Est-il vrai que, dites-vous, personne n'a besoin d'uranium naturel? Regardons la consommation.Actuellement, les types d'uranium enrichi suivants sont en demande dans le monde:- 1. Uranium naturel (0,712%). Réacteurs à eau lourde (PHWR), par exemple CANDU
- 2. Uranium faiblement enrichi (2-3%, 4-5%). Réacteurs eau-graphite-zirconium, réacteurs eau-eau-zirconium, réacteurs VVER, PWR, RBMK
- 3. Uranium moyennement enrichi (15–25%), réacteurs rapides, réacteurs de transport (brise-glaces, FNPP), centrales nucléaires
- 4. Uranium hautement enrichi (> 50%), TREAU (sous-marins), réacteurs de recherche.
L'uranium naturel ne passe que sur le premier point. Si nous supposons que dans notre monde les consommateurs d'uranium ne sont que des réacteurs commerciaux, alors leur PHWR est inférieur à 10%. Et si vous considérez tout le reste (transports, recherche) alors ... bref, l'uranium naturel n'est ni au village ni à la ville. Cela signifie que presque tous les consommateurs nécessitent une augmentation du pourcentage d'isotopes légers dans un mélange de 235-238. De plus, l'uranium est utilisé non seulement dans l'énergie nucléaire, mais aussi dans la production d'armures, de munitions et d'autre chose. Et là, il vaut mieux avoir de l'uranium appauvri, qui nécessite en principe les mêmes procédés, bien au contraire.A propos des méthodes d'enrichissement et il y aura un article.En tant que matières premières pour l'enrichissement, pas l'uranium métallique pur est utilisé, mais l'hexafluorure d'uranium UF 6 , qui, par sa totalité de propriétés, est le composé chimique le plus approprié pour l'enrichissement isotopique. Pour les chimistes, on note que la fluoration de l'uranium se produit dans un réacteur à plasma vertical.Malgré l'abondance des méthodes d'enrichissement à ce jour, seules deux d'entre elles sont utilisées à l'échelle industrielle - la diffusion de gaz et les centrifugeuses. Dans les deux cas, du gaz est utilisé - UF 6 .Plus proche du cas de la séparation isotopique. Pour toute méthode, l'efficacité de la séparation isotopique est caractérisée par le coefficient de séparation α - le rapport de la fraction de l'isotope «léger» dans le «produit» à sa fraction dans le mélange primaire.Pour la plupart des méthodes, α n'est que légèrement supérieur à l'unité; par conséquent, pour obtenir une concentration isotopique élevée, une seule opération de séparation isotopique doit être répétée plusieurs fois (cascades). Par exemple, pour la méthode de diffusion de gaz α = 1,00429, pour les centrifugeuses, la valeur dépend fortement de la vitesse périphérique - à 250 m / s α = 1,026, à 600 m / s α = 1,233. Uniquement avec la séparation électromagnétique, α est de 10 à 1 000 pour 1 cycle de séparation. Un tableau comparatif pour plusieurs paramètres sera à la fin.L'ensemble de la cascade de machines d'enrichissement est toujours décomposé en étapes. Dans la première étape de la cascade de séparation, le flux du mélange initial est divisé en deux flux: appauvri (retiré de la cascade) et enrichi. Enrichi est alimenté au 2ème étage. Au 2ème étage, le flux une fois enrichi est à nouveau soumis à séparation:le flux enrichi du 2ème étage entre dans le 3ème, et son flux appauvri revient au précédent (1er), etc. À partir de la dernière étape de la cascade, un produit fini avec la concentration requise d'un isotope donné est sélectionné.Je parlerai brièvement des principales méthodes de séparation qui ont été utilisées dans le monde.Séparation électromagnétique
En utilisant cette méthode, il est possible de séparer les composants du mélange dans un champ magnétique, et avec une grande pureté. La séparation électromagnétique est historiquement la première méthode développée pour la séparation des isotopes de l'uranium.Comme la séparation peut être effectuée avec des ions uranium, la conversion de l'uranium en UF 6en principe - non requis. Cette méthode donne une grande pureté, mais un faible rendement à une consommation d'énergie élevée. La substance dont les isotopes doivent être séparés est placée dans le creuset d'une source d'ions, s'évapore et s'ionise. Les ions sont tirés de la chambre d'ionisation par un fort champ électrique. Le faisceau d'ions pénètre dans la chambre de séparation sous vide dans un champ magnétique H dirigé perpendiculairement au mouvement des ions. En conséquence, les ions se déplacent le long de leurs cercles avec des rayons de courbure différents (selon la masse). Il suffit de regarder l'image et de rappeler les leçons de l'école, où nous avons tous considéré le rayon de l'électron ou du proton dans un champ magnétique.
