Industrijsko odvajanje izotopa urana započelo je u SAD-u u sklopu Projekta Manhattan za proizvodnju atomskog oružja. U studenom 1943. dovršena je izgradnja elektromagnetskog postrojenja U-12 u blizini Oak Ridgea. Ideja metode temelji se na činjenici da teži ion opisuje luk većeg polumjera u magnetskom polju od manje teškog. Na taj način se mogu razdvojiti različiti izotopi istog elementa. Rad je izveden pod vodstvom izumitelja ciklotrona E. Lawrencea. Tehnološki proces odvajanja izotopa urana odvijao se u dvije faze ( A- i p- stupnjevi). Dizajn jedinice za odvajanje (kalutrona) imao je oblik velikog ovala koji se sastojao od 96 magneta i 96 prihvatnih komora ("trkaća staza", tj. trkaća staza). Pogon U-12 sastojao se od pet "-instalacija (svaka od 9 trkaćih staza), tri p-instalacije s osam trkaćih staza od po 36 magneta, kemijskih i drugih pomoćnih zgrada. Calutron je imao divovski elektromagnet, čija je duljina dosegla 75 m i težio oko 4000 tona. Nekoliko tisuća tona srebrne žice korišteno je za namote za ovaj elektromagnet.
Još jedna gigantska (građevinska površina od 4000 hektara, u to vrijeme najveća zgrada na svijetu pod jednim krovom) izgrađena u Oak Ridgeu bila je tvornica K-25. Proces difuzije plinova temelji se na fenomenu molekularne difuzije. Ako se plinoviti spoj urana (UFb) pumpa kroz poroznu pregradu, tada će lakše molekule koje sadrže 2 35 U prodrijeti kroz pregradu brže od težih molekula koje sadrže 2 35 U. Difuzija se odvija kroz pregradu, koja je porozna tanka metalna membrana s nekoliko milijuna rupa (promjer ~10-3 mm) po kvadratnom centimetru. Proces se ponavlja mnogo puta i zahtijeva 3024 koraka obogaćivanja. Isprva su se membrane izrađivale od bakra, a zatim su prešle na nikal. U proljeće 1944. započela je industrijska proizvodnja filtara. Te su membrane savijene u cijevi i smještene u zapečaćenu šupljinu - difuzijsku komoru.
36.06. 1944. Postrojenje za toplinsku difuziju 550 pokrenuto je u Oak Ridgeu. Proces toplinske difuzije odvija se u dugačkoj (15 m) vertikalnoj cijevi, koja se hladi izvana i sadrži grijani cilindar. Učinak odvajanja izotopa u takvom stupcu posljedica je činjenice da se lakša frakcija nakuplja na vrućoj površini unutarnjeg cilindra i kreće prema gore zbog zakona konvekcije. Kolone su bile raspoređene u tri grupe. Svaki je imao 7 rešetki, što je ukupno iznosilo 2142 stupca.
Za proizvodnju visoko obogaćenog urana za prvu atomsku bombu "Malysh", prirodne sirovine (0,7%) prvo su prevedene u plinovitu fazu (UFe). Postrojenje 55o izvršilo je početno obogaćivanje do 0,86% metodom toplinske difuzije. Tvornica K25 metoda toplinske difuzije povećala je obogaćivanje na 7%. Uran je pretvoren u krutinu U.F. 4, zatim je elektromagnetskom metodom na a-kalutronu obogaćenje dovedeno na 15% i konačno je na p-kalutronu dobiven UF 4 s obogaćenjem od 90% na 2 9$i. Punjenje atomske bombe (topovski krug) napravljeno je od ovog proizvoda.
U Rusiji su prva postrojenja za odvajanje izotopa urana bila na principu plinske difuzije, a zatim su prešli na metodu ultracentrifugiranja.
Godine 1945. u Verkh-Neyvinsku (Srednji Ural, Sverdlovska regija, sada Novouralsk) započela je izgradnja tvornice br. 813 (danas Uralska elektrokemijska tvornica, UEKhK) za obogaćivanje urana. Postrojenje za difuziju plina D-1, opremljeno strojevima serije OK, pušteno je u rad 1949., postrojenje D-3, opremljeno strojevima serije T - 1951., a postrojenje D-4 (odvojena difuzijska kaskada sposobna samostalno proizvodi 90% obogaćeni uran) - 1953. Godine 1949. tvornica je proizvodila visoko obogaćeni (75% 2 z$Ts) uran korišten kao dio punjenja prve sovjetske plutonijeve atomske bombe. Godine 1957. u UEIP-u je pokrenuto postrojenje za centrifuge, 1960. počelo je stvaranje prvog svjetskog pogona za preradu urana temeljenog na tehnologiji centrifuge, nakon čega je 1964. postrojenje dovedeno do punog kapaciteta, 1980. pušteno je prvo industrijsko postrojenje u komercijalna radna serija plinskih centrifuga šeste generacije. Godine 1987. potpuno je dovršena faza plinske difuzije industrijske proizvodnje obogaćenog urana. 1995. godine, korištenjem UECC tehnologije, započela je industrijska prerada visoko obogaćenog urana (HEU) ekstrahiranog iz uništenog nuklearnog oružja u nisko obogaćeni uran (LEU) za nuklearne elektrane.
Drugo poduzeće za obogaćivanje izotopa urana bila je Angarska elektrokemijska tvornica, AEKhK. Njegova izgradnja jugozapadno od Angarska započela je 10. travnja 1954. Ovo snažno postrojenje za odvajanje naglo je povećalo proizvodnju obogaćenog urana u zemlji. U industrijskom kompleksu poduzeća dva su proizvodna pogona spojena u tehnološki ciklus: sublimacija (za prerada prirodnog urana u heksafluorid) i separacija (za proizvodnju obogaćenog uranovog heksafluorida) 21. listopada 1957. puštena je u pogon prva faza od 308 plinskih difuzijskih strojeva i dobiven je prvi obogaćeni uran. Dana 14. prosinca 1990. održano je ispitivanje plinskih centrifuga za odvajanje izotopa urana. Trenutačno su glavne djelatnosti tvornice usluge pretvorbe uranovog oksid-oksida u uranov heksafluorid; o pretvaranju uranovog tetrafluorida u uranov heksafluorid; za obogaćivanje urana iz sirovina koje isporučuju kupci; zalihe obogaćenog urana u obliku heksafluorida. Kako bi se pouzdano ispunili zahtjevi režima neširenja, na temelju JSC AECC stvoreni su prvi svjetski Međunarodni centar za obogaćivanje urana i Banka nuklearnog goriva pod jamstvima IAEA.
Treće postrojenje za obogaćivanje je dio Sibirskog kemijskog kombinata (SCC), izgrađenog u regiji Tomsk (Seversk) početkom 1950-ih. SCC je jedinstveni kompleks nuklearnog tehnološkog ciklusa za stvaranje komponenti nuklearnog oružja na temelju fisijskih materijala. Postrojenje za odvajanje izotopa proizvodi obogaćeni uran za nuklearnu energiju. Do 1973. godine provodi se separacija plinskom difuzijom, a kasnije - centrifugalna separacija. Također se proizvodi niz stabilnih izotopa ksenona, kositra, selena itd. Postrojenje za sublimate proizvodi proizvode koji sadrže uran, uključujući visoko obogaćeni uran, uranov oksid za gorivne šipke i uran za obogaćivanje izotopa.
Četvrta tvornica za obogaćivanje je OJSC Electrochemical Plant (bivši Krasnoyarsk-45, sada Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory). 30 Dana 10. 1962. u ovom poduzeću puštena je u rad prva faza plinskodifuzijskih strojeva za proizvodnju izotopa urana. Godine 1964. uvedena je tehnologija obogaćivanja urana plinskim centrifugama. Od 1988. godine glavni proizvod tvornice je nisko obogaćeni uran koji se koristi kao gorivo u nuklearnim elektranama. Osim toga, od 1972. ECP, koristeći tehnologiju plinske centrifuge, proizvodi izotopne proizvode i vrlo čiste tvari.
