råteprodukter som et resultat av eksplosjonen, som spredte seg over hele Europa. Den andre forurenset og, tre år etter ulykken, fortsetter å forurense Stillehavet i fiskeriområdene. Det var svært kostbart å eliminere konsekvensene av disse ulykkene, og hvis disse kostnadene ble dekomponert i strømkostnadene, ville de øke betydelig.

En egen sak er konsekvensene for menneskers helse. I følge offisiell statistikk hadde mange mennesker som overlevde bombingen eller bor i forurensede områder fordel av eksponering - førstnevnte har høyere forventet levealder, sistnevnte har færre kreftformer, og eksperter tilskriver en viss økning i dødelighet til sosialt stress. Antallet mennesker som døde nettopp av konsekvensene av ulykker eller som et resultat av deres likvidering er anslått til hundrevis av mennesker. Motstandere av atomkraftverk påpeker at ulykker har ført til flere millioner for tidlige dødsfall på det europeiske kontinentet, de er rett og slett usynlige mot den statistiske bakgrunnen.

Tilbaketrekking av landområder fra menneskelig bruk i ulykkessoner fører til et interessant resultat: de blir en slags reservater, hvor biologisk mangfold vokser. Riktignok lider noen dyr av sykdommer forbundet med stråling. Spørsmålet om hvor raskt de vil tilpasse seg den økte bakgrunnen er fortsatt åpent. Det er også en oppfatning om at konsekvensen av kronisk bestråling er "seleksjon for en idiot" (se Chemistry and Life, 2010, nr. 5): mer primitive organismer overlever selv på fosterstadiet. Spesielt i forhold til mennesker bør dette føre til en nedgang i de mentale evnene til generasjonen født i de forurensede områdene kort tid etter ulykken.

Hva er utarmet uran? Dette er uran-238 til overs fra utvinningen av uran-235. Avfallsvolumene fra produksjon av uran og drivstoffelementer av våpenkvalitet er store - i USA alene har 600 tusen tonn slikt uranheksafluorid samlet seg (for problemer med det, se "Chemistry and Life", 2008, nr. 5). Innholdet av uran-235 i den er 0,2%. Dette avfallet må enten lagres til bedre tider, når raske nøytronreaktorer vil bli opprettet og det vil være mulig å behandle uran-238 til plutonium, eller på en eller annen måte brukes.

De fant bruk for det. Uran, som andre overgangselementer, brukes som katalysator. For eksempel forfatterne av en artikkel i ACS Nano datert 30. juni 2014 skriver de at en uran- eller thoriumkatalysator med grafen for reduksjon av oksygen og hydrogenperoksid «har stort potensial for energianvendelser». På grunn av sin høye tetthet fungerer uran som ballast for skip og motvekter for fly. Dette metallet er også egnet for strålebeskyttelse i medisinsk utstyr med strålekilder.

Hvilke våpen kan lages av utarmet uran? Kuler og kjerner for pansergjennomtrengende prosjektiler. Her er regnestykket. Jo tyngre prosjektilet er, desto høyere kinetisk energi. Men jo større prosjektilet er, jo mindre konsentrert er det. Dette betyr at det trengs tungmetaller med høy tetthet. Kuler er laget av bly (Ural-jegere brukte en gang også innfødt platina, helt til de skjønte at det var et edelt metall), mens kjernene til skjellene var laget av en wolframlegering. Naturvernere påpeker at bly forurenser jorda på steder med krig eller jakt, og det ville være bedre å erstatte det med noe mindre skadelig, for eksempel med samme wolfram. Men wolfram er ikke billig, og uran, med samme tetthet som det, er et skadelig avfall. Samtidig er tillatt forurensning av jord og vann med uran omtrent dobbelt så høy som for bly. Dette skjer fordi den svake radioaktiviteten til utarmet uran (og den er også 40 % mindre enn naturlig uran) blir neglisjert og en virkelig farlig kjemisk faktor tas i betraktning: uran, som vi husker, er giftig. Samtidig er dens tetthet 1,7 ganger større enn bly, noe som betyr at størrelsen på urankuler kan halveres; uran er mye mer ildfast og hardere enn bly - når det avfyres, fordamper det mindre, og når det treffer et mål, produserer det færre mikropartikler. Generelt forurenser en urankule miljøet mindre enn en bly, men denne bruken av uran er ikke kjent med sikkerhet.