Diagramme montrant le principe de la séparation électromagnétique.L’avantage de la méthode est l’utilisation d’une technologie relativement simple ( calutrons: CAL ifornia U niversité).Il a été utilisé pour enrichir l'uranium à l'usine Y-12 (USA), avait 5184 chambres de séparation - kalyutrons, et pour la première fois a permis d'obtenir des quantités en kilogrammes de 235U d'enrichissement élevé - 80% ou plus.Dans le projet de Manhattan, les kalutons ont été utilisés après diffusion thermique - 7% des matières premières (alpha Y-12) ont été fournies aux alpha kalyutrons et enrichies à 15%. De l'uranium de qualité militaire (jusqu'à 90%) a été obtenu sur des bêta-calutrons à l'usine Y-12. Les calutrons alpha et bêta n'ont rien à voir avec les particules alpha et bêta, ce ne sont que deux «lignes» de calutrons, une pour préliminaire, la seconde pour enrichissement final.La méthode vous permet de séparer toute combinaison d'isotopes, a un degré de séparation très élevé. Deux passes suffisent pour enrichir au-dessus de 80% d'une substance pauvre avec une teneur initiale inférieure à 1%. La productivité est déterminée par la valeur du courant ionique et l'efficacité de la capture ionique - jusqu'à plusieurs grammes d'isotopes par jour (total pour tous les isotopes).
Un des ateliers de séparation électromagnétique à Oak Ridge (USA).
Alpha-calutron géant de la même plante.Méthodes de diffusion
Des méthodes de diffusion ont été utilisées pour l'enrichissement initial. Avec la méthode électromagnétique - historiquement l'une des premières. La méthode de diffusion est généralement comprise comme la diffusion de gaz - lorsque l'hexafluorure d'uranium est chauffé à une certaine température et passé à travers un "tamis" - un filtre spécialement conçu avec des trous d'une certaine taille.En bref d'un rapport de Cocoin (6 septembre 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
Le point clé ici est la phrase sur la taille des trous. Au départ, les mailles étaient faites mécaniquement, comme maintenant - personne ne sait. De plus, le matériau doit fonctionner à des températures élevées, les trous eux-mêmes ne doivent pas être obstrués, leur taille ne doit pas changer sous l'influence de la corrosion, etc. Les technologies de fabrication des barrières de diffusion sont toujours classées - le même savoir-faire qu'avec les centrifugeuses.Plus de détails sous le spoiler, du même rapport.«Sur l'état des recherches et travaux pratiques du Laboratoire n ° 2 pour la production d'uranium 235 par la méthode de diffusion», . (), . , , ,
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De plus, il y a un bon vide, qui nécessite une capacité suffisamment importante d'équipements de compresseur, et la présence d'un grand nombre d'équipements de contrôle de l'étanchéité (ce qui, en principe, n'est pas un problème dans le monde moderne, mais l'article traitait de l'après-guerre où tout était nécessaire, immédiatement et rapidement).Il a été utilisé comme l'une des premières étapes de l'enrichissement. Dans le projet de Manhattan, l'usine K-25 a enrichi l'uranium de 0,86% à 7%, puis les matières premières sont allées aux calutrons. En URSS - la plante qui souffre depuis longtemps D-1, ainsi que les plantes D-2 et D-3 qui l'ont suivie, et ainsi de suite.De plus, la méthode de séparation par "diffusion" est parfois comprise comme une diffusion liquide - également, uniquement en phase liquide. Principe physique - des molécules plus légères s'assemblent dans une