Проблема урана. 
Ядерные технологии

В ядерной промышленности выделяют шесть видов урана, каждый из которых требует своих способов переработки, очистки, хранения и т. п. Виды урана отличаются изотопным составом, но определенную роль в обращении с ними играет тип химического соединения, содержащего уран, валентное состояние урана, механические и радиационные характеристики вещества или материала.

Табл.1 Радиоактивность изотопов урана в природном уране.

Коротко остановимся на проблемах, возникающих при обращении с различными видами урана.

Природный уран.

Продукция из природного урана выпускается в виде порошка металлического урана, оксида урана, тетрафторида урана. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U, 235U и 234(J (табл.1). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 2з8и. Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 2з8и и его дочерним нуклидом 234U. В равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 2ззи в природном уране в 21 раз меньше активности 2:*8U. Задача радиохимического производства — выделение из урановых руд урансодержащих соединений, производство химически чистого и302, а затем металла.

Слабообогащённый (реакторный) уран. Основное количество U₃0₈ поступает на заводы по обогащению природного урана изотопом ²35U. На выходе сублиматного завода образуются два вида урана: уран, обогащённый по изотопу^sU, и обеднённый уран. Слегка обогащённый уран послушает на производство топлива для энергетических реакторов на тепловых нейтронах. В качестве примера напомним, что начальное обогащение ТВС РБМК составляет, %: 1,8, 2, о (штатные кассеты), 2,02, 2,09 (ТВС с регенерированным топливом). Важно понимать, что свежее реакторное топливо обогащено не только изотопом ²35U, но и изотопом ²34U. ТВЭЛы, поступающие на ВВЭР, имеют начальное обогащение топлива по ²ззи (3,53; 3,90; 4,23; 4,4%), причём его изотопный состав: *34U — 0,036, ²ззи -4,400, 23⁸U — 95>5б4% по массе. Содержание по сравнению с природным увеличилось в 6,6 раза! Очевидно, что при многократном циклировании топлива, оно будет обогащаться по изотопу ²34U и начальное топливо станет интенсивным у-излучателем, что нежелательно.

Уран, годный к оружейному использованию — уран, обогащённый по ²35U до 20% и выше (до 90%). Такой уран используется как топливо судовых реакторов, исследовательских и быстрых реакторов. Компактные медицинские и энергетические реакторы малой мощности также работают на топливе среднего обогащения. Считается, что из такого топлива невозможно изготовить атомную бомбу современного дизайна, но его можно использовать для эффективной наработки оружейного плутония. Поэтому его распространение ограничивается, что крайне отрицательно сказывается на внедрении в энергетику реакторов малой мощности.

Оружейный уран — уран, обогащенный по ²35U до 90% и выше, т. е. это высокообогащённый уран (ВОУ). К концу 20-го века производство оружейного урана в основных ядерных странах было прекращено. Замечание. США прекратили выпуск оружейного урана в 1964 г. (ВОУ для АПЛ производили до 1992 г.), Россия — 1988 г., Великобритания — 1986 г., Франция — в 1996. Китай неофициально даёт понять, что тоже не занимается созданием ВОУ. В настоящее время продолжают производить оружейный уран Индия и Пакистан. Есть своя программа обогащения урана у Северной Кореи, но изготавливают ли там ВОУ не известно. Возможно, производство ВОУ налажено также в Израиле.

К концу 20-го века в России накопилось ВОУ 1270 т., из них 500 т. были признаны избыточными, их было решено переработать в энергетический уран и сжечь в стандартных легководных реакторах. Эту работу проводили в рамках программы ВОУ-НОУ (HEU-LEU).

Замечание. Согласно совместному США — Россия проекту (программа Мегатонны в Мегаватты) советский оружейный ВОУ перерабатывался в НОУ и далее — в топливо реакторов американских АЭС. 18.02.1993 заключено межправительственное соглашение «Об использовании высокообогащенного урана, извлечённого из ядерного оружия» (Соглашение ВОУ-НОУ). Окончание проекта — конец 2013 г. Цель — переработка 500 т. ВОУ (90%^a35U) в 15 259 т. НОУ (4,4%²35Ц). 500 т. ВОУ — эквивалент 20 000 боеголовок, тротиловый эквивалент -10 000 мегатонн, электрический эквивалент 6-ю9 МВт-час — превратился в 15 000 т. НОУ, что означает замещение 152 000 т. естественного урана, поставляемого горнорудной промышленностью (двухгодовая мировая потребность в уране). Со своей стороны США объявило о переработке 174 т. ВОУ (различного обогащения): 14.2 т. в форме UFe обогащённого 75% ^23SU и 50 тонн в виде U0₂ или металла (40% ²³⁵U). В этот период ю% всей электроэнергетики США обеспечивались за счёт поставок из России. Всего разбавленного в России урана в США поставлено 150 000 т. на общую сумму $ 12 млрд. Соглашение по ВОУ — важная двусторонняя инициатива по нераспространению оружия массового уничтожения. Доходы от ВОУ предотвратили коллапс ядерного комплекса России в середине 1990;х. Соглашением явилось экономическим стимулом для ускорения вывоза ядерного оружия в Россию из других стран СНГ, благодаря чему к 1996 г. на всем постсоветском пространстве Россия осталась единственной ядерно-оружейной державой. Россия получила гарантированный сбыт своего топлива в США по демпинговым ценам. Российская обогатительная промышленность не только не деградировала, а получила мощный импульс для своего развития. Она продолжила обогащение урана дешёвым и производительным центрифужным способом, имея возможность вырабатывать 2500 т. реакторного U в год. В тоже время американская обогатительная промышленность оказалась в глубоком кризисе, т.к. собственная технология газовых центрифуг не была доведена до промышленного применения. Сейчас США не способны обеспечить дешёвым ураном свою ядерную энергетику.