Men det er kjent at utarmet uranplater brukes til å styrke rustningen til amerikanske stridsvogner (dette er lettet av dens høye tetthet og smeltepunkt), og også i stedet for wolframlegering i kjerner for pansergjennomtrengende prosjektiler. Uran-kjernen er også bra fordi uran er pyrofor: dens varme små partikler, dannet når de treffer rustningen, blusser opp og setter fyr på alt rundt. Begge applikasjonene anses som strålingssikre. Så, beregningen viste at selv etter å ha brukt et år uten å komme seg ut i en tank med uranpanser lastet med uranammunisjon, ville mannskapet bare motta en fjerdedel av den tillatte dosen. Og for å oppnå en årlig tillatt dose, må slik ammunisjon skrus til overflaten av huden i 250 timer.

Prosjektiler med uran kjerner - for 30 mm flykanoner eller artilleri sub-kaliber - har blitt brukt av amerikanerne i de siste krigene, som startet med Irak-kampanjen i 1991. Det året helte de 300 tonn utarmet uran på irakiske panserenheter i Kuwait, og under deres retrett falt 250 tonn, eller 780 000 skudd på flyvåpen. I Bosnia-Hercegovina, under bombingen av hæren til den ukjente Republika Srpska, ble det brukt 2,75 tonn uran, og under beskytningen av den jugoslaviske hæren i provinsen Kosovo og Metohija - 8,5 tonn, eller 31 000 skudd. Siden WHO var bekymret for konsekvensene av bruken av uran på den tiden, ble det utført overvåking. Han viste at en salve besto av rundt 300 runder, hvorav 80 % inneholdt utarmet uran. 10 % traff målene, og 82 % falt innenfor 100 meter fra dem. Resten spredte seg innen 1,85 km. Skallet som traff tanken brant ned og ble til en aerosol, lette mål som pansrede personellvogner ble gjennomboret av et uranskall. Dermed kan halvannet tonn med skjell på det meste bli til uranstøv i Irak. I følge estimater fra spesialister fra det amerikanske strategiske forskningssenteret RAND Corporation, ble mer, fra 10 til 35% av det brukte uranet, til en aerosol. Den kroatiske jagerflyen for uran ammunisjon Asaf Durakovich, som har jobbet i en rekke organisasjoner fra King Faisal Hospital i Riyadh til Washington Uranium Medical Research Center, mener at det i Sør-Irak alene i 1991 ble dannet 3-6 tonn submikron uranpartikler, som spredt over et stort område , det vil si uranforurensning der er sammenlignbar med Tsjernobyl.

Oppskytingen av den første sovjetiske satellitten 4. oktober 1957 var jublende kjent for hele verden. Og hendelsen som fant sted 4. november samme år i Verkh-Neyvinsk forble lenge et mysterium for verdens beste etterretning. Der ble det satt i drift et pilotanlegg, hvor uran ble anriket ved sentrifugeseparasjon av isotoper.

Alexander Emelyanenkov

Ved begynnelsen av opprettelsen av atomvåpen var et av hovedproblemene separasjonen av uranisotoper. Dette tungradioaktive metallet forekommer naturlig som en blanding av to hovedisotoper. Hovedandelen (litt mindre enn 99,3 %) er uran-238. Innholdet i den lettere isotopen - uran-235 - er bare 0,7%, men det er det som er nødvendig for å lage atomvåpen og driften av reaktorer.