Ovaj neugledni sivi cilindar ključna je karika ruske nuklearne industrije. Naravno, ne izgleda baš naočito, ali kad shvatite njegovu svrhu i pogledate tehničke karakteristike, počinjete shvaćati zašto tajnu njegovog nastanka i strukture država čuva kao zjenicu oka.
Ovdje je plinska centrifuga za odvajanje izotopa urana VT-3F (n-te generacije). Princip rada je elementaran, poput separatora mlijeka, pod utjecajem centrifugalne sile odvaja se teško od laganog. Pa u čemu je njegov značaj i jedinstvenost?
Prvo, odgovorimo na još jedno pitanje - općenito, zašto odvajati uran?
Prirodni uran, koji leži izravno u tlu, koktel je dva izotopa: uran-238 I uran-235(i 0,0054% U-234).
Uran-238- to je samo teški, sivi metal. Od njega možete napraviti topničku granatu ili... privjesak za ključeve. Ali što se može napraviti od urana-235? Pa, prvo, atomska bomba, a drugo, gorivo za nuklearne elektrane. I tu dolazimo do ključnog pitanja – kako ta dva, gotovo identična atoma, odvojiti jedan od drugog? Ne stvarno KAKO?!
Usput: Polumjer jezgre atoma urana je -1,5 10-8 cm.
Da bi se atomi urana utjerali u tehnološki lanac, on (uran) mora biti preveden u plinovito stanje. Nema smisla kuhati, dovoljno je spojiti uran s fluorom i dobiti uranov heksafluorid HFC. Tehnologija za njegovu proizvodnju nije vrlo komplicirana i skupa, i stoga HFC dobivaju točno tamo gdje se vadi uran. UF6 je jedini vrlo hlapljivi spoj urana (kada se zagrije na 53°C, heksafluorid izravno prelazi iz krutog u plinovito stanje). Zatim se pumpa u posebne spremnike i šalje na obogaćivanje.
UF6 je jedini vrlo hlapljivi spoj urana (kada se zagrije na 53°C, heksafluorid izravno prelazi iz krutog u plinovito stanje). Zatim se pumpa u posebne spremnike i šalje na obogaćivanje.
Malo povijesti
Na samom početku nuklearne utrke, najveći znanstveni umovi SSSR-a i SAD-a ovladali su idejom difuzijske separacije - propuštanja urana kroz sito. Mali 235 izotop će se provući, a "mast" 238 zaglavit će se. Štoviše, izrada sita s nano-rupama za sovjetsku industriju 1946. nije bila najteži zadatak.
Iz izvješća Isaaca Konstantinovicha Kikoina na znanstveno-tehničkom vijeću pri Vijeću narodnih komesara (predstavljeno u zbirci deklasificiranih materijala o atomskom projektu SSSR-a (ur. Ryabev)): Trenutno smo naučili izrađivati mreže s rupama od oko 5/1000 mm, tj. 50 puta veći od slobodnog puta molekula pri atmosferskom tlaku. Posljedično, tlak plina pri kojem će doći do razdvajanja izotopa na takvim rešetkama mora biti manji od 1/50 atmosferskog tlaka. U praksi pretpostavljamo da radimo na tlaku od oko 0,01 atmosfere, tj. pod dobrim vakuumskim uvjetima. Izračuni pokazuju da je za dobivanje produkta obogaćenog do koncentracije od 90% lakim izotopom (ta je koncentracija dovoljna za proizvodnju eksploziva) potrebno spojiti oko 2000 takvih stupnjeva u kaskadu. U stroju koji projektiramo i djelomično proizvodimo, očekuje se proizvodnja 75-100 g urana-235 dnevno. Instalacija će se sastojati od otprilike 80-100 "stupova", od kojih će svaki imati 20-25 instaliranih stupnjeva."
Berijin izvještaj Staljinu o pripremi prve atomske eksplozije. U nastavku su kratke informacije o nuklearnim materijalima proizvedenim do početka ljeta 1949.
A sad zamislite sami - 2000 pozamašnih instalacija, za samo 100 grama! Pa što da radimo s tim, trebamo bombe. I počeli su graditi tvornice, i ne samo tvornice, nego cijele gradove. I dobro, samo gradovi, ta difuzijska postrojenja su zahtijevala toliko struje da su morali graditi zasebne elektrane u blizini.
Na fotografiji: prvo u svijetu postrojenje za plinsko difuzijsko obogaćivanje urana K-25 u Oak Ridgeu (SAD). Izgradnja je koštala 500 milijuna dolara. Dužina zgrade u obliku slova U je oko pola milje.
U SSSR-u je prvi stupanj D-1 postrojenja br. 813 projektiran za ukupnu proizvodnju od 140 grama 92-93% urana-235 dnevno u 2 kaskade od 3100 stupnjeva odvajanja identične snage. Za proizvodnju je dodijeljena nedovršena tvornica zrakoplova u selu Verkh-Neyvinsk, 60 km od Sverdlovska. Kasnije se pretvorio u Sverdlovsk-44, a 813. tvornica u Ural Electrochemical Plant - najveću svjetsku separaciju.
Uralska elektrokemijska tvornica najveća je svjetska separacijska tvornica.
I premda je tehnologija difuzijske separacije, iako uz velike tehnološke poteškoće, otklonjena, ideja o razvoju ekonomičnijeg procesa centrifuge nije sišla s dnevnog reda. Uostalom, ako uspijemo stvoriti centrifugu, tada će se potrošnja energije smanjiti od 20 do 50 puta!
Kako radi centrifuga?
Struktura mu je više nego elementarna i izgleda poput stare perilice rublja koja radi u načinu rada "centrifuga/sušenje". Rotirajući rotor nalazi se u zatvorenom kućištu. Plin se dovodi u ovaj rotor (UF6). Zbog centrifugalne sile, stotine tisuća puta veće od gravitacijskog polja Zemlje, plin se počinje razdvajati na "tešku" i "laku" frakciju. Lagane i teške molekule počinju se grupirati u različitim zonama rotora, ali ne u središtu i duž perimetra, već na vrhu i dnu. To se događa zbog konvekcijskih struja - poklopac rotora se zagrijava i dolazi do suprotnog toka plina. Na vrhu i dnu cilindra nalaze se dvije male usisne cijevi. U donju cijev ulazi siromašna smjesa, a u gornju smjesa s većom koncentracijom atoma. 235U. Ova smjesa ide u sljedeću centrifugu i tako redom do koncentracije 235 uran neće postići željenu vrijednost. Lanac centrifuga naziva se kaskada.
Kako radi centrifuga?
Tehničke značajke
Pa, prvo, brzina rotacije moderne generacije centrifuga doseže 2000 okretaja u sekundi (ne znam ni s čime bih je usporedio... 10 puta brže od turbine u zrakoplovnom motoru)! I radi bez prestanka već TRI DESETLJEĆA! Oni. Sada se centrifuge, uključene pod Brežnjevom, vrte u kaskadama! SSSR više ne postoji, ali oni se vrte i vrte. Nije teško izračunati da tijekom svog radnog ciklusa rotor napravi 2 000 000 000 000 (dva bilijuna) okretaja. I koji će ležaj to izdržati? Da, nijedan! Tamo nema ležajeva. Sam rotor je običan vrh; donji dio ima jaku iglu koja se oslanja na ležaj od korunda, a gornji kraj visi u vakuumu, držeći ga elektromagnetsko polje. Igla također nije jednostavna, napravljena od obične žice za klavirske žice, kaljena je na vrlo lukav način (kao GT). Nije teško zamisliti da s takvom bjesomučnom brzinom rotacije sama centrifuga mora biti ne samo izdržljiva, već iznimno izdržljiva.
Akademik Joseph Friedlander prisjeća se:“Mogli su me upucati tri puta. Jednom, kad smo već dobili Lenjinovu nagradu, dogodila se velika nesreća, odletio je poklopac centrifuge. Dijelovi su se razletjeli i uništili ostale centrifuge. Digao se radioaktivni oblak. Morali smo zaustaviti cijelu prugu – kilometar instalacija! U Sredmašu je general Zverev zapovijedao centrifugama; prije atomskog projekta radio je u Berijinom odjelu. General je na sastanku rekao: "Situacija je kritična, ako brzo ne popravimo situaciju, ponovit će vam se 1937. I odmah zatvorio sastanak. Tada smo došli do potpuno nove tehnologije s potpuno izotropnom jednoličnom strukturom poklopaca, ali bile su potrebne vrlo složene instalacije. Od tada se proizvode ove vrste poklopaca. Više nije bilo nevolja. U Rusiji postoje 3 tvornice za obogaćivanje i stotine tisuća centrifuga.”
