5.4. Изготовление ядерного топлива.
5.4.1. Обогащение природного урана по изотопу уран-235.
Большинство реакторов, прежде всего, наиболее распространенные легководные реакторы (LWR), не могут работать на природном уране (использовать необогащенный уран могут только канадские реакторы с тяжеловодным замедлителем типа CANDU). Содержание изотопа U-235 в смеси урана для его использования в качестве ядерного топлива для энергетических реакторов должно быть увеличено, приблизительно, до 3 - 5 процентов.
Процесс увеличения доли урана-235 в смеси природного урана называется обогащением урана. Перед обогащением происходит преобразование окиси урана в гексофторид урана (UF6). Гексофторид урана – единственное легколетучее соединение урана, применяемое для промышленного разделения изотопов урана. В обычных условиях это белое кристаллическое вещество, возгоняющееся при нормальном давлении без плавления. Уникальность этого соединения состоит в том, что фтор имеет единственный стабильный изотоп (19F), поэтому молекулярные массы гексофторида различаются только по массам урана, что имеет решающее значение для разделения изотопов. В ином случае, для разделения изотопов урана пришлось бы работать с его парами, существующие при температурах более 3800 ºС. В этом случае возможен процесс лазерной сепарации изотопов, который пока не нашел промышленного применения.
Для получения UF6 в качестве сырья используются закись окись урана (U3O8), водород и и плавиковая кислота (HF). После этого UF6 попадает на обогатительные заводы, на которых происходит увеличение концентрации изотопа U-235. В этом процессе приблизительно 85 % естественного уранового топлива отбрасывается как "обедненный уран" или как "отходы" (главным образом U-238), которые потом закладываются на длительное хранение. Таким образом, после обогащения приблизительно 15 % от первоначального количества представляет собой обогащенный уран, содержащий, приблизительно, 3.5-5 процентов изотопа U-235, остальная масса представляет так называемой «отвальный» уран.
Методы обогащения основаны на использовании разности в массах атомов U-235 и U-238. Первоначально для обогащения урана применялись метод электромагнитного разделения изотопов и процесс газовой диффузии, при котором газообразный UF6 пропускается через длинный ряд мембранных барьеров, которые позволяют молекулам, содержащим U-235, преодолевать их быстрее чем, молекулам, содержащим U-238. В последствие, электромагнитный метод из-за малой экономичности перестал применяться.
Диффузионный метод обогащения основывается на различии скоростей теплового движения молекул изотопных веществ. Средняя квадратичная скорость теплового движения молекул (w)конкретного изотопа определяется по формуле:
(5.3)
Где R - универсальная газовая постоянная, Т – температура среды в К, М- молекулярная масса газа.
Суть метода состоит в том, что лёгкие молекулы продифундируют через пористую перегородку быстрее тяжёлых, так как скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса. В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую.
Коэффициентом разделения α при диффузии газа через пористую перегородку называется относительное увеличение концентрации газа, продиффундировавшего через перегородку, к его исходной концентрации и определяется, исходя из формулы (5.3) следующим выражением
ɑ
=
, (5.4)
где М- масса тяжелой компоненты (238UF6 ), м- масса легкой компоненты (235UF6 )
Максимальное (теоретическое) значение α для гексафторида урана, основанное на различии средних скоростей теплового движения без учета влияния каких либо иных факторов составляет 1,00429.
Основная проблема газовой диффузии – создание эффективных пористых перегородок. Перегородка должна быть тонкой (доли миллиметра), прочной, выдерживать перепады давления и вибрации. В качестве материала для создания перегородок использовали никелевый порошок, листовой алюминий, тефлон. Разделительные перегородки на специальных заводах собирают в последовательные каскада, где общая площадь пористых перегородок составляет более 1 млн. м2 (см. рис.5.8).
Рис.5.8. Схема каскада для разделения изотопов.
Коэффициент разделения зависит от вида изотопов, а так же от метода и условия разделения, но не зависит от концентрации изотопов, поэтому коэффициент разделения одинаков для всех ступеней. На одной перегородке, как отмечено выше можно достигнуть теоретического значения коэффициента разделения не более чем 1,0043, что является весьма незначительной величиной. Особенностью диффузионной технологии разделения является высокая энергоемкость для обеспечения перекачки больших потоков тяжелого газа.