Abenteuer von deutschem abgereichertem Uranhexafluorid in Russland. Teil 1. Geschichte und Anreicherungstechnologien

Greenpeace und Umweltaktivisten setzen sich seit fast zwei Monaten dafür ein, den Import von abgereichertem Uranhexafluorid (DUHF) aus Deutschland nach Russland zu verbieten. Ich habe bereits von Anfang an über diese Geschichte gesprochen: Haben sie begonnen, radioaktive Abfälle aus Europa nach Russland zu importieren? Wir verstehen In der Vergangenheit musste ich mehrmals in den Medien zu diesem Thema sprechen ( hier eine Auswahl dieser Einträge ), an einer öffentlichen Diskussion in Novouralsk sowie an einer öffentlichen Diskussion mit einem der Hauptgegner des Imports teilnehmen. Und letzte Woche besuchte ich die Pressetour und das UEHK-Werk in Novouralsk, wo DUFs mitgebracht wurden.


Gaszentrifugen bei UECC - der weltweit größten Urananreicherungsanlage

Während dieser Zeit habe ich nicht nur versucht, mich eingehender mit dem Thema zu befassen, sondern es ist riesig und interessant, und ich habe mich weit von allem entfernt, also werde ich versuchen, die Materialien zu ergänzen, während ich mich vertiefe, sondern es auch geschafft, in den sozialen Kontext des Problems einzutauchen. Lassen Sie uns versuchen, dies in der richtigen Reihenfolge herauszufinden und mit einem historischen Überblick über die Urananreicherungstechnologien zu beginnen.

Anstatt vorzustellen

Zunächst ein paar Worte zur Kernphysik. Wie Sie wissen, wird Uran als Brennstoff für Atomkraftwerke und als Ersatz für Atomwaffen verwendet. Natürliches Uran besteht aus mehreren Isotopen. Isotope sind Atome eines chemischen Elements, die sich in der Masse des Kerns unterscheiden. Natürliches Uran besteht aus 0,711% des Isotops U-235 und 99,28% des U-238, also 0,01% des U-234, aber viel später. Chemisch sind sie genau gleich, aber ihre nuklearen Eigenschaften sind unterschiedlich. Für den Einsatz in den meisten Kernreaktoren müssen Kernkraftwerke den Anteil von Uran-235 auf 4-5% und für Atomwaffen auf 90% erhöhen.

Die Erhöhung des Uran-235-Isotopenanteils im Uran wird als Anreicherung bezeichnet. Dieser Prozess sollte nicht mit der Anreicherung von Erz verwechselt werden, da es nicht darum geht, ein chemisches Element aus Abfallgestein, beispielsweise Uran, von Erz zu trennen, wo es üblicherweise etwa 1% beträgt, sondern um die Trennung von Atomen desselben chemischen Elements. Daher wird dieser Prozess auch als Isotopentrennung bezeichnet. Es ist klar, dass diese Aufgabe komplizierter sein wird, da chemische Methoden hier nicht funktionieren. Wir müssen uns etwas einfallen lassen, das nur den Unterschied in der Masse der Kerne berücksichtigt, der für die Uranisotope 235 und 238 nur etwa 1,5% beträgt. Keine leichte Aufgabe.

Warum wird Uranhexafluorid benötigt?

Es gibt verschiedene Methoden zur Isotopentrennung, aber die beiden produktivsten und historisch am weitesten verbreiteten (Diffusion und Zentrifugation) schlagen die Verwendung von Gas als Arbeitsmedium vor. Die einzige flüchtige chemische Verbindung von Uran ist die Verbindung mit Fluor-Uran-Hexafluorid (HFC, UF6). Bei atmosphärischem Druck und bis zu 56 ° C ist es eine feste Substanz, aber wenn es erhitzt wird, geht es von einem festen Zustand in ein Gas über, das die Flüssigkeit umgeht. Außerdem hat Fluor nur ein stabiles Isotop, sodass der Massenunterschied der UF6-Moleküle ausschließlich durch das Uranisotop bestimmt wird. Darüber hinaus hat sein Tripelpunkt (wo er gleichzeitig in fester, flüssiger und gasförmiger Form vorliegt) eine nicht sehr hohe Temperatur und einen nicht sehr hohen Druck, d.h. Es ist nicht sehr schwierig, es in verschiedene Phasenzustände zu übersetzen, aber für industrielle Anwendungen ist dies wichtig.