Na fotografiji: testovi prve generacije centrifuga.
Kućišta rotora također su u početku bila metalna, dok ih nisu zamijenila... karbonska vlakna. Lagan i vrlo rastezljiv, idealan je materijal za rotirajući cilindar.
Generalni direktor UEIP-a (2009.-2012.) Alexander Kurkin prisjeća se:“Postajalo je smiješno. Kad su testirali i provjeravali novu, “snalažljiviju” generaciju centrifuga, jedan od zaposlenika nije čekao da se rotor potpuno zaustavi, odvojio ju je od kaskade i odlučio je ručno prenijeti do postolja. Ali umjesto da krene naprijed, ma koliko se opirao, on se, grleći ovaj cilindar, počeo kretati unatrag. Tako smo vidjeli vlastitim očima da se Zemlja okreće, a žiroskop je velika sila.”
Tko je to izmislio?
Oh, to je misterij, obavijen misterijom i obavijen neizvjesnošću. Ovdje ćete pronaći zarobljene njemačke fizičare, CIA-u, časnike SMERSH-a pa čak i oborenog pilota špijuna Powersa. Općenito, princip plinske centrifuge opisan je krajem 19. stoljeća.
Čak iu zoru atomskog projekta, Viktor Sergeev, inženjer u Specijalnom dizajnerskom birou tvornice Kirov, predložio je metodu odvajanja centrifugom, ali njegovi kolege isprva nisu odobravali njegovu ideju. Paralelno, znanstvenici iz poražene Njemačke borili su se za stvaranje centrifuge za odvajanje u posebnom istraživačkom institutu-5 u Sukhumiju: dr. Max Steenbeck, koji je radio kao vodeći inženjer u Siemensu pod Hitlerom, i bivši mehaničar Luftwaffea, diplomirao na Sveučilištu u Beču , Gernot Zippe. Ukupno je u grupi bilo oko 300 “izvezenih” fizičara.
Alexey Kaliteevsky, generalni direktor CJSC Centrotech-SPb, Državna korporacija Rosatom, prisjeća se:“Naši stručnjaci su došli do zaključka da je njemačka centrifuga apsolutno neprikladna za industrijsku proizvodnju. Steenbeckov aparat nije imao sustav za prijenos djelomično obogaćenog proizvoda u sljedeći stupanj. Predloženo je ohladiti krajeve poklopca i zamrznuti plin, a zatim ga odmrznuti, sakupiti i staviti u sljedeću centrifugu. Odnosno, shema je neoperativna. No, projekt je imao nekoliko vrlo zanimljivih i neobičnih tehničkih rješenja. Ova "zanimljiva i neobična rješenja" kombinirana su s rezultatima sovjetskih znanstvenika, posebice s prijedlozima Viktora Sergeeva. Relativno govoreći, naša kompaktna centrifuga jedna je trećina plod njemačke misli, a dvije trećine sovjetske.” Usput, kada je Sergejev došao u Abhaziju i izrazio svoja razmišljanja o izboru urana istim Steenbeckom i Zippeom, Steenbeck i Zippe su ih odbacili kao neostvarive.
Dakle, što je Sergeev smislio?
A Sergeevljev prijedlog bio je stvoriti selektore plina u obliku Pitotove cijevi. No dr. Steenbeck, koji je, kako je vjerovao, na ovu temu pojeo zube, bio je kategoričan: “Usporit će tok, izazvati turbulencije i neće biti odvajanja!” Godinama kasnije, radeći na svojim memoarima, požalit će zbog toga: “Ideja vrijedna naše! Ali nije mi palo na pamet...”
Kasnije, jednom izvan SSSR-a, Steenbeck više nije radio s centrifugama. Ali prije odlaska u Njemačku, Geront Zippe imao je priliku upoznati se s prototipom Sergeevljeve centrifuge i genijalno jednostavnim principom njezina rada. Jednom na Zapadu, "lukavi Zippe", kako su ga često nazivali, patentirao je dizajn centrifuge pod svojim imenom (patent br. 1071597 iz 1957., prijavljen u 13 zemalja). Godine 1957., preselivši se u SAD, Zippe je ondje izgradio radnu instalaciju, reproducirajući Sergejevljev prototip po sjećanju. I nazvao ju je, odajmo počast, "ruskom centrifugom".
Inače, rusko inženjerstvo pokazalo se i u mnogim drugim slučajevima. Primjer je jednostavan ventil za zatvaranje u nuždi. Nema senzora, detektora ili elektroničkih sklopova. Postoji samo slavina za samovar, koja svojom laticama dodiruje kaskadni okvir. Ako nešto pođe po zlu i centrifuga promijeni svoj položaj u prostoru, jednostavno se okrene i zatvori ulazni vod. To je kao onaj vic o američkoj i ruskoj olovci u svemiru.
Nakon što se preselio u SAD, Zippe je ondje izgradio radnu instalaciju, reproducirajući Sergejevljev prototip po sjećanju. I nazvao ju je “ruskom centrifugom”.
Naši dani
Ovaj tjedan autor ovih redaka prisustvovao je značajnom događaju - zatvaranju ruskog ureda promatrača Ministarstva energetike SAD-a prema ugovoru HEU-LEU. Ovaj posao (visoko obogaćeni uran - nisko obogaćeni uran) bio je i ostao najveći sporazum o nuklearnoj energiji između Rusije i Amerike. Prema uvjetima ugovora, ruski nuklearni znanstvenici preradili su 500 tona našeg urana za oružje (90%) u gorivo (4%) HFC za američke nuklearne elektrane. Prihodi za 1993.-2009. iznosili su 8,8 milijardi američkih dolara. Bio je to logičan ishod tehnološkog iskoraka naših nuklearnih znanstvenika u području razdvajanja izotopa ostvarenog u poratnim godinama.
Zahvaljujući centrifugama dobili smo tisuće tona relativno jeftinog vojnog i komercijalnog proizvoda. Nuklearna industrija je jedna od rijetkih preostalih (vojno zrakoplovstvo, svemir) gdje Rusija ima neosporan primat. Samo inozemne narudžbe za deset godina unaprijed (od 2013. do 2022.), Rosatomov portfelj bez ugovora HEU-LEU iznosi 69,3 milijarde dolara. U 2011. premašio je 50 milijardi.
Pronašli ste grešku pri upisu? Odaberite fragment i pritisnite Ctrl+Enter.
Sp-force-hide ( display: none;).sp-form ( display: block; background: #ffffff; padding: 15px; width: 960px; max-width: 100%; border-radius: 5px; -moz-border -radius: webkit-border-style: solid-width: "Helvetica Neue", repeat: no-repeat; background-size; : auto;).sp-form input ( display: inline-block; neprozirnost: 1; vidljivost: visible;).sp-form .sp-form-fields -wrapper ( margina: 0 auto; width: 930px;).sp -form .sp-form-control ( background: #ffffff; border-color: #cccccc; border-style: solid; border-width: 1px; font- size: 15px; padding-right: 8.75px; -moz-border -radius: 4px; ;).sp-form .sp-field label (boja: #444444; font-size: 13px; font-style: normal; font-weight: bold;).sp-form .sp-button ( border-radius: 4px; -webkit-border-radius: #0089bf; boja: #ffffff; širina: auto; težina fonta: 700; stil fonta: normalan; obitelj-fontova: Arial, sans-serif;).sp-form .sp-button-container (tekst-align: lijevo;)
Izotopsko odvajanje- tehnološki postupak u kojem se pojedini izotopi ovog elementa izoliraju iz materijala koji se sastoji od mješavine različitih izotopa jednog kemijskog elementa. Razdvajanje izotopa uvijek je povezano sa značajnim poteškoćama, budući da se izotopi, koji su varijacije jednog elementa koji se malo razlikuju po masi, kemijski ponašaju gotovo identično. Ali - brzina nekih reakcija razlikuje se ovisno o izotopu elementa, osim toga, možete koristiti razliku u njihovim fizičkim svojstvima - na primjer, u masi. Razlike u ponašanju izotopa su toliko male da se tijekom jedne faze odvajanja tvar obogaćuje za stotinke postotka i proces odvajanja mora se ponavljati iznova i iznova - ogroman broj puta. Na učinak takvog kaskadnog sustava utječu dva čimbenika: stupanj obogaćivanja u svakoj fazi i gubitak željenog izotopa u struji otpada.
