Обогащённый уран — назначение и применение¶
Обогащённый уран — уран, содержащий повышенную по сравнению с природным содержание изотопа уран-235 (U-235). В природе доля U-235 составляет около 0,72 %, остальной объём приходится на уран-238. Для большинства практических применений U-235 доводят до 3–5 % (слабообогащённый уран, СОУ), до 10–20 % (среднеобогащённый) или выше 20 % (высокообогащённый уран, ВОУ). Обогащение необходимо потому, что в природном уране слишком мало U-235 для поддержания управляемой цепной реакции на тепловых нейтронах в большинстве типов реакторов.
¶Основное применение: ядерное топливо
Главное, для чего нужен обогащённый уран, — производство топлива для ядерных реакторов. В реакторах, работающих на обычной воде (ВВЭР, PWR, BWR), используется слабообогащённый уран с содержанием U-235 около 3–5 %. Топливо изготавливается в виде таблеток из диоксида урана (UO₂), которые помещают в герметичные оболочки из циркониевого сплава и собирают в топливные сборки. В России основные производители топливных сборок — предприятия топливного цикла «ТВЭЛ» (входит в «Росатом»).
В реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800 на Белоярской АЭС) применяется уран с обогащением 15–20 %, что позволяет реализовать замкнутый топливный цикл с многократным использованием плутония и урана-238. Канадские реакторы типа CANDU работают на природном уране, но это исключение, обусловленное специальным типом реактора.
¶Ядерное оружие
Высокообогащённый уран (содержание U-235 выше 90 %) применяется как fissile material в ядерном оружии. Для поддержания цепной реакции в оружейном устройстве необходимо сверхкритическое количество ВОУ — порядка 15–50 кг в зависимости от конструкции. Первое в мире ядерное оружие — «Little Boy», применённое США 6 августа 1945 года против Хиросимы, — работало именно на высокообогащённом уране. СССР создал первое своё ядерное устройство (РДС-1, 1949 год) на плутонии, однако позднее в советском и российском арсенале ВОУ широко используется в боеголовках, например в боевом блоке ракеты РС-12М «Тополь». Россия, США, Китай, Франция, Великобритания, Индия, Пакистан и Израиль располагают ядерными арсеналами, часть зарядов которых основана на ВОУ.
¶Морские и космические реакторы
Военный флот — ещё одна область применения. Атомные подводные лодки и авианосцы оснащены реакторами, работающими на высокообогащённом уране (обычно 30–96 % U-235). Высокое обогащение позволяет уменьшить размеры и массу реактора при сохранении длительного запаса топлива. Советские и российские АПЛ традиционно используют ВОУ с обогащением около 30–40 % (например, реакторы ОК-650). В США после соглашений о сокращении вооружений часть военных реакторов переведена на уран с обогащением ниже 20 %.
В космической энергетике обогащённый уран применяется в космических энергетических установках (КЭУ) и ядерных ракетных двигателях. Советские КЭУ «Топаз» работали на уране с обогащением около 90 %.
¶Медицина и наука
Слабообогащённый и среднеобогащённый уран используется в исследованиях, для производства изотопов, а также в качестве источников нейтронов. В некоторых странах ВОУ применяется в медицинских установках для нейтронно-захватной терапии.
¶Технология обогащения
Для получения обогащённого урана применяются два основных промышленных метода:
- Газовая центрифуга — основной метод в России и большинстве стран. Гексафторид урана (UF₆) помещают в быстро вращающиеся роторы, в которых изотопы разделяются по массе. Россия — мировой лидер по этому методу, «Росатом» (через «Технопромэкспорт» и «ULBA») обогащает около 40 % мирового рынка обогащённого урана.
- Газовая диффузия — устаревший энергоёмкий метод, ранее применялся в США (завод в Портсмуте, Огайо) и Франции, ныне не используется.
¶Международный контроль
Обогащение урана находится под строгим международным контролем. Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО, 1968) обязывает государства использовать ядерные материалы только в мирных целях, а МАГАТЭ осуществляет инспекции. Программа обогащения Ирана вызвала международную критику, поскольку технология обогащения до 20 % и выше имеет двойное назначение. Россия выступает за многосторонний контроль и предоставляет услуги по обогащению, включая создание международного центра в Ангарске.
¶Экология и обращение с отработавшим топливом
Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) содержит остаточный уран, плутоний и продукты деления. В России ОЯТ подвергается переработке на комбинате «Маяк» (г. Озёрск, Челябинская область), где извлекается уран и плутоний для повторного использования. Слабообогащённый уран после переработки может снова направляться на производство топливных сборок.
Источники:
- Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — официальные материалы
- МАГАТЭ (IAEA) — публикации по ядерному топливному циклу
- С. А. Подоленко, «Ядерное оружие: история и проблемы нераспространения»
- А. Ю. Смирнов, «Физика ядерных реакторов»
- Энциклопедия «Атомная энергия», журналы «Атомная энергия» и «Ядерная физика»