Ich stelle sofort fest, dass gasförmiges Hexafluorid genau für den Prozess der Isotopentrennung benötigt wird. Es wird ausschließlich in fester Form in Behältern transportiert und gelagert. Es ist sicherer und einfacher, weil Dies ist sein normaler Zustand bei normaler Temperatur.


Phasendiagramm von Uranhexafluorid (HFC oder UF6). Foto des Autors, aufgenommen am UECC.

Um die Position von Uranhexafluorid im Kernkraft- und Kernbrennstoffkreislauf zu verstehen, schauen wir uns das folgende Diagramm an. Sie ist groß, aber sei nicht beunruhigt. Wir brauchen nur 4 Punkte in der oberen linken Ecke und zwei extreme zu notieren, auf denen Hexafluorid erscheint und verschwindet. Tatsächlich verschwindet es auch im linken oberen Quadrat während der Lagerung, aber dazu später mehr. Es versteht sich, dass Uran selbst nirgendwo verschwindet, sondern einfach von einer chemischen Verbindung in eine andere überführt wird (von Oxiden zu Fluoriden und umgekehrt). Ein kleiner Teil des Urans als Element verschwindet erst nach Spaltung und anderen Kernreaktionen in einem Kernreaktor.


Kraftstoffkreislaufdiagramm. Uranhexafluorid scheint nur Uran anzureichern. Vor und nach diesem Stadium liegt Uran in anderen chemischen Formen vor. Quelle

Bevor Uran als Brennstoff für Kernkraftwerke verwendet werden kann, muss es (aus einer Mine, einem Boden oder möglicherweise in Zukunft aus Meerwasser) gewonnen, in die Form von Oxiden umgewandelt und dann in spezielle Umwandlungsanlagen (z. B. in Sewersk oder Angarsk) verbracht werden. Dort wird es bereits zu natürlichem Uranhexafluorid (HFC) umgewandelt. Anschließend werden diese HFKW an Anreicherungsanlagen geliefert (in Russland gibt es vier davon - die größten in Novouralsk und drei in Sibirien - in Seversk, Angarsk und Zelenogorsk), wo zwei Produkte gebildet werden - angereichertes Uranhexafluorid, das an Anlagen zur Herstellung von Brennstoffen (in Novosibirsk) geliefert wird und Elektrostal (oder sofort in Form von HFKW an ausländische Kunden) und abgereichertes Uranhexafluorid, das in Anreicherungsanlagen gelagert wird. Uranhexafluorid ist also das Uran, das sich noch nicht im Reaktor befindet. Es gibt zwar solche Optionen, aber sie sind viel seltener.

Eine kleine Geschichte der Urananreicherungstechnologien

Historisch gesehen stand eine so große Aufgabe wie die industrielle Anreicherung von Uran zunächst den Erfindern von Atomwaffen gegenüber. Eine Alternative war die Herstellung von Plutonium, und es wurde sogar noch schneller gemeistert (woran ich früher gearbeitet habe ). Dann musste das Problem schnell und um jeden Preis gelöst werden. Sie experimentierten in den USA und der UdSSR mit verschiedenen Methoden - mit Gasdiffusion, mit elektromagnetischen Methoden und mit Zentrifugen. Darüber hinaus wurden sie kombiniert.

