Durante casi dos meses, Greenpeace y activistas ambientales han estado haciendo campaña para prohibir la importación a Rusia de hexafluoruro de uranio empobrecido (DUHF) de Alemania. Ya he hablado sobre esta historia desde el principio: ¿Han
comenzado a importar desechos radiactivos de Europa a Rusia? Nosotros entendemos En el pasado, tuve que hablar varias veces en los medios sobre este tema (
aquí hay una selección de estas entradas ), participar en una
discusión pública en Novouralsk , así como en una
discusión pública en persona con uno de los principales opositores de la importación. Y la semana pasada visité la gira de prensa y en la planta de UEHK en Novouralsk, donde traen DUF.
Centrífugas de gas en UECC, la planta de enriquecimiento de uranio más grande del mundoEntonces, durante este tiempo, intenté no solo profundizar en el material del problema, sino que es enorme e interesante, y he estudiado lejos de todo, por lo que trataré de complementar los materiales a medida que profundizo, sino que también logré sumergirme en el contexto social del problema. Tratemos de resolver esto en orden y comencemos con una revisión histórica de las tecnologías de enriquecimiento de uranio.
En lugar de presentar
Primero, algunas palabras sobre física nuclear. Como saben, el uranio se usa como combustible para las plantas nucleares y para el llenado de armas nucleares. El uranio natural consta de varios isótopos. Los isótopos son átomos de un elemento químico que difieren en la masa del núcleo. El uranio natural consiste en 0.711% del isótopo U-235, y 99.28% del U-238, bueno, 0.01% del U-234, pero sobre eso mucho más tarde. Químicamente, son exactamente lo mismo, pero sus propiedades nucleares son diferentes. Para su uso en la mayoría de los reactores nucleares, las centrales nucleares necesitan aumentar la proporción de uranio-235 al 4-5%, y las armas nucleares al 90%.
El aumento en la proporción de isótopo de uranio-235 en uranio se llama enriquecimiento. Este proceso no debe confundirse con el enriquecimiento del mineral, ya que no se trata de separar algún elemento químico de la roca residual, por ejemplo, el uranio del mineral, donde generalmente es de aproximadamente 1%, sino de la separación de átomos del mismo elemento químico. Por lo tanto, este proceso también se llama proceso de separación de isótopos. Está claro que esta tarea será más complicada, porque los métodos químicos no funcionan aquí. Necesitamos llegar a algo que tenga en cuenta solo la diferencia en las masas de los núcleos, que para los isótopos de uranio 235 y 238 es solo alrededor del 1.5%. No es una tarea fácil.
¿Por qué se necesita hexafluoruro de uranio?
Existen diferentes métodos para la separación de isótopos, pero los dos más productivos e históricamente más extendidos (difusión y centrifugación) sugieren el uso de gas como medio de trabajo. Y el único compuesto químico volátil del uranio es su compuesto con flúor - hexafluoruro de uranio (HFC, UF6). A presión atmosférica y hasta 56 C es una sustancia sólida, pero cuando se calienta, pasa de un estado sólido a un gas sin pasar por el líquido. Además, el flúor tiene un solo isótopo estable, por lo que la diferencia de masa de las moléculas de UF6 está determinada exclusivamente por el isótopo de uranio. Además, su punto triple (donde está en forma sólida, líquida y gaseosa al mismo tiempo) tiene una temperatura y presión no muy altas, es decir. traducirlo a diferentes estados de fase no es muy difícil, pero para aplicaciones industriales esto es importante.
Noto de inmediato que el hexafluoruro gaseoso es necesario precisamente para el proceso mismo de separación de isótopos. Se transporta y almacena en contenedores exclusivamente en forma sólida. Es más seguro y más fácil, porque Esta es su condición normal a temperatura normal.
