какие страны обогащают уран
Равных России в сфере обогащения урана пока в мире нет
Оригинал взят у 
arctus
* * *
Добыть природный уран — это полдела. Для того чтобы он мог работать в реакторе, давая энергию, его нужно обогатить. То есть увеличить в нем содержание изотопа U235 примерно в пять раз. А это занятие очень и очень непростое, поскольку U235 от своего полного химического «родственника» U238 отличается совсем чуть-чуть — всего тремя нейтронами из имеющихся в ядре более чем двухсот тридцати.
Известны три способа обогащения урана. Причем все они требуют использования урана в виде газообразного соединения с минимумом «лишних» атомов в молекуле. Наиболее удобным из таких соединений оказался гексафторид, в котором «тяжелый» атом урана соединен с шестью «легкими» атомами фтора, и который превращается в газ при температуре 56,5°С.
Первый способ обогащения — газодиффузионный. В нем гексафторид урана «продавливается» через мелкопористую среду, и в результате более легкие молекулы с U235 «забегают вперед», накапливаясь во фронтальной части газодиффузионной колонны.
Второй способ обогащения — газоцентрифужный. В нем гексафторид урана поступает во вращающуюся с большой скоростью центрифугу, и в ней более легкие молекулы с U235 накапливаются ближе к оси вращения, а более тяжелые молекулы с U238 «отбрасываются» к стенкам и удаляются.
Третий способ (который пока не вышел из опытно-производственной стадии) — лазерно-электростатический. В нем лазерное излучение с очень точно подобранным уровнем энергии избирательно «выбивает» электроны из атомов U235 в гексафториде, превращая их в положительно заряженные ионы. А далее эти ионы «прилипают» к отрицательному электроду обогатительной установки.
Сложно? На самом деле гораздо сложнее, чем здесь написано. И не только сложно, но еще и весьма дорого. А потому стран, которые имеют собственные мощности обогащения урана, в мире всего 15. В алфавитном порядке: Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Бельгия, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония. Причем у России — 40% мировых мощностей обогащения урана, у США — 20%, у Франции — 15%, у Германии, Великобритании и Бельгии вместе — 22%, у остального мира — всего 3%.
Однако для нашей темы важнее другое.
Поскольку на первых стадиях «ядерной гонки» между Западом и СССР главным вопросом были бомбы, сфера обогащения урана была строго засекречена. И если Запад (прежде всего, США) пошел по линии газодиффузионного обогащения, то СССР — по пути центрифуг.
Разделяй и властвуй
Любая страна, претендующая на статус ядерной державы, ставит первостепенной задачей овладение технологией промышленного обогащения урана. А это вопрос по известным причинам весьма деликатный. Недаром картинки, более или менее близкой к реальной конструкторской документации на соответствующее оборудование, в открытых источниках не найти. Куда легче обнаружить схему образца какой-нибудь водородной бомбы, чем настоящей газовой центрифуги.
Урана в земной коре маловато — где-то 2,5–2,9 десятитысячных процента. Причём способного к спонтанному делению урана 235 в природном сырье всего 0,711%. А для запуска реактора атомной электростанции необходимо, чтобы этого изотопа в ядерном топливе было 3–5%. В оружейном уране степень обогащения увеличивают до 90% и даже более.
Каким образом? Путём разделения исходного сырья, в котором доминирует уран 238, на «продукт» — фракцию, обогащённую ураном 235, и обеднённый «отвал». «Продукт» называется высокообогащённым, если содержит свыше 20% урана 235, низкообогащённым — если менее. В отвальном уране доля изотопа на уровне 0,3% и ниже.
СУММА ТЕХНОЛОГИИ
Процесс обогащения по сложности вполне можно сравнить с обнаружением иголки в стоге сена. Для определения его эффективности придуман особый показатель — единица разделительной работы (ЕРР). Это математическая функция, связывающая массу поступившего на переработку урана со степенью его конечного обогащения.
Для наработки низкообогащённого ядерного топлива, достаточного для загрузки одного тысячемегаваттного водо-водяного реактора АЭС, нужно задействовать до 100–120 тыс. ЕРР, зато для получения 20 кг высокообогащённого урана оружейной кондиции — в 30 раз меньше.