Osnovne metode odvajanja izotopa
Elektromagnetsko odvajanje
Metoda elektromagnetske separacije temelji se na različitom djelovanju magnetskog polja na jednako električki nabijene čestice različitih masa. Strojevi, nazvani kalutroni, ogromni su maseni spektrometri. Ioni tvari koje se odvajaju, krećući se u jakom magnetskom polju, uvijaju se radijusima proporcionalnim njihovim masama i padaju u prijemnike, gdje se nakupljaju.
Ova metoda omogućuje odvajanje bilo koje kombinacije izotopa i ima vrlo visok stupanj odvajanja. Dva prolaza obično su dovoljna da se dobije stopa obogaćivanja veća od 80% iz siromašnog materijala (s početnim sadržajem željenog izotopa manjim od 1%). Međutim, elektromagnetska separacija nije prikladna za industrijsku proizvodnju: većina tvari taloži se unutar kalutrona, pa se mora povremeno zaustavljati radi održavanja. Ostali nedostaci su velika potrošnja energije, složenost i visoki troškovi održavanja te niska učinkovitost. Glavno područje primjene metode je proizvodnja malih količina čistih izotopa za laboratorijsku upotrebu.
Difuzija plinova
Ova metoda koristi razliku u brzini kretanja molekula plina različitih masa. Jasno je da će biti prikladan samo za tvari u plinovitom stanju. Pri različitim brzinama kretanja molekula, ako ih natjerate da se kreću kroz tanku cijev, one brže i lakše će prestići one teže. Da bi se to postiglo, cijev mora biti toliko tanka da se molekule po njoj kreću jedna po jedna. Stoga je ovdje ključno proizvesti porozne membrane za odvajanje. Moraju spriječiti curenje i izdržati prekomjerni pritisak.
Za neke lake elemente stupanj razdvajanja može biti prilično visok, ali za uran je samo 1,00429 (izlazna struja svakog stupnja obogaćena je faktorom 1,00429). Stoga su poduzeća za obogaćivanje difuzijom plina kiklopske veličine i sastoje se od tisuća faza obogaćivanja.
Plinsko centrifugiranje
Ova tehnologija je prvi put razvijena u Njemačkoj tijekom Drugog svjetskog rata, ali se industrijski nije koristila sve do ranih 50-ih. Ako se plinovita smjesa izotopa propusti kroz centrifuge velike brzine, centrifugalna sila će razdvojiti lakše ili teže čestice u slojeve u kojima se mogu sakupiti. Velika prednost centrifugiranja je u tome što koeficijent razdvajanja ovisi o apsolutnoj razlici mase, a ne o omjeru mase. Centrifuga podjednako dobro radi i s lakim i s teškim elementima. Stupanj razdvajanja proporcionalan je kvadratu omjera brzine rotacije i brzine molekula u plinu. Stoga je vrlo preporučljivo vrtjeti centrifugu što je brže moguće. Tipične linearne brzine rotirajućih rotora su 250-350 m/s, a više od 600 m/s u naprednim centrifugama.
Tipični faktor razdvajanja je 1,01 - 1,1. U usporedbi s plinodifuzijskim instalacijama, ova metoda ima smanjenu potrošnju energije i veću jednostavnost povećanja snage. Trenutno je plinsko centrifugiranje glavna industrijska metoda odvajanja izotopa u Rusiji.
Proizvođači stabilnih izotopa: Državna korporacija Rosatom uključuje poduzeća koja se bave industrijskom proizvodnjom izotopa srednje i teške mase, kao i izotopa plemenitih plinova. Za industrijsko odvajanje izotopa koriste se tehnologije elektromagnetske i plinske centrifuge. Te tehnologije omogućuju odvajanje izotopa gotovo svih elemenata periodnog sustava elemenata. Broj poduzeća državne korporacije Rosatom koja koriste ove metode odvajanja izotopa uključuje sljedeće:
- Federalno državno jedinično poduzeće "Electrokhimpribor" Biljka - 209 predmeta (elektromagnetska metoda).
- OJSC Production Association Electrochemical Plant proizvodi 95 vrsta izotopa (metoda plinske centrifuge).
- OJSC "Siberian Chemical Plant" - 91 naziv izotopa (metoda plinske centrifuge).
- FSUE "RFNC-VNIIEF" - 24 predmeta (metoda plinske centrifuge)
Cijeli je svijet s likovanjem doznao za lansiranje prvog sovjetskog satelita 4. listopada 1957. godine. A događaj koji se dogodio 4. studenoga iste godine u Verkh-Neyvinsku dugo je ostao tajna za najbolje obavještajne agencije na svijetu. Ondje je pokrenuto pilot postrojenje u kojem se uran obogaćivao metodom centrifugalne separacije izotopa.
Aleksandar Emeljanenkov
U zoru stvaranja nuklearnog oružja, jedan od glavnih ključnih problema bilo je odvajanje izotopa urana. Ovaj teški radioaktivni metal u prirodi se pojavljuje kao mješavina dva glavna izotopa. Glavni udio (nešto manje od 99,3%) je uran-238. Sadržaj lakšeg izotopa, urana-235, iznosi samo 0,7%, no upravo je taj izotop neophodan za stvaranje nuklearnog oružja i rad reaktora.
Razdvajanje izotopa nije nimalo jednostavno. Njihova kemijska svojstva su identična (ipak su isti kemijski element), a razlika u atomskoj masi je nešto više od 1%, tako da fizikalne metode razdvajanja moraju biti vrlo selektivne. Ovo pitanje 1950-ih postalo je jedan od odlučujućih trenutaka koji su odredili uspjeh sovjetske nuklearne industrije i postavili temelje moderne konkurentnosti ruske nuklearne industrije na svjetskom tržištu.
Kroz sito
Najjednostavnija metoda odvajanja je plinska difuzija - "cijeđenje" plinovite sirovine (uranijev heksafluorid) kroz fino poroznu membranu, dok različiti izotopi difundiraju kroz pore različitim brzinama. Upravo je difuzija plina postala prva metoda korištena za dobivanje industrijskih količina urana-235 u prvim postrojenjima za obogaćivanje. U Sjedinjenim Američkim Državama, razvoj na području plinske difuzije za projekt Manhattan proveden je pod vodstvom dobitnika Nobelove nagrade Harolda Ureya. U SSSR-u je do 1954. ovaj smjer vodio akademik Boris Konstantinov, a zatim ga je zamijenio Isaac Kikoin.
Isprva se, kao što se često događa, metoda plinske difuzije činila lakšom za implementaciju. Ali to je zahtijevalo ogromne izdatke za električnu energiju - hidroelektrana Sayano-Shushenskaya i prvi stupanj nuklearne elektrane Beloyarsk, kako se sada pokazalo, izgrađeni su prvenstveno za te svrhe. Uz opću visoku cijenu i nisku učinkovitost, metoda plinske difuzije nije bila sigurna za radnike - uglavnom zbog visokih temperatura i buke u radionicama. Plus velike količine kemijski aktivnih smjesa pod pritiskom, što znači potencijalne emisije i zagađenje okoliša. U međuvremenu, alternativa metodi plinske difuzije poznata je od kraja 19. stoljeća - to je metoda centrifuge, koja obećava vrlo značajne uštede: kada je tvornica u Verkh-Neyvinsku dosegla svoj projektirani način rada 1958., pokazalo se da potrošnja energije po jedinici separacije bila je 20 (!) puta manja od difuzijske metode, a trošak je upola manji. Istina, na putu stvaranja centrifuga dizajneri su se suočili s brojnim tehnološkim poteškoćama.