Det er ikke lett å skille isotoper. Deres kjemiske egenskaper er identiske (de er tross alt det samme kjemiske elementet), og forskjellen i atommasse er litt over 1 %, så fysiske metoder for separasjon må ha svært høy selektivitet. Denne saken på 1950-tallet ble et av de avgjørende øyeblikkene som bestemte suksessen til den sovjetiske atomindustrien og la grunnlaget for den moderne konkurranseevnen til den russiske atomindustrien på verdensmarkedet.

gjennom en sil

Den enkleste separasjonsmetoden er gassformig diffusjon - "tvinger" gassformige råvarer (uranheksafluorid) gjennom en finporøs membran, mens forskjellige isotoper diffunderer gjennom porene med ulik hastighet. Det var gassdiffusjon som ble den første metoden som ble brukt for å skaffe kommersielle mengder uran-235 ved de første anrikningsanleggene. I USA ble utviklingen innen gassdiffusjon for Manhattan-prosjektet ledet av nobelprisvinner Harold Urey. I USSR frem til 1954 ble denne retningen ledet av akademiker Boris Konstantinov, deretter ble han erstattet av Isaac Kikoin.

Til å begynne med, som ofte, virket gassdiffusjonsmetoden mer tilgjengelig å implementere. Men det krevde enorme utgifter til elektrisitet - Sayano-Shushenskaya vannkraftverk og den første fasen av Beloyarsk kjernekraftverk, som det nå viser seg, ble bygget først og fremst for disse formålene. I tillegg til den generelle høye kostnaden og lav effektivitet, var gassdiffusjonsmetoden usikker for arbeidere - hovedsakelig på grunn av høye temperaturer og støy i butikkene. Pluss store mengder kjemisk aktive blandinger under press, og disse er potensielle utslipp og miljøforurensning. I mellomtiden har et alternativ til gassdiffusjonsmetoden vært kjent siden slutten av 1800-tallet - dette er en sentrifugemetode som lover svært betydelige besparelser: da anlegget i Verkh-Neyvinsk i 1958 nådde designmodus, viste det seg at energiforbruket per separasjonsenhet var 20 (!) ganger mindre enn diffusjonsmetoden, og kostnaden er halvparten så mye. Riktignok ventet mange teknologiske vanskeligheter designere på veien til å lage sentrifuger.

Elektromagnetisk separasjon. Basert på bevegelsen av ladede partikler (ioner) i et magnetfelt. Avhengig av massen til partiklene, er krumningen til banen deres forskjellig, og til og med en liten forskjell i atommassen til kjernene til uranisotoper gjør det mulig å skille dem. Slike anlegg, kalt kalutroner, ble brukt i det amerikanske Manhattan-prosjektet, fordi de gjorde det mulig å oppnå en meget høy grad av urananrikning i løpet av få passeringer. Imidlertid er kalutroner svært klumpete, dyre å vedlikeholde, bruker mye energi og har lav produktivitet, så de brukes i dag ikke til industriell urananrikning.

tyske røtter

Opprinnelsen til sovjetisk sentrifugeteknologi kan spores tilbake til Nazi-Tyskland, hvor atomprosjektet eksperimenterte med separasjon av uran. En av deltakerne i dette prosjektet, fysikeren Geront Zippe, var blant andre tyske krigsfanger sendt til USSR. Under veiledning av Max Steenbeck, hans landsmann og svigerfar, var Zippe engasjert i eksperimentell forskning frem til 1954 - først ved Laboratory A i Sukhumi (det fremtidige Sukhumi Institute of Physics and Technology), og de siste to årene - i et spesielt designbyrå ved Kirov-anlegget i Leningrad.

Som deltakere og øyenvitner til disse hendelsene vitner, visste ikke tyske forskere om avslaget på materiale for forskning. Og deres regime var nesten det samme som våre hemmelige atomforskere, som ble like nøye bevoktet av Beria-avdelingen. I juli 1952, ved et spesielt regjeringsdekret, ble Steenbeck og hans assistenter overført fra Sukhum-instituttet til Leningrad, til designbyrået til Kirov-anlegget. Videre ble gruppen styrket av nyutdannede ved Polytechnic Institute fra den spesialiserte avdelingen for kjernefysisk forskning. Oppgaven var å produsere og teste to enheter etter Zippe-Steenbeck-ordningen. De begynte iherdig til virksomheten, men allerede i første kvartal av 1953 ble arbeidet stoppet, uten at det førte til tester: det ble klart at det foreslåtte designet ikke var egnet for masseproduksjon.