Diagrama de fase del hexafluoruro de uranio (HFC o UF6). Foto del autor, tomada en UECC.Para comprender el lugar del hexafluoruro de uranio en el ciclo de energía nuclear y combustible nuclear, veamos el diagrama a continuación. Ella es grande, pero no se alarme. Necesitamos notar solo 4 puntos en la esquina superior izquierda y dos extremos, en los que aparece y desaparece el hexafluoruro. De hecho, también desaparece en el cuadrado superior izquierdo, durante el almacenamiento, pero más sobre eso más adelante. Debe entenderse que el uranio en sí no desaparece en ningún lado, simplemente se transfiere de un compuesto químico a otro (de óxidos a fluoruros y viceversa). Una pequeña parte del uranio como elemento desaparece solo en un reactor nuclear después de la fisión y otras reacciones nucleares.
Diagrama del ciclo de combustible. El hexafluoruro de uranio solo parece enriquecer uranio. Antes y después de esta etapa, el uranio está presente en otras formas químicas. FuenteAntes de que el uranio se convierta en combustible para las plantas de energía nuclear, debe extraerse (de una mina, tierra o, como podría ser en el futuro, del agua de mar), luego convertirse en la forma de óxidos y luego enviarse a plantas especiales de conversión (por ejemplo, en Seversk o Angarsk) , donde ya se convertirá en hexafluoruro de uranio natural (HFC). Este HFC luego se envía a plantas de enriquecimiento (en Rusia hay cuatro de ellos, el más grande en Novouralsk y 3 en Siberia, en Seversk, Angarsk y Zelenogorsk), donde se forman dos productos: hexafluoruro de uranio enriquecido, que se envía a plantas de fabricación de combustible (en Novosibirsk y Elektrostal, o inmediatamente en forma de HFC en el extranjero para clientes extranjeros), y hexafluoruro de uranio empobrecido, que se envía al almacenamiento en plantas de enriquecimiento. Entonces, el hexafluoruro de uranio es ese uranio que aún no ha estado en el reactor. Aunque hay tales opciones, pero son mucho menos comunes.
Un poco de historia de las tecnologías de enriquecimiento de uranio.
Históricamente, una tarea a gran escala como el enriquecimiento industrial de uranio se enfrentó por primera vez a los creadores de armas atómicas. Una alternativa era la producción de plutonio, y se dominó aún más rápidamente (sobre lo que trabajé
antes ). Luego, el problema tuvo que resolverse rápidamente ya cualquier costo. Experimentaron en los EE. UU. Y la URSS con diferentes métodos: con difusión de gases, con métodos electromagnéticos y con centrifugadoras. Además, se combinaron.
El uranio para la primera bomba atómica lanzada sobre Japón, los estadounidenses trabajaron en una instalación electromagnética
Y-12 , que utiliza el principio de distinguir trayectorias de iones de diferentes masas que se mueven en un campo magnético. En la URSS, se introdujo un método similar
en la instalación del SU-20 en la ciudad de Lesnoy (entonces la ciudad de Sverdlovsk-45, también en la región de Sverdlovsk). Pero este método permitió trabajar solo con pequeños volúmenes de material y llevar el enriquecimiento del 75% al 90-94% requerido. Y antes de eso, el enriquecimiento se llevó a cabo en máquinas de difusión. Eran más productivos y adecuados para el enriquecimiento industrial de grandes volúmenes de uranio.
La bomba atómica "Kid", lanzada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945, tenía 64 kg de uranio enriquecido con métodos electromagnéticos y de difusión de gases como "explosivos". La URSS hizo explotar su primera bomba de uranio en 1951, dos años después del plutonio. FuenteLa base del método de difusión es la diferencia en las velocidades promedio de las moléculas pesadas y ligeras durante el paso (difusión) a través de cuerpos porosos - membranas. Esto significa que las moléculas de luz pasan a través de los poros de manera más fácil y rápida, por lo tanto, después de la membrana, el gas se obtiene más enriquecido en átomos de luz.
El modelo de la primera máquina de difusión de gas en la URSS OK-150, con la que comenzó la Planta Electroquímica Ural - UECC, pero luego solo la planta 813 en la ciudad cerrada de Sverdlovsk-44, ahora Novouralsk. Foto del museo UECC. A la derecha está el compresor, pero el cilindro vertical a la izquierda es solo un bloque con un filtro a través del cual se difunde el hexafluoruro de uranioEn la separación de isótopos, es importante entender un par de cosas. En primer lugar, cada unidad individual lleva a cabo el enriquecimiento en una cantidad muy pequeña. Solo hay unas pocas moléculas más con U-235 en la salida de gas en comparación con lo que estaba en la entrada (en décimas de porcentaje). Por lo tanto, debe combinar cientos y miles de automóviles en las llamadas cascadas a través de las cuales pasa el gas, enriqueciéndose gradualmente hasta el tamaño deseado. La primera planta de difusión de gas D-1 en la URSS (No. 813, la futura UEHK) en 1948 tenía 3.000 máquinas OK-150.