Uran für die erste Atombombe, die auf Japan abgeworfen wurde. Die Amerikaner arbeiteten an einer elektromagnetischen Anlage Y-12 , die das Prinzip der Unterscheidung der Flugbahnen von Ionen verschiedener Massen nutzt, die sich in einem Magnetfeld bewegen. In der UdSSR wurde eine ähnliche Methode in der SU-20-Anlage in der Stadt Lesnoy (damals die Stadt Swerdlowsk-45, ebenfalls in der Region Swerdlowsk) eingeführt. Diese Methode ermöglichte es jedoch, nur mit kleinen Materialmengen zu arbeiten und die Anreicherung von 75% auf die erforderlichen 90-94% zu bringen. Zuvor wurde die Anreicherung auf Diffusionsmaschinen durchgeführt. Sie waren produktiver und für die industrielle Anreicherung großer Uranmengen geeignet.


Die Atombombe "Kid", die am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde, enthielt 64 kg Uran, das mit elektromagnetischen und Gasdiffusionsmethoden als "Sprengstoff" angereichert war. Die UdSSR explodierte 1951, zwei Jahre nach Plutonium, ihre erste Uranbombe. Quelle

Die Basis der Diffusionsmethode ist die Differenz der Durchschnittsgeschwindigkeiten schwerer und leichter Moleküle beim Durchgang (Diffusion) durch poröse Körper - Membranen. Dies bedeutet, dass Lichtmoleküle leichter und schneller durch die Poren gelangen. Nach der Membran wird das Gas daher mit Lichtatomen angereicherter.


Das Modell der ersten Gasdiffusionsmaschine in der UdSSR OK-150, mit der das Ural-Elektrochemische Werk - UEHK - begann, dann aber erst Werk 813 in der geschlossenen Stadt Swerdlowsk-44, heute Novouralsk. Foto aus dem UECC Museum. Auf der rechten Seite befindet sich der Kompressor, aber der vertikale Zylinder auf der linken Seite ist nur ein Block mit einem Sieb, durch das Uranhexafluorid diffundiert

Bei der Trennung von Isotopen ist es wichtig, einige Dinge zu verstehen. Erstens führt jede einzelne Einheit eine Anreicherung um eine sehr kleine Menge durch. Im Gasauslass befinden sich nur wenige Moleküle mehr mit U-235 als am Einlass (um Zehntel Prozent). Deshalb müssen Sie Hunderte und Tausende von Autos in den sogenannten Kaskaden kombinieren, durch die das Gas strömt, und schrittweise auf die gewünschte Größe anreichern. Die erste D-1-Gasdiffusionsanlage in der UdSSR (Nr. 813, die zukünftige UEHK) verfügte 1948 über 3.000 OK-150-Maschinen.


Kaskaden von Diffusionsmaschinen bei UECC. Fotostände des UECC-Museums.

Zweitens ist es ein sehr energieaufwendiges Vergnügen. Sowohl die Anzahl der Maschinen als auch ihre leistungsstarken Kompressoren, die zum Pumpen von Gas durch Filter erforderlich waren, erforderten eine enorme Menge an Elektrizität. Die Pflanze wuchs, Pflanzen D-2, D-3 und D-4 wurden zu der D-1-Pflanze gegeben. Bis 1953 waren an der UECC etwa 15.000 Diffusionsmaschinen in Betrieb, und der Stromverbrauch betrug 250 MW. Bis 1958 stieg der Verbrauch mit der Einführung des D-5 auf 800 MW Kapazität oder etwa 7 Milliarden kWh / Jahr. In den 1950er Jahren fügte die UdSSR der Uralanlage drei weitere Urananreicherungsanlagen in Sibirien hinzu: Angarsk Electrolysis Chemical Plant (AECC, Region Angarsk, Irkutsk), Electrochemical Plant (ECP, Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory) und Siberian Chemical Plant (SCC, Sewersk, Tomsker Gebiet). Bis Ende der 1950er Jahre wurden bis zu 3% des gesamten Stroms in der UdSSR für die Urananreicherung ausgegeben. Gleichzeitig verwendeten sie in den USA bis zum Ende des Kalten Krieges die energieintensivste Diffusionstechnologie für die Kernenergie und produzierten Brennstoff für Kernkraftwerke (die sie noch immer mehr als alle anderen haben). Die Anreicherung machte bis zu 7% des gesamten Stroms aus .

