Высокообогащённый уран

Высокообогащённый уран — это уран, в котором содержание изотопа уран-235 (²³⁵U) искусственно повышено до уровня 20 % и более. Относится к категории делящихся материалов, способных поддерживать цепную ядерную реакцию деления. Используется в качестве топлива для ядерных реакторов различных типов (в первую очередь исследовательских и судовых), а также в ядерном оружии. В зависимости от степени обогащения различают оружейный (обычно 80–93 % ²³⁵U) и реакторный (20–60 % ²³⁵U) высокообогащённый уран. Производство и обращение с ним строго контролируются международными организациями, в первую очередь Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), из-за риска распространения ядерного оружия.

История

Открытие и первые исследования

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: ²³⁸U (около 99,27 %) и ²³⁵U (около 0,72 %). Именно ²³⁵U является единственным природным изотопом, способным к делению под действием медленных нейтронов. В 1939 году, после открытия деления ядра, стало ясно, что для создания цепной реакции в уране необходимо повысить концентрацию ²³⁵U. Первые попытки обогащения урана были предприняты в рамках Манхэттенского проекта (США, 1942–1945 годы). К 1945 году были разработаны два основных метода: электромагнитное разделение (калютрон) и газовая диффузия. Первый образец оружейного урана (обогащение около 80 %) был получен в 1945 году.

Холодная война и гонка вооружений

В 1949 году в СССР был запущен первый промышленный газодиффузионный завод по обогащению урана (г. Новоуральск). К 1950-м годам СССР и США наработали значительные запасы высокообогащённого урана для ядерных боезарядов. В 1954 году в СССР была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция (Обнинская АЭС), работавшая на уране с обогащением до 5 %, но для исследовательских реакторов и подводных лодок продолжали использовать высокообогащённый уран (до 90 %). В 1960-х годах началось активное использование высокообогащённого урана в космических программах (например, в советских спутниках серии «УС» и американских SNAP-10A).

Современный период

После окончания Холодной войны (1991 год) начались процессы сокращения запасов оружейного урана. В 1993 году между США и Россией была подписана программа «ВОУ-НОУ» (высокообогащённый уран — низкообогащённый уран), в рамках которой к 2013 году 500 тонн российского оружейного урана (эквивалент 20 000 ядерных боезарядов) были переработаны в низкообогащённый уран для американских АЭС. В 2000-х годах усилились международные усилия по минимизации использования высокообогащённого урана в гражданском секторе. В 2016 году МАГАТЭ приняло резолюцию, призывающую к постепенному отказу от высокообогащённого урана в исследовательских реакторах.

Классификация

По степени обогащения

• Оружейный уран (weapon-grade uranium) — обогащение от 80 % до 93 % ²³⁵U. Оптимален для создания ядерных боеприпасов из-за высокой вероятности деления и компактности критической массы (около 15–25 кг для чистого ²³⁵U). В военных программах СССР и США использовался уран с обогащением 90–93 %.
• Реакторный высокообогащённый уран — обогащение от 20 % до 60 %. Применяется в исследовательских реакторах, судовых (подводные лодки, ледоколы) и космических ядерных установках. Например, в российских реакторах типа ВВЭР-1000 используется уран с обогащением до 4–5 %, а в реакторах подводных лодок — до 20–45 %.
• Пороговый высокообогащённый уран — обогащение от 20 % до 20,5 %. Формально относится к высокообогащённому, но на практике может использоваться для производства низкообогащённого урана (до 20 %) путём смешивания.

По происхождению

• Первичный — полученный непосредственно на обогатительных заводах из природного урана.
• Вторичный — выделенный из отработавшего ядерного топлива (рециклинг). В России и Франции практикуется извлечение урана из отработавшего топлива с последующим дообогащением.

Технологии обогащения

Газодиффузионный метод

Основан на разной скорости диффузии газообразного гексафторида урана (UF₆) через пористые мембраны. Лёгкие молекулы с ²³⁵U проходят быстрее. Требует тысяч последовательных стадий (каскадов). Был основным методом в СССР и США до 2010-х годов. Энергоёмкость — около 2500–3000 кВт·ч на единицу работы разделения (ЕРР). В настоящее время вытесняется центробежным методом.

Газоцентробежный метод

Использует высокоскоростные центрифуги (до 70 000 об/мин), в которых под действием центробежной силы более тяжёлые молекулы с ²³⁸U отбрасываются к стенке, а лёгкие с ²³⁵U концентрируются в центре. Энергоёмкость — 40–60 кВт·ч на ЕРР. В России (Росатом) и ряде других стран (Франция, Китай) является основным методом. Российские центрифуги типа «Т-12» и «Т-14» считаются одними из самых эффективных в мире.

