Aventures d'hexafluorure d'uranium appauvri allemand en Russie. Partie 1. Histoire et technologies d'enrichissement

Depuis près de deux mois, Greenpeace et des militants écologistes font campagne pour interdire l'importation en Russie d'hexafluorure d'uranium appauvri (DUHF) en provenance d'Allemagne. J'ai déjà parlé de cette histoire au tout début: ont-ils commencé à importer des déchets radioactifs d'Europe en Russie? Nous comprenons . Au cours des dernières années, j'ai dû parler à plusieurs reprises dans les médias sur ce sujet ( voici une sélection de ces entrées ), participer à une discussion publique à Novouralsk , ainsi qu'à une discussion publique en personne avec l'un des principaux opposants à l'importation. Et la semaine dernière, j'ai visité la tournée de presse et à l'usine de l'UEHK à Novouralsk, où ils apportent des DUF.


Centrifugeuses à gaz à l'UECC - la plus grande usine d'enrichissement d'uranium au monde

Donc, pendant ce temps, j'ai essayé non seulement d'approfondir le matériel de la question, mais c'est énorme et intéressant, et j'ai étudié loin de tout, donc je vais essayer de compléter les matériaux au fur et à mesure que j'approfondis, mais j'ai aussi réussi à plonger dans le contexte social du problème. Essayons de comprendre cela dans l'ordre et commençons par un examen historique des technologies d'enrichissement de l'uranium.

Au lieu d'introduire

Tout d'abord, quelques mots sur la physique nucléaire. Comme vous le savez, l'uranium est utilisé comme combustible pour les centrales nucléaires et comme remplissage pour les armes nucléaires. L'uranium naturel se compose de plusieurs isotopes. Les isotopes sont des atomes d'un élément chimique qui diffèrent par la masse du noyau. L'uranium naturel se compose de 0,711% de l'isotope U-235 et 99,28% de l'U-238, eh bien, 0,01% de l'U-234, mais à ce sujet beaucoup plus tard. Chimiquement, ils sont exactement les mêmes, mais leurs propriétés nucléaires sont différentes. Pour être utilisées dans la plupart des réacteurs nucléaires, les centrales nucléaires doivent augmenter la proportion d'uranium 235 à 4-5% et pour les armes nucléaires à 90%.

L'augmentation de la proportion d'isotope de l'uranium 235 dans l'uranium est appelée enrichissement. Ce processus ne doit pas être confondu avec l'enrichissement du minerai, car il ne s'agit pas de séparer un élément chimique des stériles, par exemple l'uranium du minerai, où il est généralement d'environ 1%, mais de la séparation des atomes du même élément chimique. Par conséquent, ce processus est également appelé processus de séparation isotopique. Il est clair que cette tâche sera plus compliquée, car les méthodes chimiques ne fonctionnent pas ici. Nous devons trouver quelque chose qui ne tienne compte que de la différence de masse des noyaux, qui pour les isotopes d'uranium 235 et 238 n'est que d'environ 1,5%. Pas une tâche facile.

Pourquoi l'hexafluorure d'uranium est-il nécessaire?

Il existe différentes méthodes de séparation des isotopes, mais les deux plus productives et historiquement les plus répandues (diffusion et centrifuge) suggèrent l'utilisation du gaz comme milieu de travail. Et le seul composé chimique volatil de l'uranium est son composé avec le fluor - hexafluorure d'uranium (HFC, UF6). À la pression atmosphérique et jusqu'à 56 ° C, c'est une substance solide, mais lorsqu'elle est chauffée, elle passe d'un état solide à un gaz contournant le liquide. De plus, le fluor n'a qu'un seul isotope stable, donc la différence de masse des molécules d'UF6 est déterminée exclusivement par l'isotope de l'uranium. De plus, son triple point (où il est à la fois solide, liquide et gazeux) a une température et une pression pas très élevées, c'est-à-dire sa traduction en différents états de phase n'est pas très difficile, mais pour les applications industrielles, cela est important.

Je constate tout de suite que l'hexafluorure gazeux est nécessaire précisément pour le processus même de séparation isotopique. Il est transporté et stocké dans des conteneurs exclusivement sous forme solide. C'est à la fois plus sûr et plus facile, car c'est son état normal à température ordinaire.


Diagramme de phase de l'hexafluorure d'uranium (HFC ou UF6). Photo de l'auteur, prise à l'UECC.