Dies verursachte natürlich Probleme (es war notwendig, leistungsstarke Kraftwerke zu bauen, zum Beispiel große Wasserkraftwerke in Sibirien) und gab solche Kraftwerke teilweise aus. Es gibt eine interessante Geschichte darüber, wie CIA-Analysten 1958 die Kapazität und den Standort der UECC-Anlage anhand eines in der Zeitschrift Ogonyok veröffentlichten Fotos des Stromkreises im Ural berechneten.


Das gleiche Foto aus der Zeitschrift Ogonyok, wonach die CIA (unter anderem) die Atomindustrie im Ural studierte. Quelle

In den USA wurden drei Gasdiffusionsanlagen gebaut - die erste in Oak Ridge (bereits geschlossen), dann in Portsmouth und Paduc. In England wurde seit 1956 eine Gasdiffusionsanlage in Capenhurst in Betrieb genommen. In Frankreich seit 1964 - in Pierlatt, damals die produktivere Fabrik in Tricasten. Seit 1960 ist mit Hilfe der UdSSR eine Gasdiffusionsanlage in China in der Nähe von Hanzhou in Betrieb.

Gaszentrifugen

Die Maschinen der ersten Generationen wurden durch modernere Einheiten ersetzt. Als jedoch die ersten Gasdiffusionsanlagen in Europa in Betrieb genommen wurden, hatte die UdSSR bereits mit dem Übergang zu einer grundlegend anderen Anreicherungstechnologie begonnen, die derzeit die Hauptrolle gespielt hatte - der Gaszentrifugentechnologie.

Was ist eine Zentrifuge und wie funktioniert sie? Das Prinzip ist einfach: Das Gas dreht sich in einer Zentrifuge sehr schnell, und aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung sammeln sich schwerere Moleküle an der Peripherie an, und es gibt mehr leichte Moleküle näher am Zentrum. In der Theorie ist alles einfach. Aber in der Praxis sind enorme Geschwindigkeiten erforderlich, neue robuste Werkstoffe, Elektromotoren, Lager, knifflige Reibungsreduzierung, Gaseinlass- und -auslasssysteme, die den Betrieb der Zentrifuge nicht unterbrechen ... Kurz gesagt, diese Idee wurde von Anfang an in unserem Land und in den USA, aber in der Praxis in Betracht gezogen Die Realisierung erwies sich als weitaus schwieriger als der Bau eines Atomreaktors. Daher wurde es in den USA verworfen, zumal Diffusionsmaschinen ihre Aufgabe gut bewältigten. In der UdSSR machten sie jedoch keinen Halt bei der Verbreitung und erinnerten an deutsche Ideen.

Ja, es ist deutsch. Diese Richtung entwickelte sich in der UdSSR nach dem Krieg dank der deutschen Gefangenen der Kriegsingenieure Zippe und Shteebek. Sie arbeiteten im Labor A in Suchumi (dem zukünftigen Suchumi-Institut für Physik und Technologie) und dann im Konstruktionsbüro des Kirov-Werks in Leningrad. Die Ideen wurden jedoch von unseren Experten, vor allem Victor Sergeyev, aktiv übernommen und verfeinert (zum Beispiel die Gasförderanlage). In der Folge kehrten die Deutschen Mitte der 1950er Jahre nach Deutschland zurück (Shteebek in der Deutschen Demokratischen Republik, Zippe in der Bundesrepublik Deutschland, wo er später die „Russische Zentrifuge“ patentierte), und Sergejew brachte die ersten russischen Zentrifugen in die UdSSR zu einem funktionsfähigen Entwurf und Serienstart. Die Deutschen kehrten in ihre Heimat zurück, und 1957 wurde der Versuchsstandort erstmals an der UECC und 1962 - der weltweit ersten auf Gaszentrifugen basierenden Urananreicherungsanlage - in Betrieb genommen. Lesen Sie hier mehr über die Geschichte der Zentrifugen. Na oder hier .