Лазерное разделение

Экспериментальные методы (например, SILVA, AVLIS) основаны на селективной ионизации атомов ²³⁵U лазером с последующим электромагнитным извлечением. Промышленного применения не получили из-за высокой сложности и стоимости.

Применение

Военное применение

Высокообогащённый уран используется в ядерных боеприпасах (ядерные боеголовки, авиабомбы, артиллерийские снаряды). В ядерном оружии применяется как в чистом виде (урановые бомбы), так и в комбинации с плутонием (бустерные заряды). В России и США основным материалом для ядерных боезарядов является оружейный плутоний, однако высокообогащённый уран используется в термоядерных зарядах как оболочка и в тактических ядерных боеприпасах. Также применяется в бронебойных снарядах (обеднённый уран, но с примесью высокообогащённого для повышения плотности).

Гражданское применение

• Исследовательские реакторы — для получения нейтронных пучков в научных целях (например, в российских реакторах ИРТ-Т, ИР-8).
• Судовые реакторы — на атомных подводных лодках (АПЛ) и ледоколах. В России все АПЛ и ледоколы (например, «Таймыр», «Ямал») используют высокообогащённый уран (20–45 %).
• Космические ядерные установки — для электропитания спутников и зондов (например, российские «Топаз», «Бук»).
• Медицина — производство радиоизотопов (например, технеций-99m) в реакторах на высокообогащённом уране.

Риски и нераспространение

Ядерное распространение

Высокообогащённый уран является прямым материалом для создания ядерного оружия. По оценкам МАГАТЭ, для изготовления простейшей ядерной бомбы достаточно 25 кг урана с обогащением 90 %. В связи с этим международное сообщество (Договор о нераспространении ядерного оружия, 1968 год) ограничивает производство и передачу высокообогащённого урана. Россия, как государство, обладающее ядерным оружием, входит в «ядерную пятёрку» (США, Россия, Китай, Франция, Великобритания) и имеет право на его производство, но обязана соблюдать гарантии МАГАТЭ.

Инциденты и утечки

Известны случаи хищения высокообогащённого урана: в 1994 году в Германии была задержана партия в 200 г урана, похищенного с российского завода. В 2000-х годах в Грузии и Молдавии были пресечены попытки контрабанды обогащённого урана. В 2016 году в США была зафиксирована утечка 0,5 кг урана с завода в Теннесси.

Сокращение запасов

В рамках программы «ВОУ-НОУ» (1993–2013) Россия переработала 500 тонн оружейного урана в низкообогащённый, что эквивалентно 20 000 ядерных боезарядов. В США аналогичная программа (MOX) не была реализована в полном объёме. В 2020-х годах Россия продолжает сокращать запасы высокообогащённого урана для гражданских целей, но сохраняет его для военных нужд.

Регулирование в России

В Российской Федерации обращение с высокообогащённым ураном регулируется:

• Федеральным законом «Об использовании атомной энергии» (1995 год).
• Федеральным законом «О государственном регулировании в области ядерной и радиационной безопасности» (1996 год).
• Постановлениями Правительства РФ о лицензировании деятельности с делящимися материалами.
• Контроль со стороны Ростехнадзора и МАГАТЭ (в рамках гарантий).

Все предприятия по обогащению урана (например, Уральский электрохимический комбинат в Новоуральске, Сибирский химический комбинат в Северске) находятся под государственной охраной и международными инспекциями.

Интересные факты

• Для получения 1 кг оружейного урана (90 %) требуется переработать около 200 тонн природного урана.
• Первая в мире ядерная бомба «Тринити» (1945 год) содержала плутоний, а не уран, но урановая бомба «Малыш» (Хиросима) использовала 64 кг урана с обогащением 80 %.
• В России существует единственный в мире завод по переработке оружейного урана в низкообогащённый — на Уральском электрохимическом комбинате.
• В 2019 году МАГАТЭ сообщило, что в мире насчитывается около 1300 тонн высокообогащённого урана, из которых 85 % приходится на Россию и США.

Источники

• Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). «Годовые отчёты по гарантиям» (2010–2023).
• Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор). «Правила ядерной безопасности» (2019).
• Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), 1968 год.
• Программа «ВОУ-НОУ»: соглашение между Правительством РФ и Правительством США от 1993 года.
• «Уран: обогащение и применение» / под ред. А. А. Борового. — М.: Атомиздат, 2015.
• Отчёт МАГАТЭ «Minimization of Highly Enriched Uranium in Civilian Research Reactors» (2016).