Cascadas de máquinas de difusión en UECC. Foto stands del museo UECC.En segundo lugar, es un placer que consume mucha energía. Tanto la cantidad de máquinas como sus potentes compresores, necesarios para bombear gas a través de filtros, requerían una gran cantidad de electricidad. La planta estaba creciendo, las plantas D-2, D-3 y D-4 se agregaron a la planta D-1. Para 1953, alrededor de
15 mil máquinas de difusión estaban funcionando en UECC, y el consumo de energía era de 250 MW. Para 1958, con el lanzamiento del D-5, el consumo aumentó a 800 MW de capacidad, o alrededor de 7 mil millones de kWh / año. En la década de 1950, la URSS agregó tres plantas más de enriquecimiento de uranio en Siberia a la Planta Ural: Planta Química de Electrólisis Angarsk (AECC, Angarsk, Región de Irkutsk), Planta Electroquímica (ECP, Zelenogorsk, Territorio de Krasnoyarsk) y Planta Química Siberiana (SCC, Seversk, región de Tomsk). A fines de la década de 1950, hasta el
3% de toda la electricidad en la URSS se gastó en el enriquecimiento de uranio. Al mismo tiempo, en los EE. UU., Hasta el final de la Guerra Fría, utilizaron la tecnología de difusión más intensiva en energía para la energía nuclear y para producir combustible para las plantas de energía nuclear (que todavía tienen más que nadie), el enriquecimiento tomó
hasta el 7% de toda la electricidad .
Esto, por supuesto, creó problemas (era necesario construir centrales eléctricas potentes, por ejemplo, grandes centrales hidroeléctricas en Siberia) y emitió en parte tales plantas. Hay una
historia interesante sobre cómo , en 1958, los analistas de la CIA calcularon la capacidad y la ubicación de la planta UECC a partir de una fotografía del circuito eléctrico de la región de los Urales publicada en la revista Ogonyok.
La misma foto de la revista Ogonyok, según la cual la CIA (entre otras fuentes) estudió la industria nuclear en los Urales. FuenteSe construyeron tres plantas de difusión de gas en los Estados Unidos: la primera en Oak Ridge (ya cerrada), luego en Portsmouth y Paduc. Desde 1956, en Inglaterra, una planta de difusión de gas en Capenhurst comenzó a operar en Inglaterra. En Francia desde 1964, en Pierlatt, la fábrica más productiva de Tricasten. Desde 1960, con la ayuda de la URSS, una planta de difusión de gas ha estado operando en China, cerca de Hanzhou.
Centrifugadoras de gas
Las máquinas de las primeras generaciones fueron reemplazadas por unidades más modernas, pero cuando se lanzaron las primeras plantas de difusión de gas en Europa, la URSS ya había comenzado la transición a una tecnología de enriquecimiento fundamentalmente diferente, que se había convertido en la principal en la actualidad: la tecnología de centrífuga de gas.
¿Qué es una centrífuga y cómo funciona? El principio es simple: el gas gira muy rápidamente en una centrífuga y, debido a la aceleración centrífuga, las moléculas más pesadas se acumularán en la periferia y habrá más ligeras más cerca del centro. En teoría, todo es simple. Pero en la práctica, se necesitan velocidades tremendas, nuevos materiales resistentes, motores eléctricos, rodamientos, reducción de fricción complicada, sistemas de entrada y salida de gas que no interrumpan el funcionamiento de la centrífuga ... En resumen, desde el comienzo de los proyectos nucleares, esta idea fue considerada en nuestro país y en los EE. UU., Pero en la práctica Darse cuenta de que resultó ser mucho más difícil que construir un reactor atómico. Por lo tanto, en los Estados Unidos se descartó, especialmente porque las máquinas de difusión hicieron frente a su tarea. Pero en la URSS no se detuvieron en la difusión y trajeron a la mente las ideas alemanas.