Zentrifugengerät. Links ist ein Diagramm aus einem Artikel in Popular Mechanics . Rechts ein Ausschnitt einer Zentrifuge aus dem UECC-Museum.



Hier sind es Kaskaden von Gaszentrifugen der 6. Generation bei UECC in Werkstatt 53. Jede ist nicht höher als ein Meter, dreht sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1.500 U / min und arbeitet bis zu 30 Jahre so ... Die kompakte Größe im Vergleich zu Diffusionsmaschinen ermöglicht die Montage zu ganzen Abschnitten und platzieren Sie sogar mehrere Ebenen in der Höhe. Farbige Rohre sind die Zu- und Ableitung von Hexafluorid. Gelb ist das ursprüngliche Produkt, Rot ist erschöpft, Blau ist angereichert.



Die optimale Verbindung von Zentrifugen und Diffusionsmaschinen ist eine eigene Wissenschaft. Die Theorie der Kaskaden heißt. Zu einer Zeit arbeiteten die größten Köpfe daran, darunter die Nobelpreisträger Richard Feynman und Paul Dirac in den USA, Kikoin, Sobolev und andere in der UdSSR.



Hunderttausende von Zentrifugen in mehrstufigen Abschnitten über fast 2 Kilometer gesammelt - dies ist nur eine Werkstatt des Werks №53 ...



Und das bin ich mit meiner Kollegin Alisa Muchnik vor dem Hintergrund der Kaskaden. Beachten Sie, dass wir keine Schutzausrüstung haben, obwohl in Zentrifugen das gleiche giftige Hexafluorid in der mobilsten gasförmigen Form vorliegt. Zum einen ist das Zentrifugenkonzept so konzipiert, dass auch bei Bruch und Zerstörung durch die enorme Drehzahl des Rotors das robuste Außengehäuse erhalten bleibt. Und zweitens gibt es bei einer Druckentlastung des HFC-Auslösegehäuses keine Außenseite, sondern im Gegenteil eine Absaugung nach innen, weil der rotor dreht sich im vakuum. Foto von Donat Sorokin .



Um den ordnungsgemäßen Betrieb dieser riesigen Anzahl von Zentrifugen zu kontrollieren, ist auf jeder ein Sensor zur Einstellung von Parametern (in erster Linie Umdrehungen) installiert - schwarz mit einem weißen Draht auf dem Foto.

Warum ging es zu Zentrifugen? Es ist ganz einfach: Der Energieverbrauch einer Zentrifuge ist fast 50-mal geringer als der einer Diffusionsmaschine. Und das gehört zu den ersten Generationen. Und in der UdSSR / Russland wurden sie vor über 60 Jahren durch 9 ersetzt, und jede neue Generation von Zentrifugen ist noch produktiver, wirtschaftlicher und zuverlässiger geworden.



Generationen von Gaszentrifugen und deren Parameter. Quelle

Seit 1992 hat Russland die letzten Diffusionsanreicherungsanlagen geschlossen und vollständig auf Zentrifugen umgestellt. Obwohl ein kleiner Teil der Diffusionsmaschinen bei UECC als Filter zum Absieben von Verunreinigungen des eingehenden Produkts erhalten geblieben ist und noch funktioniert. Die Produktivität der Zentrifugen der 9. Generation ist 14-mal höher als die der ersten Generation und die Kosten für die Trennung sind 10-mal niedriger. UECC hat sich zur weltweit größten Uranisotopentrennanlage entwickelt (20% der globalen Kapazität).

Im Prinzip ist es besser, einmal zu sehen als oft zu lesen. Daher empfehle ich, ein Video über russische Gaszentrifugen anzusehen, in dem Folgendes deutlich zu sehen ist:


Ich stelle fest, dass die Leistung von Anreicherungsgeräten in SWU (Units of Separation Work) gemessen wird. Dies ist eine ziemlich schwierig zu berechnende Größe, aber wichtig für das Verständnis des Marktvolumens und der Produktivität. Beispielsweise betrug die Kapazität einer Haushaltszentrifuge in den ersten Generationen etwa 0,4 SWU pro Jahr und stieg für moderne Geräte auf 4 bis 8 SWU pro Jahr. Die Gesamtkapazität der UECC beträgt mehr als 10 Millionen SWU pro Jahr (fast 20% aller weltweiten Anreicherungskapazitäten).