Прежде чем приступить к разделению изотопов урана, надо получить некий «урановый газ». Именно на разном поведении молекул газа неодинаковой массы основаны два самых распространённых метода обогащения урана — газодиффузионный и центрифужный. Таким газообразным соединением урана является его гексафторид — UF6. Он вырабатывается взаимодействием соединений урана (полученных из урансодержащей руды) с фторирующими агентами, например плавиковой кислотой.
Гексафторид урана — твёрдое вещество, которое легко переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, всего при 56 градусах. Это и есть тот самый «урановый газ», используемый в качестве сырья — специалисты называют его «питанием» — при обогащении урана газовой диффузией и центрифугированием.
Метод газовой диффузии основан на способности «лёгких» молекул гексафторида урана 235 проникать через специальные перегородки с микропорами быстрее, чем такие же молекулы, но «тяжёлые», с ураном 238. При центрифугировании же «тяжёлые» молекулы собираются у стенок ротора центрифуги, а «лёгкие» — у его оси. Поскольку речь идет об «иголке в стоге сена», то количество газодиффузионных и центрифужных обогатительных машин весьма велико. Они объединены в каскады, а те, в свою очередь, состоят из ступеней таких машин. Обогащающийся по 235 му изотопу уран последовательно переходит из ступени в ступень.
К примеру, к середине 2008 года на обогатительном заводе в иранском городе Натанзе эксплуатировалось порядка 4 тыс. газовых центрифуг общей мощностью до 9 тыс. ЕРР. И это вовсе не много: более мощные урановые газоцентрифужные заводы оперируют десятками, а то и сотнями тысяч центрифуг.
Газодиффузионные технологии пришлись по вкусу американцам и французам, а на центрифужном процессе — он куда экономичнее — базируется российская промышленность обогащения урана. Можно констатировать, что русская газовая центрифуга стала национальным брендом сродни атомным ледоколам, тульскому самовару и автомату Калашникова.
КАК ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ
Нужно сказать, отличающиеся профессиональной пытливостью зарубежные организации вроде ЦРУ и не чуждых ему «фабрик мысли» типа американской же корпорации RAND питали понятный интерес к обогащению урана в СССР. Однако железобетонный занавес секретности, сшитый по конспирологическим выкройкам ещё товарища Лаврентия Берии, оказался столь эффективным, что США сами же признавались в огромных погрешностях собственных оценок, связанных с этой темой.
А как же было на самом деле? Новая информационная эпоха, начало которой положила горбачёвская гласность, позволила заглянуть за упомянутый выше железобетонный занавес не только зарубежным аналитикам, тут же приступившим к работе над своими грубыми ошибками, но и любопытным гражданам страны лучших в мире (и это уже без всякой иронии) газовых центрифуг.
Работы по проблеме обогащения урана в рамках Атомного проекта начались в 1945 году. Газодиффузионная тематика, на которой был сделан упор с учётом сведений, добытых в США советской разведкой, велась под руководством Исаака Кикоина. Кроме того, исследовались возможности разработки электромагнитных и термодиффузионных технологий разделения изотопов урана.
Созданием первых газодиффузионных машин занимались опытно-конструкторские бюро Ленинградского Кировского и Горьковского машиностроительного заводов. Работы велись ударными темпами, свойственными Атомному проекту. В 1949 году на комбинате № 813, ныне известном как Уральский электрохимический комбинат (город Новоуральск, он же когда-то Свердловск 44), начал действовать первый в СССР газодиффузионный завод Д 1. Здесь смонтировали 7040 ураноразделительных машин суммарной мощностью 7,5 тыс. ЕРР. В 1950–1957 годах в Новоуральске вступили в строй ещё четыре более мощных обогатительных завода — Д 3, Д 4, СУ 3 и Д 5.