Избыточный ВОУ разбавляют до НОУ. Серьёзной проблемой оказался выбор подходящего разбавителя. Дело в том, что большая часть российского ВОУ получена из переработанного урана (урана, облученного в промышленном реакторе для синтеза *39Ри). Этот уран содержит крайне нежелательные изотопы урана (²³²U, ²³⁴U и ²³⁶U), актиниды и другие химические примеси, что создаёт проблемы как по безопасности производства, так и по качеству топлива. Понижение концентрации примесей достигнуто посредством радиохимической обработки ВОУ, и использованием для разбавления ВОУ урана из отвалов с пониженным содержанием ²34U, повторно обогащенного до 1,5%. В принципе, разбавителем ВОУ, может быть как естественный, так и обеднённый уран. Но тогда концентрации ^23tUJ НОУ превысили бы требования ГОСТов для ядерного топлива. Поэтому предпочли использовать малообогащённый уран, рециклированный в процессе наработки оружейного плутония, содержащий 1,5 вес% ²³⁵U.

Замечание 1. В начале программы ВОУ-НОУ выяснилась, что у России после отделения Украины и Казахстана не хватает природного урана для разбавления ВОУ. Для обеспечения выполнения программы в 1999 г. правительство США убедило западных производителей природного урана — Сатесо (Канада), Areva (Франция), и Nukem (Германия) продать России 118 000 тонн природного урана.

Замечание 2. Россия повторно обогащает свои и зарубежные отвалы для производства разбавителя с обогащением 1,5%. Значительная часть затраченного при производстве НОУ из ВОУ уранового сырья компенсировалась встречными поставками из США в Россию природного урана (в виде UFe), поэтому в стоимости каждого поставляемого в США килограмма НОУ доля услуг по обогащению достигает 85%, и лишь 15% приходятся на продаваемую часть «природной составляющей» НОУ.

При разбавлении ВОУ используется UF6. Производство разбавителя включает: 8555 т обедненного U (0,25%) + 5,34 миллиона ЕРР —> 916,6 т.

1,5% НОУ (отвалы о, 1%). Разбавление ВОУ и степень обогащения: Зо т 93% ВОУ + 916.6 т 1,5% НОУ —> 946,6 т 4,4% НОУ = 5,52 миллиона ЕРР + 9 000 т природного урана. Основными этапами процесса являются размельчение, очистка и окисление оружейных компонентов. Оксид ВОУ фторируется в пламенных реакторах, полученный UFe конденсируется. Шлаки ВОУ, которые образуются при фторировании, отправляются обратно на установку окисления для извлечения ВОУ. Высокообогащенный UFe направляется в устройство с Т-образными трубами для смешивания с UF6, обогащенным до 1,5%. После смешивания образующийся НОУ в виде ОТб закачивается в устройство десублимации. Полученное НОУ (4,4%²³⁵U) загружается в баллоны для отправки в США.

Можно подвести итоги двадцатилетней деятельности по ядерному разоружению в рамках программы ВОУ-НОУ. По состоянию на 1991 г. у России и США было сосредоточено -95% мировых запасов оружейного плутония (260 т) и урана (2000 т): у СШАбоо т урана и -85 т плутония, у СССР -1200 т урана и -155 т плутония. За 20 лет Россия переработала 500 т оружейного урана, а США 201,2 т. Весь этот уран пошёл на топливо для легководных реакторов, обеспечив -12% мировой потребности в реакторном уране и 38% потребности в реакторном уране в США.

Замечание. В настоящее время практически весь оружейный уран по-прежнему находится у России и США. По состоянию на 2011 г. Америка располагала 260 т. ВОУ оружейного качества, а Россия ~6оо т. (по другим оценкам 8оо т) ВОУ. Сейчас по запасам ВОУ Россия — абсолютный мировой лидер, т.к. количество оружейного урана у других ядерных стран исчисляется десятками, а в некоторых случаях, как, например, у Индии, Израиля и Пакистана, единицами тонн.