Gassdiffusjon. Bruker forskjellen i bevegelseshastighetene til gassmolekyler som inneholder ulike isotoper av uran (uranheksafluorid). En annen masse forårsaker en annen hastighet på molekylene, slik at lungene går raskere gjennom membranen med tynne porer (sammenlignbar i diameter med størrelsen på molekylene) enn de tunge. Metoden er enkel å implementere og ble brukt ved begynnelsen av atomindustrien i USSR, i USA brukes den fortsatt. Graden av berikelse av hvert trinn er svært liten, så tusenvis av trinn er nødvendig. Dette resulterer i et stort energiforbruk og høye separasjonskostnader.

Zippe-sentrifugen var ikke den første sovjetiske maskinen av denne typen. Selv under krigen i Ufa laget en annen tysker, Fritz Lange, som flyktet fra Tyskland i 1936, et klumpete apparat på en peiling. Eksperter som er kjent med omskiftelsene til atomprosjektet i USSR og USA bemerker imidlertid en absolutt prestasjon av Steenbeck-gruppen - den opprinnelige utformingen av støtteenheten: rotoren hvilte på en stålnål, og denne nålen - på et trykklager laget av superhard legering i et oljebad. Og alt dette geniale designet ble holdt av en spesiell magnetisk oppheng i den øvre delen av rotoren. Forfremmelsen til driftshastighet ble også utført ved hjelp av et magnetfelt.

Mens prosjektet til Steenbeck-gruppen mislyktes, i februar samme 1953, ble en gassentrifuge med en stiv rotor designet av den sovjetiske ingeniøren Viktor Sergeev satt i drift. Et år tidligere ble Sergeev, sammen med en gruppe spesialister fra det spesielle designbyrået til Kirov-anlegget, hvor han da jobbet, sendt til Sukhumi for å bli kjent med eksperimentene til Steenbeck og teamet hans. "Det var da han stilte Steenbeck et teknisk spørsmål om plasseringen av gassprøvetakingsanordninger i form av Pitot-rør," Oleg Chernov, en veteran fra sentrifugeproduksjonen til Tochmash Production Association, som kjente Sergeev godt og jobbet med ham, avslørte viktige detaljer. "Spørsmålet var rent teknisk og inneholdt faktisk et hint om hvordan man kan gjøre utformingen av sentrifugen brukbar." Men Dr. Steenbeck var kategorisk: "De vil bremse strømmen, forårsake turbulens, og det vil ikke være noen separasjon!" Mange år senere, mens han jobber med memoarene sine, vil han angre: «En idé som er verdig å komme fra oss! Men det slo meg aldri inn..."

Gassentrifugering, ved hjelp av en raskt roterende rotor, vrir gasstrømmen på en slik måte at molekyler som inneholder tyngre uranisotoper blir kastet til ytterkantene av sentrifugalkraft, og lettere de nærmere sylinderens akse. Sentrifuger kombineres i kaskader, og leverer delvis anriket materiale fra produksjonen av hvert trinn til inngangen til neste trinn - på denne måten er det mulig å oppnå uran selv med en meget høy grad av anrikning. Sentrifugene er enkle å vedlikeholde, pålitelige og har moderat strømforbruk. Metoden brukes i Russland og europeiske land.

I følge Oleg Chernov hadde Zippe, før han dro til Tyskland, muligheten til å bli kjent med prototypen til Sergeyevs sentrifuge og det genialt enkle prinsippet for driften. En gang i Vesten patenterte «utspekulerte Zippe», som han ofte ble kalt, utformingen av sentrifugen i 13 land. De første personene i den sovjetiske atomavdelingen, etter å ha lært om slikt intellektuelt bedrag, reiste ikke noe oppstyr - hvis du følger den offisielle versjonen, "for ikke å vekke mistanke og økt interesse for dette emnet fra den amerikanske militær-tekniske etterretningen. " La dem, sier de, tro at sovjeterne er fornøyd med den uøkonomiske, som deres, gassdiffusjonsmetoden ... I 1957, etter å ha flyttet til USA, bygde Zippe en fungerende installasjon der, og reproduserte Sergeevs prototype fra minnet. Og han kalte det, det skulle få sin rett, "russisk sentrifuge." Imidlertid klarte han ikke å fengsle amerikanerne. Med hensyn til den nye maskinen, som en gang og i henhold til Steenbecks design, ble det avsagt en dom: uegnet for industriell bruk.

