В цикле статей про быстрые реакторы упоминалась утрата ядерных технологий полного цикла АЭС рядом развитых стран, где эта самая Атомная энергетика до недавнего времени бурно развивалась.
Атомная промышленность подверглась колоссальному удару после аварии на АЭС Фукусима-1.
Инвестиции в строительство новых АЭС и разработку технологий сократились до такого предела, что развитые страны, обладающие полным циклом атомных технологий, с недавних пор начали их утрачивать.
Начиналось всё постепенно - с невозможности в одиночку спроектировать новые типы реакторов под обновленные стандарты безопасности; далее пошли уже фатальные инженерные, либо технологические ошибки (как, например, поломка главного циркуляционного насоса американского энергоблока AP-1000 через несколько месяцев после запуска АЭС).
Поломка подобного оборудования не предусмотрена проектом, так как срок его гарантированной эксплуатации – 60 лет. Американо-Японская компания «Westinghouse» построила 4 энергоблока для Китая, в одном из них ( № 2 АЭС Sanmen ) и произошёл подобный инцидент. Энергоблок был остановлен.
Утратив ядерные компетенции в проектировании АЭС, компания накопила обязательств на 10 млрд. долларов по строящемуся реактору в США, и в 2017 году подала на банкротство. И в мире осталась одна компания, которая может предоставить полный перечень ядерных технологий и компетенций. Угадаете с первого раза, какая это компания?
Европейские атомные компетенции скатились до такой степени, что заказывают обогащение уранового топлива для собственных АЭС у России. Казалось бы, обогащение урана хорошо налажено во Франции, однако прогресс в этом направлении остановился даже тут.
Чтобы понять, как так вышло, нужно чуть подробнее разобраться в одном из ключевых процессов атомной промышленности – технологии обогащения урана.
Как упоминалось ранее, природный уран в основном состоит из изотопов урана-238 и урана-235. Да, есть и другие изотопы, например, уран-234, но это несущественно. Главное то, что содержание урана-238 в природе больше 99%, а урана 235 – лишь 0,72%. А для АЭС нужен именно уран-235. Однако, концентрация в природной руде урана-235 недостаточна для запуска АЭС. Его содержание нужно довести хотя бы до 2%, а лучше - до 5%.
Следовательно, нужно увеличить концентрацию в природной урановой руде так, чтобы в конечном итоге вместо 0,72% урана-235, в ней было 2-5%!
Чем эффективнее и дешевле мы сможем увеличить концентрацию урана-235, тем дешевле будет конечная стоимость электроэнергии, вырабатываемой АЭС, и тем выше её EROEI.
Процесс увеличения общей доли изотопа урана-235 в урановой руде - это и есть «обогащение».
Следует уточнить, что есть тяжеловодные ядерные реакторы, которые работают на природном уране, где даже концентрации 0,5% урана-235 достаточно для запуска данной АЭС. Однако, они необоснованно дороги ввиду необходимости производства тяжёлой воды и последующей её безопасной эксплуатации. Энергетический выход таких АЭС существенно меньше традиционных, при аналогичных размерах.
Однако, придумать эффективную технологию обогащения – трудная задача. Сложности заключатся в разделении атомов урана. Ведь по сути, Уран-235 и Уран-238 – это один и тот же элемент, поэтому любые химические методы разделения элементов тут практически неэффективны.
Тут нужно учитывать именно разницу массы ядер самих изотопов, которые, к слову, незначительно отличаются по этому параметру, то есть - оперировать уже в области квантовой механики. В итоге, процесс обогащения – очень сложная задача.
Существует десяток методов разделения изотопов урана, однако промышленно освоенных, и тем самым наиболее эффективных и производительных, всего два: диффузионный метод и центрифужный. Оба этих метода используют как основное рабочее тело – газообразную среду.
Но уран по своему химическому свойству является металлом. Тяжёлым металлом, с температурой плавления большее 1100°С. Преобразовать его в газ, да ещё и как-нибудь потом с ним работать - вообще невыполнимая задача на сегодня. К счастью, есть единственный нам известный на сегодняшний день метод получения «газообразного урана» - путём соединения его с фтором. Тем самым, мы получим так называемый «гексафторид урана» - шестифтористый уран (UF6).
И, к нашему счастью, данное соединение обладает очень замечательными свойствами: при нормальном атмосферном давлении и температуре меньше 56°С гексафторид урана – твёрдое вещество; при нагревании выше 56°С - переходит сразу в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. При этом тройная точка (величина температурного градиента, где вещество находится одновременно в газообразном, жидком и твердом состоянии) у гексафторида урана находится в районе чуть больше 64°С, при чуть повышенном давлении в 151 кПа (атмосферное давление - 101 кПа).
Следовательно, его можно переводить в различные фазовые состоянии, незначительно изменяя условия окружающий его среды.
Но это ещё не все свойства гексафторида урана. Дело в том, что сам химический элемент Фтор имеет всего один стабильный изотоп - 19F (Фтор-19), с 9 протонами и 10 нейтронами, то есть со стабильной и неменяющийся молекулярной массой.
Следовательно, исключаются какие-либо паразитные корреляции по молекулярной массе и у получившегося гексафторида урана, поэтому различие в молекулярной массе вносит исключительно изотоп урана!
Просто чудо-соединение какое-то!
Но сам гексафторид урана в газообразной форме применяется исключительно для разделения изотопов урана, в остальных же случаях (изготовление, а затем хранение и транспортировка) - используется, по соображениям безопасности, в твёрдой фазе.
Резюмируя: у нас есть соединение урана с фтором, которое подходит для дальнейшего разделения изотопов. Что дальше? А дальше можно начать обогащать уран, что является самым интересным, но об этом в следующей статье.
Часть 2. Лидеры атомной промышленности: диффузионный метод обогащения урана
P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!