ВПЕРЕДИ ПЛАНЕТЫ ВСЕЙ
Уже в 1950 году на заводе Д 1 научились обогащать уран до 90%, надобность в дообогащении в Свердловске 45 отпала. Тамошнюю установку СУ 20 приспособили для производства других изотопов — уже не урановых, а площадки, предназначенные для электромагнитного обогащения урана, передали под сборку ядерных боеприпасов. Кстати, электромагнитный способ обогащения урана в 1980 е годы пытались реализовать в Ираке — здесь незадолго до нападения на Кувейт начали строительство обогатительной установки в районе Тармия севернее Багдада. В целом электромагнитный метод малоперспективен из-за значительных энергозатрат.
Обогащение урана методом газовой диффузии было также начато в 1953 году на комбинате № 816 в Томске 7 (сейчас Сибирский химический комбинат, Северск), а в течение 1957–1963 годов вышло на полную мощность газодиффузионное производство Д 8 на комбинате № 820 в Ангарске (Ангарский электролизный химический комбинат). В 1962 году вступил в строй электрохимический завод в Красноярске 45 (Зеленогорск), где также применялся газодиффузионный метод обогащения урана.
В начале 1960 х годов в Советском Союзе было решено перейти на центрифужную технологию — более прогрессивную, нежели газодиффузионная. Начало её разработки относится к 1946 году — тогда над этим трудились в Сухумском физико-техническом институте. Через пять лет работы были продолжены в ОКБ Ленинградского Кировского завода, что позволило уже в 1961 году ввести в эксплуатацию на Уральском электрохимическом комбинате опытный участок с 2,5 тыс. газовых центрифуг.
Эксплуатация продемонстрировала технико-экономические преимущества центрифужного обогащения урана, и в 1962–1964 годах в Новоуральске построили первый в мире центрифужный завод. В 1988 году на Уральском электрохимическом комбинате было окончательно прекращено использование газодиффузионного метода. Перешли на центрифуги и на Сибирском химическом комбинате, а также на электрохимическом заводе в Зеленогорске. А вступление в строй первой очереди центрифужного обогащения в Ангарске в 1991 году совпало по времени с полным отказом СССР от газодиффузионной технологии. Так что американцы серьёзно ошибались с характеристикой советского уранообогатительного комплекса.
Производство высокообогащённого оружейного урана в СССР было прекращено ещё в 1988 году, и все отечественные обогатительные заводы были переориентированы на производство урана для энергетических реакторов — наземных и морских. Половина российских обогатительных мощностей приходится на Уральский электрохимический комбинат. Здесь, по оценкам экспертов, сосредоточено около 10 млн. ЕРР.
Существующие сегодня в мире мощности обогащения урана оцениваются в 50 млн. ЕРР, из них 20 млн. — наши, считают специалисты. Собственные данные Россия не раскрывает. Отечественная урановая промышленность находится на ведущих позициях. И это один из приоритетов, которые определяют конкурентоспособность страны на международном рынке ядерных технологий. Завоевание новых секторов этого рынка входит в число стратегических задач русского атома.
Константин ЧУПРИН,
«Страна РОСАТОМ»
СПРАВКА
Крупнейшими мощностями по обогащению урана кроме России располагают европейские консорциумы Eurodif (Бельгия, Испания, Италия, Франция) и URENCO (Великобритания, Германия, Нидерланды), а также компании США и Японии. Технологиями обогащения урана владеют Аргентина, Бразилия, Израиль, Индия, Иран и Пакистан.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Разделение молекул с атомами разных изотопов урана происходит в гексафториде урана (UF6) — газообразном соединении, которое получают из урановой руды.
Гексафторид подаётся во внутреннюю полость ротора центрифуги через трубопровод питания и поступает в пространство возле оси ротора. При вращении с огромной скоростью за счёт центробежной силы газ начинает разделяться на «тяжёлую» и «лёгкую» фракции. При этом «тяжёлые» молекулы урана 238 собираются на периферии, а «лёгкие» молекулы урана 235 — в центре.
С помощью специальных приёмов в центрифуге создаётся поток циркулирующего газа в осевом направлении, в результате чего молекулы, содержащие уран 235, сосредотачиваются в нижней части ротора, а молекулы, содержащие уран 238, — в верхней. Вывод потоков газа с разными изотопами осуществляется с помощью особых трубок, установленных в роторе. Их соединяют последовательно в цепочку, называемую разделительным каскадом.