Graden av anrikning av en gassentrifuge er liten, derfor kombineres de i påfølgende kaskader, der det anrikede råmaterialet fra utgangen av hver sentrifuge mates til inngangen til den neste, og det utarmete råmaterialet mates til inndata fra en av de forrige. Med et tilstrekkelig antall sentrifuger i kaskaden kan en meget høy grad av anrikning oppnås.

Riktignok bestemte de seg et kvart århundre senere, i USA, for å bytte fra gassdiffusjon til sentrifuger. Det første forsøket mislyktes - i 1985, da de første 1300 maskinene utviklet ved Oak Ridge National Laboratory ble installert, stengte den amerikanske regjeringen programmet. I 1999, på det reaktiverte stedet i Piketon, Ohio, begynte arbeidet igjen med installasjonen av en ny generasjon amerikanske sentrifuger (10–15 ganger større enn russiske sentrifuger i høyden og to til tre ganger i diameter) med en karbonfiberrotor. I henhold til planen var det planlagt å montere 96 kaskader av 120 "topper" tilbake i 2005, men ved utgangen av 2012 er prosjektet ennå ikke satt i kommersiell drift.

Laserseparasjon av uranisotoper er basert på at molekyler som inneholder forskjellige isotoper har litt forskjellige eksitasjonsenergier. Ved å bestråle en blanding av isotoper med en laserstråle med en strengt definert bølgelengde, er det mulig å ionisere kun molekyler med ønsket isotop, og deretter skille isotopene ved hjelp av et magnetfelt. Det finnes flere varianter av denne metoden - som påvirker atomdamp AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (fransk analog av AVLIS), og molekyler - MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) og SILEX (Separation) av isotoper). av Laser EXcitation). For tiden prøver General Electric Corporation å kommersialisere SILEX-teknologien utviklet av spesialister fra Sør-Afrika og Australia. Laserseparasjon er lavenergi, lav pris og høyt beriket (det er derfor det nå brukes til å produsere små mengder ultrarene isotoper), men det er fortsatt problemer med ytelse, laserlevetid og berikelse uten å stenge prosessen.

hemmelige nåler

I mellomtiden, i USSR, på det iøynefallende stedet Verkh-Neyvinsk i Midt-Ural, ble den første eksperimentelle linjen med separering av gassentrifuger montert i strengeste hemmelighold. Tilbake i 1942 kom Isaac Kikoin over en gassentrifuge designet av Lange og testet den til og med i laboratoriet hans i Sverdlovsk. Da ga ikke forsøkene de ønskede resultatene, og akademikeren var skeptisk til selve muligheten for å lage industrielle gassentrifuger. Hovedproblemet med de aller første installasjonene var deres skjørhet. Og selv om de i utgangspunktet roterte med en hastighet på "bare" 10 000 omdreininger per minutt, var det langt fra lett å takle rotorens enorme kinetiske energi.

Bilene dine blir ødelagt! - bebreidet sarkastisk utviklerne på et av møtene i Minsredmash, lederen av hovedkontoret Alexander Zverev, som hadde rang som general for NKVD.

– Og hva ville du? For at de skal fortsette å formere seg? – Anatoly Safronov, som var ansvarlig for prosjektet på den tiden, svarte trassig.