région plus chaude. Typiquement, une colonne de séparation se compose de deux tubes disposés coaxialement dans lesquels des températures différentes sont maintenues. Un mélange séparable est introduit entre eux. La différence de température Δ conduit à l'apparition d'écoulements verticaux convectifs, et un flux d'isotopes de diffusion est créé entre les surfaces des tuyaux, ce qui conduit à l'apparition d'une différence de concentration d'isotopes dans la section transversale de la colonne. En conséquence, des isotopes plus légers s'accumulent près de la surface chaude du tube intérieur et remontent. La méthode de diffusion thermique permet de séparer les isotopes aussi bien en phase gazeuse qu'en phase liquide.Dans le projet Manhattan, c'est une usineS-50 - il a enrichi l'uranium naturel à 0,86%, soit seulement 1,2 fois plus d'enrichissement dans le cinquième uranium. En URSS, des travaux sur la diffusion des liquides ont été menés par le Radium Institute dans l'après-guerre, mais cette direction n'a reçu aucun développement.
Cascade de machines de séparation isotopique à diffusion gazeuse.Signatures sur le brevet - F. Simon, C. Fuchs, R. Peierls.Séparation aérodynamique
La séparation aérodynamique est une sorte d'option de centrifugation, mais au lieu de faire tourbillonner le gaz, elle tourbillonne dans une buse spéciale. Au lieu de mille mots - voir le dessin, le soi-disant Buse Becker pour la séparation aérodynamique des isotopes de l'uranium (un mélange d'hydrogène et d'hexafluorure d'uranium) sous pression réduite. L'hexafluorure d'uranium est un gaz très lourd et conduit à l'usure de petites parties des buses (voir échelle), et peut devenir solide dans les zones de haute pression (par exemple, à l'entrée de la buse), de sorte que l'hexafluorure est dilué avec de l'hydrogène. Il est clair qu'avec une teneur en matières premières de 4% dans le gaz, et même une pression réduite, l'efficacité de cette méthode n'est pas grande. Développé cette méthode essayée en Afrique du Sud et en Allemagne.
Tout ce que vous devez savoir sur la séparation aérodynamique est dans cette image. Buses
OptionsCentrifugation gazeuse
Probablement toute personne (et même un geek!) Qui a entendu au moins une fois l'énergie atomique, les bombes et l'enrichissement, en général sait ce qu'est une centrifugeuse, comment elle fonctionne et qu'il y a beaucoup de difficultés, de secrets et de savoir-faire dans la conception de tels appareils. Je vais donc dire quelques mots sur la centrifugation au gaz. Cependant, honnêtement, les centrifugeuses à gaz ont une histoire de développement très riche et méritent un article séparé.Le principe de fonctionnement est la séparation due aux forces centrifuges, en fonction de la différence absolue de masse. Pendant la rotation (jusqu'à 1000 tr / s, vitesse périphérique - 100 - 600 m / s), les molécules plus lourdes vont à la périphérie, plus légères - au centre (au niveau du rotor). Cette méthode est actuellement la plus productive et la moins chère (basée sur le prix de $ / PPE).Google regorge d'images schématiques d'un appareil de centrifugation, je ne donnerai que quelques photos de l'apparence de la cascade assemblée. Soit dit en passant, dans une telle pièce, il fait assez chaud - l'hexafluorure d'uranium est loin de la température ambiante, et toute cette cascade doit également être refroidie.
Cascade de centrifugeuses URENCO. Grand, mètres sous 3 de hauteur.
Il y en a de plus petits, environ un demi-mètre. Notre domestique.