Elektromagnetsko odvajanje. Temelji se na kretanju nabijenih čestica (iona) u magnetskom polju. Ovisno o masi čestica različita je zakrivljenost njihove putanje, a već i mala razlika u atomskoj masi jezgri izotopa urana omogućuje njihovo razdvajanje. Takve instalacije, nazvane kalutroni, korištene su u američkom projektu Manhattan jer su omogućile postizanje vrlo visokog stupnja obogaćivanja urana u nekoliko prolaza. Međutim, kalutroni su vrlo glomazni, skupi za održavanje, troše mnogo energije i imaju nisku produktivnost, pa se trenutno ne koriste za industrijsko obogaćivanje urana.
Njemački korijeni
Porijeklo sovjetske tehnologije centrifuge može se pratiti unatrag do nacističke Njemačke, gdje su eksperimenti odvajanja urana provedeni kao dio atomskog projekta. Jedan od sudionika ovog projekta, inženjer fizike Geront Zippe, bio je među ostalim njemačkim ratnim zarobljenicima poslanim u SSSR. Pod vodstvom Maxa Steenbecka, svog sunarodnjaka i tasta, Zippe je do 1954. bio angažiran u eksperimentalnim istraživanjima - prvo u Laboratoriju “A” u Sukhumiju (budući Sukhumi Institut za fiziku i tehnologiju), a posljednje dvije godine u posebnom dizajnerskom birou tvornice Kirov u Lenjingradu.
Kako svjedoče sudionici i očevici tih događaja, njemački znanstvenici nikada nisu bili uskraćeni za materijale za istraživanje. A njihov je režim bio gotovo isti kao i režim naših tajnih atomskih znanstvenika, koje je Berijin odjel jednako pomno nadzirao. U srpnju 1952. posebnom vladinom uredbom Steenbeck i njegovi pomoćnici premješteni su iz instituta u Suhumiju u Lenjingrad, u Biro za projektiranje tvornice Kirov. Štoviše, grupa je ojačana diplomantima Politehničkog instituta sa specijaliziranog odjela za nuklearna istraživanja. Zadatak je bio proizvesti i ispitati dvije jedinice prema Zippe-Steenbeckovoj shemi. Nestrpljivo su prionuli na posao, ali već u prvom tromjesečju 1953. rad je zaustavljen prije testiranja: postalo je jasno da predloženi dizajn nije prikladan za masovnu proizvodnju.
Difuzija plinova. Koristi razliku u brzini kretanja molekula plina koji sadrže različite izotope urana (uranijev heksafluorid). Različita masa uzrokuje različite brzine molekula, tako da lake prolaze kroz membranu s tankim porama (promjer je usporediv s veličinom molekula) brže od teških. Metoda je jednostavna za implementaciju i korištena je u zoru nuklearne industrije u SSSR-u, au SAD-u se koristi do danas. Stopa obogaćivanja svakog stupnja je vrlo mala, tako da su potrebne tisuće stupnjeva. To rezultira velikom potrošnjom energije i visokim troškovima odvajanja.
Centrifuga Zippe nije bila prvi sovjetski stroj za ovu namjenu. Čak i tijekom rata u Ufi, drugi Nijemac, Fritz Lange, koji je pobjegao iz Njemačke 1936., napravio je glomazan aparat na ležaju. Međutim, stručnjaci upoznati s peripetijama nuklearnog projekta u SSSR-u i SAD-u bilježe jedno bezuvjetno postignuće Steenbeckove grupe - originalni dizajn potporne jedinice: rotor je počivao na čeličnoj igli, a ova igla na ležaju napravljenom supertvrde legure u uljnoj kupelji. A cijeli ovaj genijalni dizajn držao je na mjestu poseban magnetski ovjes na vrhu rotora. Njegovo unapređenje na radnu brzinu također je provedeno pomoću magnetskog polja.
Dok je projekt Steenbeckove grupe doživio fijasko, u veljači iste 1953. puštena je u rad plinska centrifuga s krutim rotorom koju je dizajnirao sovjetski inženjer Viktor Sergejev. Godinu dana prije, Sergeev je sa skupinom stručnjaka iz posebnog dizajnerskog biroa tvornice Kirov, gdje je tada radio, poslan u Sukhumi kako bi se upoznao s eksperimentima Steenbecka i njegovog tima. “Tada je Steenbecku postavio tehničko pitanje o lokaciji uzorkivača plina u obliku Pitot cijevi”, otkrio je važne detalje Oleg Černov, veteran proizvodnje centrifuga Tochmash, koji je dobro poznavao Sergejeva i radio s njim. "Pitanje je bilo čisto tehničko i sadržavalo je, zapravo, naznaku kako dizajn centrifuge učiniti izvedivim." Ali dr. Steenbeck je bio kategoričan: “Oni će usporiti tok, izazvati turbulencije i neće biti odvajanja!” Godinama kasnije, radeći na svojim memoarima, požalit će zbog toga: “Ideja vrijedna naše! Ali nije mi palo na pamet..."
Centrifugiranje plina pomoću brzorotirajućeg rotora vrti tok plina na način da se molekule koje sadrže teže izotope urana centrifugalnom silom izbacuju prema vanjskim rubovima, a lakše se izbacuju bliže osi cilindra. Centrifuge su spojene u kaskade, dovodeći djelomično obogaćeni materijal od izlaza svakog stupnja do ulaza sljedećeg stupnja - tako je moguće dobiti uran čak i vrlo visokog stupnja obogaćenja. Centrifuge su jednostavne za održavanje, pouzdane i imaju umjerenu potrošnju energije. Metoda se koristi u Rusiji i europskim zemljama.
Prema riječima Olega Černova, Zippe je prije odlaska u Njemačku imao priliku upoznati se s prototipom Sergeevljeve centrifuge i genijalno jednostavnim principom njezina rada. Jednom na Zapadu, "lukavi Zippe", kako su ga često nazivali, patentirao je dizajn centrifuge u 13 zemalja. Najviši dužnosnici sovjetskog atomskog odjela, saznavši za takvu intelektualnu prijevaru, nisu digli buku - prema službenoj verziji, "kako ne bi izazvali sumnju i povećali interes za ovu temu među američkim vojno-tehničkim obavještajcima". Neka, kažu, misle da su Sovjeti zadovoljni neekonomičnom metodom difuzije plina, poput njihove... Godine 1957., preselivši se u SAD, Zippe je tamo izgradio radnu instalaciju, reproducirajući Sergejevljev prototip po sjećanju. I nazvao ju je, svaka čast, "ruskom centrifugom". Međutim, nije uspio zarobiti Amerikance. Za novi stroj, kao u svoje vrijeme i prema Steenbeckovu dizajnu, donesena je presuda: neprikladan za industrijsku uporabu.
Stupanj obogaćivanja jedne plinske centrifuge je mali, pa se spajaju u uzastopne kaskade, u kojima se obogaćena sirovina iz izlaza svake centrifuge dovodi na ulaz sljedeće, a osiromašena sirovina u unos jednog od prethodnih. S dovoljnim brojem centrifuga u kaskadi mogu se postići vrlo visoke stope obogaćivanja.
Istina, četvrt stoljeća kasnije u Sjedinjenim Državama konačno su odlučili prijeći s plinske difuzije na centrifuge. Prvi pokušaj nije uspio - 1985. godine, kada je instalirano prvih 1300 strojeva razvijenih u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge, američka vlada zatvorila je program. Godine 1999. na reaktiviranoj lokaciji u Piketonu (Ohio) ponovno su započeli radovi na postavljanju američke centrifuge nove generacije (10-15 puta veće od ruskih po visini i dva do tri puta po promjeru) s rotorom od karbonskih vlakana. Prema planu, još 2005. godine trebalo je postaviti 96 kaskada od 120 "vrhova", ali do kraja 2012. projekt još uvijek nije pušten u komercijalni rad.