Pour comprendre la place de l'hexafluorure d'uranium dans le cycle de l'énergie nucléaire et du combustible nucléaire, regardons le schéma ci-dessous. Elle est grande, mais ne vous inquiétez pas. Nous devons noter seulement 4 points dans le coin supérieur gauche et deux extrêmes, sur lesquels l'hexafluorure apparaît et disparaît. En fait, il disparaît également dans le carré supérieur gauche, lors du stockage, mais plus à ce sujet plus tard. Il faut comprendre que l'uranium lui-même ne disparaît nulle part, il est simplement transféré d'un composé chimique à un autre (des oxydes aux fluorures et vice versa). Une petite partie de l'uranium en tant qu'élément ne disparaît que dans un réacteur nucléaire après fission et autres réactions nucléaires.


Diagramme du cycle du combustible. L'hexafluorure d'uranium ne semble enrichir que l'uranium. Avant et après cette étape, l'uranium est présent sous d'autres formes chimiques. Source

Avant que l'uranium ne soit transformé en combustible pour les centrales nucléaires, il doit être extrait (d'une mine, d'un sol ou, comme cela sera peut-être à l'avenir, de l'eau de mer), puis converti sous forme d'oxydes, puis envoyé vers des usines de conversion spéciales (par exemple, à Seversk ou Angarsk) , où il sera déjà converti en hexafluorure d'uranium naturel (HFC). Ensuite, ces HFC sont envoyés dans des usines d'enrichissement (en Russie, il y en a quatre - les plus grandes à Novouralsk et 3 en Sibérie - à Seversk, Angarsk et Zelenogorsk), où deux produits sont formés - l'hexafluorure d'uranium enrichi, qui est envoyé aux usines de fabrication de combustibles (à Novossibirsk et Elektrostal, ou immédiatement sous forme de HFC à l'étranger pour des clients étrangers), et de l'hexafluorure d'uranium appauvri, qui est envoyé au stockage dans des usines d'enrichissement. L'hexafluorure d'uranium est donc l'uranium qui n'a pas encore été dans le réacteur. Bien qu'il existe de telles options, mais elles sont beaucoup moins courantes.

Un peu d'histoire des technologies d'enrichissement de l'uranium

Historiquement, une tâche d'une telle ampleur que l'enrichissement industriel de l'uranium a d'abord confronté les créateurs d'armes atomiques. Une alternative était la production de plutonium, et il était encore plus rapidement maîtrisé (sur lequel j'ai travaillé plus tôt ). Ensuite, le problème devait être résolu rapidement et à tout prix. Ils ont expérimenté aux États-Unis et en URSS avec différentes méthodes - avec diffusion de gaz, avec des méthodes électromagnétiques et avec des centrifugeuses. De plus, ils étaient combinés.

De l'uranium pour la première bombe atomique larguée sur le Japon, les Américains ont travaillé sur une installation électromagnétique Y-12 , qui utilise le principe de distinguer les trajectoires d'ions de masses différentes se déplaçant dans un champ magnétique. En URSS, une méthode similaire a été introduite dans l'installation SU-20 dans la ville de Lesnoy (puis la ville de Sverdlovsk-45, également dans la région de Sverdlovsk). Mais cette méthode ne permettait de travailler qu'avec de petits volumes de matière et de porter l'enrichissement de 75% aux 90-94% requis. Et avant cela, l'enrichissement était effectué sur des machines de diffusion. Ils étaient plus productifs et convenaient à l'enrichissement industriel de grands volumes d'uranium.


La bombe atomique "Kid", larguée sur Hiroshima le 6 août 1945, avait 64 kg d'uranium enrichi de méthodes électromagnétiques et de diffusion de gaz en "explosifs". L'URSS a fait exploser sa première bombe à l'uranium en 1951, deux ans après le plutonium. Source

La base de la méthode de diffusion est la différence dans les vitesses moyennes des molécules lourdes et légères lors du passage (diffusion) à travers des corps poreux - membranes. Cela signifie que les molécules légères traversent les pores plus facilement et plus rapidement, donc, après la membrane, le gaz est obtenu plus enrichi en atomes légers.