Pour comprendre l'échelle, ou qu'est-ce qu'un "atelier d'horizon en horizon".Enrichissement laser
Le principe physique de l'enrichissement au laser est que les niveaux d'énergie atomique de divers isotopes sont légèrement différents.Cet effet peut être utilisé pour séparer l'U-235 de l'U-238, à la fois sous forme atomique - AVLIS et sous forme moléculaire - MLIS.La méthode utilise des paires d'uranium et des lasers qui sont précisément réglés sur une longueur d'onde spécifique, excitant les atomes du 235e uranium. Ensuite, les atomes ionisés sont retirés du mélange par un champ électrique ou magnétique.La technologie est très simple, et, de manière générale, ne nécessite pas de dispositifs mécaniques super complexes tels que des grilles de diffusion ou des centrifugeuses, il y a un autre problème.En septembre 2012, Global Laser Enrichment LLC (GLE) - un consortium de General Electric, Hitachi et Cameco - a reçu une licence de la US Nuclear Regulatory Commission (NRC) pour la construction d'une usine de séparation laser d'une capacité allant jusqu'à 6 millions d'UTS sur le site de la coentreprise existante GE, Toshiba et Hitachi Fuel Fabrication à Wilmington, Caroline du Nord. Enrichissement prévu - jusqu'à 8%. Cependant, la licence a été suspendue en raison de problèmes de diffusion de la technologie. Les technologies modernes d'enrichissement (diffusion et centrifugation) nécessitent un équipement spécial, si particulier que, d'une manière générale, si vous le souhaitez, en surveillant les contrats internationaux, vous pouvez indirectement supposer qui va enrichir l'uranium «tranquillement» (à l'insu de l'AIEA) ou travailler dans ce sens.Et ce suivi est en effet en cours. Si la méthode d'enrichissement au laser prouve sa simplicité et son efficacité, les travaux sur l'uranium de qualité militaire peuvent commencer à être effectués là où ils ne sont pas vraiment nécessaires. Par conséquent, alors que la méthode laser est en quelque sorte écrasée.
Les méthodes au laser peuvent également inclure la méthode moléculaire, basée sur le fait qu'aux fréquences infrarouges ou ultraviolettes, une absorption sélective du spectre infrarouge par le gaz 235 UF 6 se produit , ce qui permet ensuite l'utilisation de la méthode de dissociation des molécules excitées ou de séparation chimique.La teneur relative en U-235 peut être augmentée d'un ordre de grandeur au premier stade. Ainsi, un seul passage est suffisant pour fournir un enrichissement suffisant en uranium pour les réacteurs nucléaires.
Explications pour la méthode "moléculaire" avec séparation chimique.Avantages de l'enrichissement au laser:- Consommation électrique: 20 fois moins que pour la diffusion.
- Cascade: le nombre de cascades (de 0,7% à 3-5% U-235) est inférieur à 100, contre 150 000 centrifugeuses.
- Le coût de l'usine est nettement inférieur.
- Respectueux de l'environnement: au lieu de l'hexafluorure d'uranium, l'uranium métallique moins dangereux est utilisé.
- Le besoin d'uranium naturel est de 30% inférieur.
- 30% de résidus en moins (décharges).
Comparaison de différentes méthodes
Enrichissement d'uranium en Russie
Actuellement, il existe quatre usines d'enrichissement en Russie:La Russie possède une industrie puissante pour la séparation des isotopes ~ 40% du marché mondial, basée sur la méthode de centrifugation la plus économique (aujourd'hui).Pour l'an 2000 Les capacités d'enrichissement en Russie sont réparties comme suit: 40% pour les besoins nationaux, 13% pour le traitement des décharges d'utilisateurs étrangers, 30% pour le traitement de l'UHE et du LEU et 17% pour les commandes externes. Tout cela est un atome paisible. Nous avons cessé la production d'uranium enrichi à des fins militaires depuis 1989. D'ici 2004 170 tonnes (sur ~ 500 tonnes) d'UHE (uranium hautement enrichi) ont été traitées dans le cadre de l'accord HEU-LEU.C'est tout. Merci pour l'attention.