Вторая жизнь урана: что делают в современном мире с отработанным ядерным топливом
Атомная энергетика — одна из самых экологичных с точки зрения выбросов углекислого газа: за 1 кВт⋅ч атомные электростанции выбрасывают всего 12 г СO2. Для сравнения, у природного газа этот показатель составляет 490 г/кВт⋅ч, а у угля — 820 г/кВт⋅ч. Однако атомных электростанций до сих пор не слишком много — в первую очередь, потому что вопрос, что делать с отработанным ядерным топливом, остается нерешенным. Общественное восприятие, часто основанное на мифах, заключается в том, что мы понятия не имеем, что делать с ядерными отходами. «Хайтек» рассказывает, какие технологии утилизации ядерного топлива существуют, какие страны хранят такие отходы и как избегают утечек — таких, как на Фукусиме и в Чернобыле.
Читайте «Хайтек» в
Почему атомная энергетика экологична?
По сравнению с электрогенерирующими установками, работающими на ископаемых или возобновляемых видах топлива, атомные электростанции имеют очень легкий углеродный след. Например, при сжигании биомассы выделяется 230 г CO2 за кВт⋅ч, при добыче электричества с помощью гидростанций — 24 г CO2 за кВт⋅ч, и только 12 г CO2 за кВт⋅ч при добыче электричества на атомной станции.
Какое отработанное топливо подлежит переработке?
Существующие на данный момент 440 ядерных энергетических реакторов, работающих по всему миру, производят примерно 10 500 т отработанного топлива в год. Во время производства энергии потребляется только приблизительно 5% урана, а также генерируются побочные продукты, такие как плутоний. Как и оставшийся уран, плутоний подлежит переработке.
В тепловом реакторе нейтроны, которые формируются довольно быстро, замедляются за счет взаимодействия с соседними атомами с низким атомным весом, такими как водород в воде, которая протекает через активную зону реактора. Все, кроме двух из 440 действующих коммерческих ядерных реакторов, являются тепловыми, и большинство из них используют воду как для замедления нейтронов, так и для передачи тепла, которое возникает в процессе распада, в электрические генераторы. Большинство этих тепловых систем — то, что инженеры называют легководными реакторами.
В атомных реакторах используются два изотопа урана — менее распространенный уран-235 и более распространенный уран-238. Обычные реакторы в основном расщепляют уран-235 для выработки энергии, а уран-238 в чистом виде часто считается бесполезным. Так, когда в стандартном реакторе заканчивается уран-235 — это происходит примерно через три года после начала использования, — его дозаправляют, даже если в нем еще много урана 238.
Когда сотрудники АЭС удаляют отработанное топливо, в нем остается около 95% от его первоначальной энергии — другими словами, используется только 5% его энергии. Только около одной десятой добытой урановой руды превращается в топливо в процессе обогащения (во время которого концентрация урана-235 значительно увеличивается), поэтому для выработки электроэнергии используется менее одной сотой от общего энергосодержания материала.
Большую часть (около 94%) отработанного ядерного топлива составляет уран-238, который не делится. Этот компонент является лишь слегка радиоактивным (по сравнению с другими продуктами распада — цезием-137 и стронцием-90) и, будучи отделен от продуктов деления и остальной части материала в отработанном топливе, может быть легко сохранен для будущего использования на слабо защищенных объектах.
Уран-238 также называют расщепляющимся, потому что он иногда распадается при попадании быстрого нейтрона. Он еще называется фертильным, потому что, когда атом урана-238 поглощает нейтрон без расщепления, то превращается в плутоний-239, который, как и уран-235, является делящимся и может поддерживать цепную реакцию. Он и подлежит переработке.
Ядерное топливо представляет собой герметичный контейнер из сплавов циркония или стали, в который помещены таблетки с ураном. Когда топливо переходит в разряд отработанного, его извлекают из реактора и путем химического разделения сортируют на бесполезные элементы и вещества, которые можно использовать повторно.