Med sentrifugalmetoden for separasjon, på grunn av den høye rotasjonshastigheten, skapes en sentrifugalkraft som overstiger jordens tyngdekraft hundrevis av tusen ganger. På grunn av dette "banker" de tyngre molekylene av uran-238 heksafluorid på periferien av den roterende sylinderen, og de lettere molekylene av uran-235 heksafluorid er konsentrert nær rotoraksen. Gjennom separate utløpsrørledninger (som Pitot-rør, som den sovjetiske ingeniøren Sergeev snakket om til tyske Steenbeck), blir gassen som inneholder U-238 isotoper fjernet "til dumpen", og den anrikede fraksjonen med økt innhold av uran-235 strømmer inn i neste sentrifuge. En kaskade av slike sentrifuger, som inneholder hundrevis og tusenvis av maskiner, gjør det mulig å raskt øke innholdet i lysisotopen. Relativt sett kan de kalles separatorer, på hvilke uranråvarer (uranheksafluorid, UF6) omdannet til gass med et lavt innhold av U-235-isotopen sekvensielt overføres fra konsistensen av fersk melk til fløte og rømme. Og om nødvendig kan de også redusere "oljen" - bringe anrikningen til 45%, eller til og med 60%, for å bruke den som brensel i ubåtreaktorer og ved forskningsanlegg. Og mer nylig, da det var nødvendig i store mengder, snudde de sentrifuger til de fikk dyr "ost" ved utgangen - våpenkvalitetsuran med en anrikning på mer enn 90%. Men på slutten av 1980-tallet var så mye uran av våpenkvalitet blitt "separert" ved fire sovjetiske fabrikker at lagrene i lagre og i ferdige atomladninger ble ansett for store, og produksjonen av høyt anriket uran til militære formål ble stoppet.

Ifølge innledende beregninger skulle tykkelsen på de ytre veggene til sentrifugelegemet ha vært 70 mm - som tankpanser. Prøv å koble av en slik koloss ... Men ved prøving og feiling fant de en kompromissløsning. En spesiell legering ble laget - sterkere og lettere enn stål. Kassene med moderne sentrifuger, som en av forfatterne tilfeldigvis så og holdt i hendene hos Tochmash Production Association i Vladimir, vekker ingen assosiasjoner til panserrustning: vanlige hule sylindre med en indre overflate polert til en glans. På avstand kan de forveksles med å kutte rør med tilkoblingsflenser i endene. Lengde - ikke mer enn en meter, i diameter - tjue centimeter. Og ved det elektrokjemiske anlegget i Ural er gigantiske kaskader hundrevis av meter lange satt sammen av dem. Skilt på veggene og spesielle markeringer på det malte betonggulvet i de teknologiske gangene indikerer at det er vanlig å bevege seg rundt på sykkel. Riktignok ikke raskere enn 5-10 km/t.

Og inne i sentrifugene som knapt er hørbare, er hastighetene helt annerledes – en rotor på en nål med et korund-aksiallager, «opphengt» i et magnetfelt, gjør 1500 omdreininger i sekundet! Sammenlignet med det første VT-3F-produktet fra 1960, ble det overklokket med nesten ti ganger, og perioden med non-stop drift ble økt fra tre til 30 år. Det er sannsynligvis vanskelig å finne et annet eksempel når en teknikk vil demonstrere slike pålitelighet med slike ekstreme parametere. Som Valery Lempert, nestleder for sentrifugeproduksjon, sa, fungerer maskinene som Tochmash leverte der for 30 år siden fortsatt ved fabrikken i Novouralsk: «Det var sannsynligvis tredje generasjon sentrifuger, og nå blir den åttende masseprodusert og den niende lanseres i pilotproduksjon.»

"Det er ikke noe superkomplisert i utformingen av sentrifugen vår. Det handler om å perfeksjonere teknologien ned til minste detalj og streng kvalitetskontroll,” forklarer Tatyana Sorokina, som i flere tiår har “ledet” teknologien for å produsere en støttenål ​​for rotoren ved anlegget. – Slike nåler er laget av vanlig pianotråd, som det trekkes strenger fra. Men metoden for å herde spissen er vår kunnskap.»

I sine fallende år ga en av dens hovedskapere, Viktor Sergeev, sin forklaring til hemmelighetene til den russiske sentrifugen. I følge vitnesbyrdet til ingeniøren Oleg Chernov, da han ble spurt av sikkerhetstjenestene hva som må beskyttes i dette produktet og hva som er hovedhemmeligheten, svarte designeren kort: "Folk."