Sí, es alemán Esta dirección se desarrolló en la URSS después de la guerra gracias a los ingenieros de prisioneros de guerra alemanes Zippe y Shteebek. Trabajaron en el Laboratorio A en Sukhumi (el futuro Instituto Sukhumi de Física y Tecnología), y luego en la oficina de diseño de la planta de Kirov en Leningrado. Pero las ideas fueron adoptadas y refinadas activamente (por ejemplo, el sistema de extracción de gas) por nuestros expertos, principalmente Victor Sergeyev. Como resultado, a mediados de la década de 1950, los alemanes regresaron a Alemania (Shteebek en la República Democrática Alemana, Zippe en la República Federal de Alemania, donde más tarde patentó la "centrífuga rusa"), y Sergeyev trajo las primeras centrifugadoras rusas a la URSS con un diseño viable y un lanzamiento en serie. Los alemanes regresaron a su tierra natal, y después de eso, en 1957, el sitio experimental se lanzó por primera vez en UECC, y en 1962, la primera planta de enriquecimiento de uranio del mundo basada en centrifugadoras de gas. Lea más sobre la historia de las centrifugadoras
aquí . Bueno o
aqui .
Dispositivo de centrifugación. A la izquierda hay un diagrama de un artículo en
Popular Mechanics . A la derecha hay una sección de una centrífuga del museo UECC.
Aquí están, cascadas de centrifugadoras de gas de sexta generación en UECC en el taller 53. Cada una no tiene más de un metro de altura, gira a una velocidad de más de 1,500 rpm y funciona así durante hasta 30 años ... El tamaño compacto en comparación con las máquinas de difusión les permite ensamblarse en secciones enteras. y colocar incluso varios niveles de altura. Las tuberías de colores son el suministro y la eliminación de hexafluoruro. El amarillo es el producto original, el rojo se agota, el azul se enriquece.
La conexión óptima de las centrífugas, así como las máquinas de difusión, es una ciencia separada. La teoría de las cascadas se llama. En un momento, las mejores mentes trabajaron en ello, incluidos los premios Nobel Richard Feynman y Paul Dirac en los EE. UU., Kikoin, Sobolev y otros en la URSS.
Cientos de miles de centrífugas recolectadas en secciones de varios niveles en casi 2 kilómetros: este es solo un taller de la planta №53 ...
Y esta soy yo con mi colega Alisa Muchnik en el fondo de las cascadas. Tenga en cuenta que no tenemos ningún equipo de protección, a pesar del hecho de que en las centrifugadoras hay el mismo hexafluoruro venenoso en la forma gaseosa más móvil. Simplemente, en primer lugar, el diseño de la centrífuga está diseñado para que incluso en caso de rotura y destrucción debido a la enorme velocidad de su rotor, la carcasa exterior robusta sobreviva. Y en segundo lugar, en el caso de la despresurización de la carcasa de liberación de HFC, no habrá exterior, sino que, por el contrario, habrá una succión hacia adentro, porque El rotor gira en el vacío. Foto de Donat Sorokin .
Sin embargo, para controlar el correcto funcionamiento de este gran número de centrifugadoras, se instala un sensor para configurar los parámetros (revoluciones en primer lugar) en cada uno: negro con un cable blanco en la foto.¿Por qué iba a centrifugar? Es simple: el consumo de energía de una centrífuga es casi 50 veces menor que el de una máquina de difusión. Y esta es una de las primeras generaciones. Y han sido reemplazados por 9 en la URSS / Rusia durante 60 años, y cada nueva generación de centrífugas se ha vuelto aún más productiva, más económica y más confiable.
Generaciones de centrifugadoras de gas y sus parámetros. FuenteDesde 1992, Rusia ha cerrado las últimas instalaciones de enriquecimiento por difusión, tras haber cambiado completamente a centrífugas. Aunque una pequeña sección de máquinas de difusión en UECC se ha mantenido y todavía funciona como un filtro para detectar impurezas del producto entrante. La productividad de las centrífugas de la novena generación es 14 veces mayor que la de la primera generación, y el costo de separación es 10 veces menor. UECC se ha convertido en la planta de separación de isótopos de uranio más grande del mundo (20% de la capacidad global).