Lasersko odvajanje izotopa urana temelji se na činjenici da molekule koje sadrže različite izotope imaju malo različite energije pobude. Ozračivanjem mješavine izotopa laserskom zrakom strogo određene valne duljine moguće je ionizirati samo molekule sa željenim izotopom, a potom magnetskim poljem razdvojiti izotope. Postoji nekoliko varijanti ove metode - koja djeluje na atomsku paru AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (francuski analog AVLIS-a), i na molekule - MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) i SILEX ( Odvajanje izotopa laserskom ekscitacijom). Trenutačno General Electric Corporation pokušava komercijalizirati SILEX tehnologiju koju su razvili stručnjaci iz Južne Afrike i Australije. Lasersko odvajanje ima malu potrošnju energije, nisku cijenu i visoko obogaćivanje (zbog čega se sada koristi za proizvodnju malih količina ultra čistih izotopa), ali još uvijek postoje problemi s produktivnošću, vijekom trajanja lasera i odabirom obogaćenog materijala bez zaustavljanja postupak.
Tajne igle
U međuvremenu, u SSSR-u, u neuglednom gradiću Verkh-Neyvinsk na Srednjem Uralu, u najstrožoj je tajnosti instalirana prva eksperimentalna linija separacijskih plinskih centrifuga. Isaac Kikoin je još 1942. godine naišao na plinsku centrifugu koju je dizajnirao Lange i čak ju je testirao u svom laboratoriju u Sverdlovsku. Tada eksperimenti nisu dali željene rezultate, a akademik je bio skeptičan u pogledu same mogućnosti stvaranja industrijskih plinskih centrifuga. Glavni problem s prvim instalacijama bila je njihova krhkost. I premda su se u početku vrtjeli brzinom od “samo” 10.000 okretaja u minuti, nije bilo lako nositi se s enormnom kinetičkom energijom rotora.
- Vaši automobili se uništavaju! - šef glavnog odjela Alexander Zverev, koji je imao čin generala NKVD-a, sarkastično je predbacio programerima na jednom od sastanaka u Ministarstvu srednje gradnje strojeva.
- Što si htio? Pa da se i oni mogu razmnožavati?! — hrabro je uzvratio zamjenik glavnog dizajnera Anatolij Safronov, koji je u to vrijeme vodio projekt.
Metodom centrifugalne separacije, zbog velike brzine vrtnje, stvara se centrifugalna sila koja stotinama tisuća puta premašuje gravitacijsku silu Zemlje. Zbog toga se teže molekule uran-238 heksafluorida "obore" na periferiji rotirajućeg cilindra, a lakše molekule uran-235 heksafluorida se koncentriraju u blizini osi rotora. Odvojenim izlaznim cjevovodima (kao što su Pitotove cijevi, o kojima je sovjetski inženjer Sergejev govorio Nijemcu Steenbecku), plin koji sadrži izotope U-238 odvodi se "na odlagalište", a obogaćena frakcija s povećanim sadržajem urana-235 teče u sljedeću centrifugu. Kaskada takvih centrifuga, koja sadrži stotine i tisuće strojeva, omogućuje brzo povećanje sadržaja izotopa svjetlosti. Relativno govoreći, mogu se nazvati separatorima, u kojima se uranove sirovine pretvorene u plin (uranijev heksafluorid, UF6) s niskim sadržajem izotopa U-235 sukcesivno prenose iz konzistencije svježeg mlijeka u vrhnje i kiselo vrhnje. A ako je potrebno, oni također mogu srušiti "naftu" - dovesti obogaćivanje do 45%, ili čak 60%, kako bi je koristili kao gorivo u podmorskim reaktorima i istraživačkim objektima. I tek nedavno, kada je to bilo potrebno u velikim količinama, vrtjeli su centrifuge dok nisu dobili skupi "sir" na izlazu - uran za oružje s obogaćenjem od više od 90%. Ali do kraja 1980-ih, četiri sovjetske tvornice su "odvojile" toliko urana za oružje da su se njegove rezerve u skladištima i u gotovim nuklearnim bojevim glavama smatrale pretjeranim, a proizvodnja visoko obogaćenog urana za vojne potrebe je zaustavljena.
Prema prvim proračunima, debljina vanjskih stijenki kućišta centrifuge trebala je biti 70 mm - poput oklopa tenka. Pokušajte promovirati takvog kolosa... Ali metodom pokušaja i pogreške našli su kompromisno rješenje. Stvorena je posebna legura - jača i lakša od čelika. Tijela modernih centrifuga, koje je jedan od autora imao priliku vidjeti i držati u rukama u proizvodnom udruženju Tochmash u Vladimiru, ne izazivaju nikakve asocijacije na oklop tenka: obični šuplji cilindri s unutarnjom površinom ulaštenom do sjaj. Iz daljine ih se može zamijeniti s komadima cijevi sa spojnim prirubnicama na krajevima. Duljina - ne više od metra, promjer - dvadeset centimetara. A u Uralskoj elektrokemijskoj tvornici od njih se sastavljaju gigantske kaskade duge stotine metara. Znakovi na zidovima i posebne oznake na obojanom betonskom podu u tehnološkim prolazima pokazuju da je ovdje uobičajeno putovati biciklom. Istina, ne brže od 5-10 km/h.
A u centrifugama koje jedva čujno bruje, brzine su potpuno drugačije - rotor na igli s ležajem od korunda, "okačen" u magnetsko polje, napravi 1500 okretaja u sekundi! U usporedbi s prvim proizvodom, VT-3F, proizvedenim 1960., ubrzan je gotovo deset puta, a razdoblje neprekidnog rada povećano je s tri godine na 30. Vjerojatno je teško pronaći još jedan primjer gdje bi oprema pokazala takva pouzdanost pod tako ekstremnim parametrima. Kao što je rekao Valery Lempert, zamjenik voditelja proizvodnje centrifuga, strojevi koje je Tochmash tamo isporučio prije 30 godina još uvijek rade u tvornici u Novouralsku: “Ovo je vjerojatno bila treća generacija centrifuga, a sada se masovno proizvodi osma i deveti se pokreće u probnu proizvodnju.”
“U dizajnu naše centrifuge nema ništa previše komplicirano. Radi se o usavršavanju tehnologije do najsitnijih detalja i strogoj kontroli kvalitete", objašnjava Tatjana Sorokina, koja je desetljećima "vodila" tehnologiju proizvodnje nosive igle za rotor u tvornici. — Takve se igle prave od obične glasovirske žice, iz koje se izvlače žice. Ali metoda kaljenja vrha je naše znanje i iskustvo.”
U svojim je godinama jedan od njezinih glavnih tvoraca Viktor Sergejev dao svoje objašnjenje tajni ruske centrifuge. Prema riječima inženjera Olega Černova, na pitanje sigurnosnih službi što treba zaštititi u ovom proizvodu i koja je njegova glavna tajna, dizajner je jezgrovito odgovorio: "Ljudi."
Je li istina, kažete, da prirodni uran nikome ne treba? Pogledajmo potrošnju.
Trenutno su u svijetu tražene sljedeće vrste obogaćenog urana:
- 1. Prirodni uran (0,712%). Teškovodni reaktori (PHWR) kao što je CANDU
- 2. Slabo obogaćeni uran (2-3%, 4-5%). Voda-grafit-cirkonij, voda-voda-cirkonij reaktori, VVER, PWR, RBMK reaktori
- 3. Srednje obogaćeni uran (15-25%), Brzi reaktori, transportni reaktori (ledolomci, plutajuće nuklearne elektrane) nuklearne elektrane
- 4. Visoko obogaćeni uran (>50%), nuklearne elektrane (podmornice), istraživački reaktori.
Bit će članak o metodama obogaćivanja.
Sirovina za obogaćivanje nije čisti metalni uran, već uranov heksafluorid UF 6, koji je zbog svoje kombinacije svojstava najprikladniji kemijski spoj za izotopno obogaćivanje. Za kemičare, napominjemo da se fluoriranje urana događa u vertikalnom plazma reaktoru.
Unatoč obilju metoda obogaćivanja, danas se samo dvije od njih koriste u industrijskim razmjerima - plinska difuzija i centrifuge. U oba slučaja korišteni plin je UF 6.
Bliže pitanju odvajanja izotopa. Za bilo koju metodu, učinkovitost odvajanja izotopa karakterizira koeficijent odvajanja α - omjer udjela "lakog" izotopa u "proizvodu" i njegovog udjela u primarnoj smjesi.