Пиропереработка основана на гальванизации — использовании электричества для сбора на проводящем металлическом электроде металла, извлеченного в виде ионов из химической ванны. Этот процесс проводится при очень высоких температурах.
Как с ядерным топливом поступают разные страны?
К настоящему времени по всему миру переработано около 100 тыс. т (из 290 тыс. т произведенного) отработанного топлива коммерческих энергетических реакторов. Годовая мощность переработки в настоящее время составляет около 5 тыс. т в год.
В частности, переработкой ядерных отходов занимаются Великобритания, Россия и Япония — их коммерческая перерабатывающая мощность составляет 600, 400 и 800 т в год соответственно. Ожидается, что в период с 2010 по 2030 годы в мире будет произведено около 400 тыс. т отработанного ядерного топлива, в том числе 60 тыс. т в Северной Америке и 69 тыс. т в Европе.
Процесс рециркуляции во Франции выглядит так: отработанный уран с электростанций отправляется на два перерабатывающих завода — UP-2 и UP-3, расположенных на мысе Ла Аг. Там в течение трех лет он находится в деминерализованной воде, после чего отделяется для переработки в оксидное топливо.
Ядерные отходы, которые не подлежат переработке, помещаются в специальные резервуары из стекла цилиндрической формы. В будущем правительство планирует построить глубокое подземное хранилище для этих отходов.
Заводы для переработки ядерного топлива также существуют в Великобритании (Thorp) и Японии (предприятия в Роккасе-Мура и Токае-Мура).
Как обстоят дела в России?
Сейчас в России работают десять стационарных атомных электростанций и одна плавучая — «Академик Ломоносов». Годовая выработка энергии атомными электростанциями в России, по данным Росатома, составляет 204,275 млрд кВт⋅ч — это около 18,7% всей электроэнергии, производимой в стране. В госкорпорации отмечают, что этого достаточно, чтобы обеспечивать электричеством Москву и Московскую область примерно в течение двух лет.
В России уже накоплено около 20 тыс. т собственного отработанного ядерного топлива — при перерабатывающей коммерческой мощности в 400 т в год. Единственным предприятием, на котором ведется переработка отработанных ядерных отходов, является РТ-1 на ПО «Маяк» — предприятии в закрытом городе Озерск в Челябинской области.
Второе предприятие РТ-2, в горно-химическом комбинате в Красноярском крае, долгое время находилось в стадии замороженного строительства. На нем планировали организовать хранение отработанного ядерного топлива реакторов АЭС, его переработку и производство нового ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах. В 2018 году на РТ-2 провели тестовую переработку отработанного ядерного топлива с нескольких российских АЭС.
Срок службы существующих тепловых реакторов в России (к этому типу принадлежат восемь из десяти стационарных АЭС) в ближайшем будущем завершится. Если их заменят быстрыми реакторами, отработанные ядерные отходы станет проще и безопаснее перерабатывать, потребность в добыче новой урановой руды, запасы которой ограничены, почти исчезнет. А благодаря рециркуляции топлива использовать существующие запасы можно будет еще очень долго.
Почему атомная энергетика безопасна?
В истории гражданской ядерной энергетики произошло три крупных аварии на реакторах — на АЭС, расположенных на острове Три-Майл, в Чернобыле и Фукусиме. Это единственные крупные аварии, произошедшие за более чем 17 тыс. совокупных реакторных лет промышленной эксплуатации атомной энергии в 33 странах.
С 1990-х годов новые реакторы строятся по международным правилам — при проектировании АЭС инженеры стремятся к большей стандартизации конструкции, а объекты находятся под надзором регулирующих органов.
Стандартизация предполагает принятие положения по безопасности, которое планирует строительство нескольких физических барьеров между активной зоной реактора и окружающей средой, а также несколько систем безопасности, которые дублируют друг друга. Это позволит избежать человеческой ошибки. Сейчас системы безопасности составляют около четверти капитальных затрат на строительство реакторов.