En principio, es mejor ver una vez que leer muchas veces. Por lo tanto, recomiendo ver un video sobre las centrifugadoras de gas rusas, donde se muestra claramente:
Observo que el rendimiento de los dispositivos de enriquecimiento se mide en SWU (unidades de trabajo de separación). Esta es una cantidad calculada bastante difícil, pero es importante para comprender los volúmenes y la productividad del mercado. Por ejemplo, la capacidad de una centrífuga doméstica era de aproximadamente 0.4 SWU por año para las primeras generaciones, y creció a 4-8 SWU por año para los dispositivos modernos. Y la capacidad total de UECC es de más de 10 millones de SWU por año (casi el 20% de todas las capacidades mundiales de enriquecimiento).
Por cierto, ¿cuánta energía consume la planta de separación más grande del mundo en Novouralsk? ¿Y el juego vale la pena? La respuesta se puede encontrar en su
informe ambiental anual : alrededor de mil millones de kWh por año. Es decir Consumo medio de energía de unos 115 MW. Parece que esto es mucho, especialmente porque ya está utilizando las centrifugadoras menos intensivas en energía (da miedo imaginar el consumo de una planta de difusión de la misma capacidad). Sin embargo, uno debe entender que esta es la planta de este tipo más grande del mundo. Y el enriquecimiento es la parte más consumidora de energía del ciclo del combustible, que es responsable de las emisiones de CO2 de la electricidad "atómica". Habiendo aceptado, aproximadamente, que la planta proporciona hasta un 20% de combustible para las centrales nucleares del mundo (aunque en realidad es menos), que generan
2562 TWh de electricidad por año (es decir, 2,562,000 billones de kWh) , encontramos que el combustible nuclear produce millones de veces más energía de la que necesita para obtenerla. Tal es la gran concentración de energía en el átomo y la "eficiencia" del ciclo del combustible.
Poco personal
En nuestros Urales, no solo se ubican 5 de cada 10 ciudades "nucleares" cerradas, en las que se encuentran plantas clave del ciclo del combustible nuclear, incluida la planta de enriquecimiento de uranio más grande del mundo: UECC. En el
Instituto de Física, UPI en Ekaterimburgo también capacita a especialistas nucleares, incluidos para trabajos de enriquecimiento de uranio. Esto se hace en el
departamento de física técnica (luego física molecular), de donde me gradué. Es cierto que estudié en otra especialidad y estudié reactores nucleares. Pero mi futura esposa estaba estudiando la
separación de isótopos . Al igual que el actual director de UECC, Alexander Belousov, aunque estudió en el mismo departamento 30 años antes que nosotros. Entonces, para familiarizarme, también tuve un curso especial sobre teoría de la cascada: un formulario de admisión, folletos con notas que solo podían usarse en la parte cerrada de la facultad ... Secreto y secreto comercial, por así decirlo. Y lo interesante es que cuando los estudiantes de la Facultad de Física y Tecnología a principios de la década de 2000 escucharon máquinas de difusión exclusivamente como parte de la historia, en el extranjero enriquecieron el uranio con gran poder ...
¿Y qué hay en el oeste?
Después de "pasar tiempo" en la URSS en 1956, el ingeniero Gernot Zippe regresó al oeste, en Alemania, donde decidió continuar trabajando en centrifugadoras. , , , . . , , . , . 1 20 , 12 0,6 , . (
SET I, II II 1985 ,
2009 ) .
2013 5 ( ) , 3000 …
12 . Fuente. , 1970-
URENCO , (.. , ) . , —
3,65 40-80 . 1977 URENCO (. ) (. ), 1985 ( , ), 2010 , .
URENCO , . ( ). .URENCO — ( , TENEX) . ( Georges Besse, URENCO), ( ) , :
— . , WNA ., , —
.
PS 10.01.2020: , , , ,
« » , . , - , , - .