Za većinu metoda, α je samo malo veći od jedinice, pa se za postizanje visoke koncentracije izotopa jedna operacija odvajanja izotopa mora ponavljati mnogo puta (kaskade). Na primjer, za metodu plinske difuzije α = 1,00429, za centrifuge vrijednost jako ovisi o perifernoj brzini - kod 250 m/s α = 1,026, kod 600 m/s α = 1,233. Samo kod elektromagnetskog odvajanja α je 10-1000 po 1 ciklusu odvajanja. Na kraju će biti usporedna tablica za nekoliko parametara.
Cijela kaskada strojeva za obogaćivanje uvijek je podijeljena u stupnjeve. U prvom stupnju separacijske kaskade tok početne smjese dijeli se na dva toka: siromašni (odstranjen iz kaskade) i obogaćeni. Obogaćeni se dovodi u 2. stupanj. U 2. fazi, jednom obogaćeni tok podvrgava se odvajanju po drugi put:
obogaćeni tok 2. stupnja ulazi u 3., a njegov osiromašeni tok se vraća u prethodni (1.) itd. Iz posljednjeg stupnja kaskade odabire se gotov proizvod s potrebnom koncentracijom zadanog izotopa.
Ukratko ću vam reći o glavnim metodama odvajanja koje su se ikada koristile u svijetu.
Elektromagnetsko odvajanje
Ovom metodom moguće je odvojiti komponente smjese u magnetskom polju, i to visoke čistoće. Elektromagnetsko odvajanje je povijesno prva ovladana metoda za odvajanje izotopa urana.Budući da se odvajanje može izvesti s uranovim ionima, pretvorba urana u UF 6 u načelu nije potrebna. Ova metoda daje visoku čistoću, ali nizak prinos uz visoku potrošnju energije. Tvar čiji se izotopi trebaju odvojiti stavlja se u lončić ionskog izvora, isparava i ionizira. Jako električno polje izvlači ione iz ionizacijske komore. Ionska zraka ulazi u vakuumsku separacijsku komoru u magnetskom polju H usmjerenom okomito na kretanje iona. Kao rezultat toga, ioni se kreću duž svojih kružnica s različitim (ovisno o masi) radijusima zakrivljenosti. Samo pogledajte sliku i prisjetite se školskih lekcija, gdje smo svi računali radijus duž kojeg bi elektron ili proton letjeli u magnetskom polju.
Dijagram koji prikazuje princip elektromagnetskog odvajanja.
Prednost ove metode je korištenje relativno jednostavne tehnologije (kalutroni: KAL ifornija U sveučilište).
Služio je za obogaćivanje urana u postrojenju Y-12 (SAD), imao je 5184 separacijske komore - “kalutron” i prvi put je omogućio dobivanje kilogramskih količina visoko obogaćenog 235U - 80% ili više.
U Projektu Manhattan, kalutone su korištene nakon toplinske difuzije - 7% sirovine dovedeno je u alfa kalutroni (postrojenje Y-12) i obogaćeno do 15%. Uran za oružje (do 90%) proizveden je korištenjem beta kalutrona u postrojenju Y-12. Alfa i beta kalutroni nemaju nikakve veze s alfa i beta česticama, to su jednostavno dvije "linije" kalutron, jedan za preliminarno obogaćivanje, drugi za konačno obogaćivanje.
Metoda omogućuje odvajanje bilo koje kombinacije izotopa i ima vrlo visok stupanj odvajanja. Dva prolaza dovoljna su za obogaćivanje iznad 80% iz siromašnog materijala s početnim sadržajem manjim od 1%. Produktivnost je određena vrijednošću ionske struje i učinkovitošću hvatanja iona - do nekoliko grama izotopa dnevno (ukupno za sve izotope).
Jedna od radionica elektromagnetske separacije u Oak Ridgeu (SAD)
Divovski alfa kalutron iz iste biljke
Difuzijske metode
Za početno obogaćivanje korištene su metode difuzije. Uz elektromagnetsku metodu, povijesno je jedna od prvih. Metoda difuzije obično se odnosi na difuziju plina - kada se uranov heksafluorid zagrijava na određenu temperaturu i prolazi kroz "sito" - posebno dizajniran filter s rupama određene veličine.Ako plin koji se sastoji od dvije vrste molekula (u našem slučaju dva izotopa) propustite kroz malu rupu ili kroz mrežu koja se sastoji od velikog broja malih rupa, ispada da lakše molekule plina prolaze u većim količinama od teških one. Važno je napomenuti da se ovaj fenomen događa samo kada molekule prolaze kroz rupu bez sudara u njoj... tj. kada je srednji slobodni put molekule veći od promjera rupe. Sukladno tome, ispada da je plin koji prolazi pored rešetki osiromašen lakim molekulama. Gotovo uvijek postoji obrnuto curenje plina kroz mrežicu, zbog čega se u stvarnosti povećanje koncentracije lakog izotopa (obogaćivanje) pokazuje nešto manjim.
Ovdje je ključna fraza o veličini rupa. U početku su se mreže izrađivale strojno, nitko ne zna kako je sada. Štoviše, materijal mora raditi na povišenim temperaturama, a same rupe ne smiju biti začepljene, njihova veličina se ne smije mijenjati pod utjecajem korozije itd. Tehnologije za izradu difuzijskih barijera su još uvijek klasificirane - isti know-how kao i kod centrifuga .
Više detalja pod spojlerom, iz istog izvješća.
„O stanju istraživanja i praktičnog rada Laboratorija br. 2 o proizvodnji urana-235 metodom difuzije”
Što je veći pad tlaka kroz rešetku, to je veće obogaćivanje. Razliku tlaka obično stvara kompresor (pumpa) koji pomiče plin između rešetki. Takav sustav, koji se sastoji od rešetki i kompresora koji pokreće plin, je stupanj odvajanja
Kao plin koristimo uranov heksafluorid. Ovo je sol koja ima prilično visok tlak pare na sobnoj temperaturi. Što se tiče rešetki, zahtijeva se da im promjer otvora bude manji od slobodnog puta molekula uranovog heksafluorida. Potonji je, kao što je dobro poznato, obrnuto proporcionalan tlaku plina. Pri atmosferskom tlaku slobodan put molekula je približno 1/10000 mm. Stoga, kad bismo mogli napraviti finu mrežu s rupama manjim od 1/10 000 mm, mogli bismo raditi s plinom pri atmosferskom tlaku.
Trenutno smo naučili izrađivati mreže s rupama od oko 5/1000 mm, tj. 50 puta veći od slobodnog puta molekula pri atmosferskom tlaku. Posljedično, tlak plina pri kojem će doći do razdvajanja izotopa na takvim rešetkama mora biti manji od 1/50 atmosferskog tlaka. U praksi pretpostavljamo da radimo na tlaku od oko 0,01 atmosfere, tj. pod dobrim vakuumskim uvjetima. Višestruko obogaćivanje plinom tijekom kontinuiranog procesa može se provesti korištenjem kaskadne instalacije koja se sastoji od velikog broja stupnjeva spojenih u seriju. Izračuni pokazuju da je za dobivanje produkta obogaćenog do koncentracije od 90% lakim izotopom (ta je koncentracija dovoljna za proizvodnju eksploziva) potrebno spojiti oko 2000 takvih stupnjeva u kaskadu. U stroju koji projektiramo i djelomično proizvodimo, očekuje se proizvodnja 75-100 g urana-235 dnevno. Instalacija će se sastojati od otprilike 80-100 "stupova", od kojih će svaki imati 20-25 instaliranih stupnjeva. Ukupna površina rešetki (površina rešetki određuje produktivnost cijele instalacije) bit će oko 8000 m2. Ukupna snaga koju kompresori troše bit će 20 000 kW.
Osim toga, dobar vakuum, koji zahtijeva prilično veliku snagu kompresorske opreme, i prisutnost velike količine opreme za praćenje curenja (što, u načelu, nije problem u modernom svijetu, ali članak je bio o postu -ratno razdoblje gdje je trebalo sve, odmah i brzo).