Übrigens, wie viel Energie verbraucht die weltweit größte Trennanlage in Novouralsk? Und ist das Spiel die Kerze wert? Die Antwort findet sich in ihrem jährlichen Umweltbericht - ungefähr 1 Milliarde kWh pro Jahr. Das heißt durchschnittlicher Stromverbrauch von ca. 115 MW. Es scheint, dass dies eine Menge ist, zumal es bereits die am wenigsten energieintensiven Zentrifugen verwendet (es ist beängstigend, sich den Verbrauch einer Diffusionsanlage mit der gleichen Kapazität vorzustellen). Man muss jedoch verstehen, dass dies die größte derartige Anlage der Welt ist. Die Anreicherung ist der energieverbrauchendste Teil des Brennstoffkreislaufs, der für die CO2-Emissionen von "atomarem" Strom verantwortlich ist. Nachdem wir annähernd akzeptiert haben, dass die Anlage bis zu 20% des Brennstoffs für Kernkraftwerke auf der Welt produziert (obwohl tatsächlich weniger), die 2562 TWh Strom pro Jahr erzeugen (d. H. 2.562.000 Milliarden kWh) , stellen wir fest, dass Kernbrennstoff produziert Millionen Mal mehr Energie, als Sie brauchen, um es zu bekommen. Dies ist die enorme Energiekonzentration im Atom und die "Effizienz" des Brennstoffkreislaufs.

Ein bisschen persönlich

In unserem Ural befinden sich nicht nur 5 von 10 geschlossenen "nuklearen" Städten, in denen sich Kernbrennstoffkreislaufanlagen befinden, einschließlich der weltweit größten Urananreicherungsanlage - UECC. Am Physikalischen Institut bildet UPI in Jekaterinburg auch Nuklearspezialisten aus, darunter für Urananreicherungsarbeiten. Dies geschieht am Fachbereich Technische Physik (damals Molekularphysik), an dem ich meinen Abschluss gemacht habe. Es stimmt, ich habe in einem anderen Fach studiert und Kernreaktoren studiert. Aber meine zukünftige Frau studierte die Trennung von Isotopen . Wie der derzeitige Direktor der UECC Alexander Belousov, obwohl er 30 Jahre früher als wir an derselben Abteilung studiert hat. Zum Kennenlernen hatte ich auch einen speziellen Kurs zur Kaskadentheorie - ein Zulassungsformular, gebrauchte Notizbücher mit Notizen, die nur im geschlossenen Teil der Fakultät verwendet werden können ... Geheimhaltung und Geschäftsgeheimnis, wie es ist. Und schließlich, was ist interessant, als die Studenten des Physik- und Technologiekollegs in den frühen 2000er Jahren Diffusionsmaschinen ausschließlich als Teil der Geschichte hörten, haben sie im Ausland Uran mit Macht und ...

Und was ist im Westen?

Nach seiner "Dienstzeit" in der UdSSR im Jahr 1956 kehrte Ingenieur Gernot Zippe in den Westen Deutschlands zurück, wo er beschloss, die Arbeit an Zentrifugen fortzusetzen. , , , . . , , . , . 1 20 , 12 0,6 , . ( SET I, II II 1985 , 2009 ) . 2013 5 ( ) , 3000 …


12 .

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URENCO , . ( ). .

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PS 10.01.2020: , , , , « »Direkt unter diesen Zeilen, direkt über den Repost-Schaltflächen im sozialen Netzwerk. Ich lese immer noch kritische Kommentare, aber es wird einfacher sein, den Strom von Korruptionsvorwürfen zu überstehen und die Motivation zu haben, weiterhin meine Freizeit damit zu verbringen, Sachbücher zu schreiben, wenn ich sehe, dass jemand sie braucht.