Атомная энергетика сможет удовлетворить долгосрочные потребности человечества в энергии при условии крайне низкого влияния на окружающую среду. Однако для продолжения широкомасштабного устойчивого производства атомной энергии поставки ядерного топлива должны продолжаться в течение длительного времени. В условиях ограниченных запасов ископаемого топлива перспективы производства атомной энергии и переработки ядерного топлива выглядит очень привлекательными.
6 крупнейших компаний по добыче урана в мире
Металлический уран и его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций.
В 2017 году крупнейшие компании по добыче урана добыли 86% всего добытого в мире урана согласно данным Всемирной ядерной ассоциации.
Основными добывающими уран странами являются Казахстан, Канада и Австралия: на них приходится две трети мировой добычи.
Ниже мы расскажем о крупнейших компаниях по добыче урана в мире.
АО «НАК «Казатомпром»
АО «НАК «Казатомпром» является национальным оператором Республики Казахстан по импорту–экспорту урана, редких металлов, ядерного топлива для атомных электрических станций. Начиная с 2009 года Казахстан является мировым лидером по добыче природного урана.
В 2017 году добыча урана составила 12 488 тонн, что составляет 21% от мирового объема добычи.
Активы национальной атомной компании включают в себя весь комплекс предприятий, задействованных в цепочке производства конечной продукции — от геологоразведки, добычи урана, производства продукции ядерного топливного цикла до науки, социального обеспечения и подготовки кадров.
Cameco — канадская горнорудная компания, один из крупнейших производителей урана в мире. На месторождении McArthur River компания Cameco добывала около 14-13% мировой добычи урана, еще 3% — на шахте Rabbit Lake.
В 2017 году компания добыла 9 155 тонн урана, что составило 15% от мирового объема добычи.
На данный момент компания добывает уран на 4 шахтах (2 в Канаде и 2 в США). Также Cameco разрабатывает рудник по способу подземного скважинного выщелачивания в Казахстане.
Orano — крупная международная французская промышленная компания, лидер атомной промышленности Франции.
В 2017 году компания добыла 8 031 тонну урана, что составляет 13% мировой добычи урана.
Основные направления деятельности ОRANO S.A. связаны с ядерной энергетикой: добыча урана, переработка и обогащение урана, изготовление топливных сборок, транспортировка ядерного топлива, обращение с радиоактивными отходами, переработка отработавшего ядерного топлива, вывод из эксплуатации ядерных объектов.
В апреле 2017 года Orano подписала соглашение о стратегическом сотрудничестве с «Казатомпромом», в рамках которого компании укрепляют сотрудничество в области добычи урана в Казахстане.
Uranium One — уранодобывающая компания, непосредственное подразделение российской государственной корпорации «Росатом». Компания Uranium One владеет добывающими предприятиями в Австралии, Канаде, Казахстане, ЮАР и США.
В 2017 году компания добыла 5 102 тонны урана.
На конец 2018 года минерально-сырьевая база Uranium One оценивается в 216 тысяч тонн.
China National Nuclear Corporation (CNNC) и China General Nuclear Power Group (CGN)
China General Nuclear Power Group — вторая по величине китайская компания, работающая в сфере атомной энергетики, входит в сотню крупнейших компаний страны.
Также в сферу деятельности CGN входят гидроэнергетика, ветряная и солнечная энергетика, электросети, добыча урана, производство ядерного топлива, строительство энергетических объектов, коммунальные и финансовые услуги, операции с недвижимостью.
China General Nuclear Power Group – дочерняя компания CNNC.
Эти две китайские компании в 2017 году добыли 3 897 тонн в 2017 году, что составляет 4% от мирового объема добычи.
АО «Атомредметзолото» — российская уранодобывающая компания, согласно собственным данным занимающая пятое место в мире по объему добычи урана и второе — по объему запасов урана в недрах, горнорудный дивизион Государственной корпорации «Росатом».
В 2017 году компания добыла 2 917 тонн урана, что составляет 5% от мирового объема добычи.
АРМЗ осуществляет разведку, добычу и переработку урановых, золотосодержащих руд, а также руд редких и рассеянных элементов.