Korišten je kao jedan od prvih stupnjeva obogaćivanja. U projektu Manhattan, postrojenje K-25 obogaćivalo je uran s 0,86% na 7%, a potom je sirovina korištena za kalutroni. U SSSR-u - dugotrajna biljka D-1, kao i biljke D-2 i D-3 koje su ga slijedile, i tako dalje.
Također, “difuzijska” metoda separacije ponekad se shvaća kao tekuća difuzija - također, samo u tekućoj fazi. Fizikalni princip je da se lakše molekule okupljaju u toplijem području. Tipično, kolona za odvajanje sastoji se od dvije koaksijalno smještene cijevi u kojima se održavaju različite temperature. Između njih se unosi smjesa koja se odvaja. Temperaturna razlika ΔT dovodi do pojave konvektivnih vertikalnih strujanja, a stvara se difuzijsko strujanje izotopa između površina cijevi, što dovodi do pojave razlike u koncentracijama izotopa u presjeku stupca. Zbog toga se lakši izotopi nakupljaju na vrućoj površini unutarnje cijevi i kreću se prema gore. Metoda toplinske difuzije omogućuje odvajanje izotopa i u plinovitoj i u tekućoj fazi.
U projektu Manhattan, to je postrojenje S-50 - obogaćivalo je prirodni uran do 0,86%, tj. povećao obogaćivanje petog urana za samo 1,2 puta. U SSSR-u je rad na difuziji tekućina provodio Institut za radij u poslijeratnom razdoblju, ali ovaj smjer nije dobio nikakav razvoj.
Kaskada strojeva za plinskodifuzijsku separaciju izotopa.
Potpisi na patentu - F. Simon, K. Fuchs, R. Peierls.
Aerodinamičko odvajanje
Aerodinamička separacija je vrsta centrifugiranja, ali umjesto vrtloženja plin se vrti u posebnoj mlaznici. Umjesto tisuću riječi - pogledajte sliku, tzv. “Beckerova mlaznica” za aerodinamičko odvajanje izotopa urana (mješavine vodika i uranovog heksafluorida) pri smanjenom tlaku. Uranov heksafluorid je vrlo težak plin i dovodi do trošenja sitnih dijelova mlaznica (vidi skalu), a može prijeći u čvrsto stanje u područjima visokog tlaka (npr. na ulazu u mlaznicu), pa se heksafluorid razrjeđuje s vodikom. Jasno je da s 4% udjela sirovine u plinu, pa čak i pri niskom tlaku, učinkovitost ove metode nije velika. Ova metoda razvijena je u Južnoj Africi i Njemačkoj.
Sve što trebate znati o aerodinamičkom odvajanju je na ovoj slici
Opcije injektora
Plinsko centrifugiranje
Vjerojatno svaka osoba (a još više geek!) koja je barem jednom čula za nuklearnu energiju, bombe i obogaćivanje zna općenito što je centrifuga, kako radi i da postoje mnoge poteškoće, tajne i know-how u dizajn takvih uređaja. Stoga ću reći samo nekoliko riječi o plinskom centrifugiranju. No, da budemo iskreni, plinske centrifuge imaju vrlo bogatu povijest razvoja i zaslužuju poseban članak.Princip rada je odvajanje uslijed centrifugalnih sila ovisno o apsolutnoj razlici u masi. Pri rotaciji (do 1000 okretaja u sekundi, periferna brzina - 100 - 600 m / s), teže molekule idu na periferiju, lakše - u središte (kod rotora). Ova je metoda trenutno najproduktivnija i najjeftinija (na temelju cijene $/EPP).
Google je prepun shematskih slika uređaja za centrifugu, dat ću samo nekoliko fotografija kako izgleda sastavljena kaskada. U takvoj prostoriji je, inače, prilično vruće - tamošnji uranov heksafosforid je daleko od sobne temperature, a cijelu ovu kaskadu također treba ohladiti.
Kaskada centrifuga tvrtke URENCO. Velika, visoka oko 3 metra.
Ima i manjih, oko pola metra. Naši domaći.
Za razumijevanje razmjera, odnosno što je "trgovina od horizonta do horizonta".
Lasersko obogaćivanje
Fizikalni princip laserskog obogaćivanja je da se razine atomske energije različitih izotopa malo razlikuju.Ovaj efekt se može koristiti za odvajanje U-235 od U-238, kako u atomskom obliku - AVLIS, tako iu molekularnom obliku - MLIS.
Metoda koristi pare urana i lasere koji su precizno podešeni na određenu valnu duljinu, pobuđujući atome upravo 235. urana. Zatim se ionizirani atomi uklanjaju iz smjese pomoću električnog ili magnetskog polja.
Tehnologija je vrlo jednostavna i, općenito govoreći, ne zahtijeva nikakve supersložene mehaničke uređaje poput difuzijskih rešetki ili centrifuga, postoji jedan problem.
U rujnu 2012. Global Laser Enrichment LLC (GLE), konzorcij General Electrica, Hitachija i Cameca, dobio je licencu od Američke nuklearne regulatorne komisije (NRC) za izgradnju postrojenja za lasersku separaciju kapaciteta do 6 milijuna SWU na mjesto postojećeg zajedničkog pothvata GE, Toshibe i proizvođača goriva Hitachi u Wilmingtonu, Sjeverna Karolina. Planirano obogaćivanje je do 8%. Međutim, licenciranje je obustavljeno zbog problema sa širenjem tehnologije. Suvremene tehnologije obogaćivanja (difuzije i centrifugiranja) zahtijevaju posebnu opremu, toliko posebnu da se, općenito govoreći, po želji, kroz praćenje međunarodnih ugovora, neizravno može pretpostaviti tko će “tiho” (bez znanja IAEA-e) obogaćivati uran ili provoditi raditi u ovom pravcu. I takav se monitoring zapravo i provodi. Ako metoda laserskog obogaćivanja dokaže svoju jednostavnost i učinkovitost, rad na uranu za oružje mogao bi se početi provoditi tamo gdje on zapravo nije potreban. Stoga se za sada laserska metoda uništava.
Laserske metode također mogu uključivati molekularnu metodu, koja se temelji na činjenici da na infracrvenim ili ultraljubičastim frekvencijama dolazi do selektivne apsorpcije infracrvenog spektra plinom 235 UF 6, što naknadno omogućuje korištenje metode disocijacije pobuđenih molekula ili kemijske separacije.
Relativni sadržaj U-235 može se povećati za red veličine već u prvoj fazi. Stoga je dovoljan jedan prolaz da se osigura dovoljno obogaćivanje urana za nuklearne reaktore.
Objašnjenje “molekularne” metode s kemijskom separacijom.
Prednosti laserskog obogaćivanja:
- Potrošnja električne energije: 20 puta manja nego za difuziju.
- Kaskadno: broj kaskada (od 0,7% do 3-5% za U-235) manji je od 100, u usporedbi sa 150 000 centrifuga.
- Trošak postrojenja je znatno manji.
- Ekološka prihvatljivost: umjesto uranovog heksafluorida koristi se manje opasni metalni uran.
- Potreba za prirodnim uranom je 30% manja.
- 30% manje skladištenja jalovine (odlagalište).
Usporedba učinkovitosti različitih metoda
Obogaćivanje urana u Rusiji
Trenutno u Rusiji rade četiri tvornice za preradu:- JSC "Angarsk Electrolysis Chemical Plant" (Angarsk, Irkutska regija),
- JSC "PO "Electrochemical Plant" (Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory),
- JSC "Ural Electrochemical Plant" (Novouralsk, regija Sverdlovsk),
- JSC "Siberian Chemical Plant" (Seversk, regija Tomsk).
Za 2000 Kapacitet obogaćivanja u Rusiji raspoređen je na sljedeći način: 40% - za unutarnje potrebe, 13% - za obradu odlagališta otpada stranih korisnika, 30% - za obradu HEU i LEU i 17% - za vanjske narudžbe. Sve je ovo mirni atom. Proizvodnja obogaćenog urana za vojne potrebe prekinuta je od 1989. godine. Do 2004 170 t (od ~500 t) HEU (visoko obogaćenog urana) prerađeno je prema HEU-LEU sporazumu.
To je sve. Hvala vam na pažnji.