Le modèle de la première machine de diffusion de gaz en URSS OK-150, avec laquelle l'usine électrochimique de l'Oural - UECC a commencé, mais seulement l'usine 813 dans la ville fermée de Sverdlovsk-44, maintenant Novouralsk. Photo du musée UECC. À droite se trouve le compresseur, mais le cylindre vertical à gauche n'est qu'un bloc avec une crépine à travers laquelle l'hexafluorure d'uranium diffuse

Dans la séparation des isotopes, il est important de comprendre deux ou trois choses. Premièrement, chaque unité individuelle procède à un enrichissement très limité. Il n'y a que quelques molécules de plus avec U-235 dans la sortie de gaz par rapport à ce qui était à l'entrée (par dixièmes de pour cent). Par conséquent, vous devez combiner des centaines et des milliers de voitures dans les soi-disant cascades à travers lesquelles le gaz passe, s'enrichissant progressivement à la taille souhaitée. La première usine de diffusion de gaz D-1 en URSS (n ° 813, le futur UEHK) en 1948 avait 3000 machines OK-150.


Cascades de machines de diffusion à l'UECC. Stands photos du musée UECC.

Deuxièmement, c'est un plaisir très énergivore. Le nombre de machines et leurs puissants compresseurs, nécessaires pour pomper le gaz à travers des filtres, nécessitaient une énorme quantité d'électricité. La plante était en croissance, les plantes D-2, D-3 et D-4 ont été ajoutées à la plante D-1. En 1953, environ 15 000 machines à diffusion fonctionnaient à l'UECC et la consommation d'énergie était de 250 MW. En 1958, avec le lancement du D-5, la consommation est passée à 800 MW de capacité, soit environ 7 milliards de kWh / an. Dans les années 1950, l'URSS a ajouté trois autres usines d'enrichissement d'uranium en Sibérie à l'usine d'Oural: Angarsk Electrolysis Chemical Plant (AECC, Angarsk, Irkutsk Region), Electrochemical Plant (ECP, Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory) et Siberian Chemical Plant (SCC, Seversk, région de Tomsk). À la fin des années 50, jusqu'à 3% de toute l'électricité de l'URSS était destinée à l'enrichissement d'uranium. Aux États-Unis, jusqu'à la fin de la guerre froide, ils utilisaient la technologie de diffusion la plus énergivore pour l'énergie nucléaire et pour produire du combustible pour les centrales nucléaires (dont ils ont encore plus que quiconque), l'enrichissement a absorbé jusqu'à 7% de toute l'électricité .

Bien sûr, cela a créé des problèmes (il a fallu construire de puissantes centrales électriques, par exemple de grandes centrales hydroélectriques en Sibérie) et a émis en partie de telles centrales. Il y a une histoire intéressante sur la façon dont , en 1958, les analystes de la CIA ont calculé la capacité et l'emplacement de l'usine UECC à partir d'une photographie du circuit électrique de la région de l'Oural publiée dans le magazine Ogonyok.


La même photo du magazine Ogonyok, selon laquelle la CIA (entre autres sources) a étudié l'industrie nucléaire dans l'Oural. Source

Trois usines de diffusion de gaz ont été construites aux États-Unis - la première à Oak Ridge (déjà fermée), puis à Portsmouth et Paduc. Depuis 1956, en Angleterre, une usine de diffusion de gaz à Capenhurst a commencé à fonctionner en Angleterre. En France depuis 1964 - à Pierlatt, puis à l'usine la plus productive du Tricasten. Depuis 1960, avec l'aide de l'URSS, une usine de diffusion de gaz fonctionne en Chine, près de Hanzhou.

Centrifugeuses à gaz

Les machines des premières générations ont été remplacées par des unités plus modernes, mais au moment où les premières usines de diffusion de gaz ont été lancées en Europe, l'URSS avait déjà commencé la transition vers une technologie d'enrichissement fondamentalement différente, qui était devenue la principale à l'heure actuelle - la technologie des centrifugeuses à gaz.

Qu'est-ce qu'une centrifugeuse et comment fonctionne-t-elle? Le principe est simple - le gaz tourne très rapidement dans une centrifugeuse, et en raison de l'accélération centrifuge, des molécules plus lourdes s'accumuleront à la périphérie, et il y en aura plus légères plus près du centre. En théorie, tout est simple. Mais dans la pratique, des vitesses énormes sont nécessaires, de nouveaux matériaux robustes, des moteurs électriques, des roulements, une réduction de friction délicate, des systèmes d'entrée et de sortie de gaz qui n'interrompent pas le fonctionnement de la centrifugeuse ... Bref, dès le début des projets nucléaires cette idée a été envisagée dans notre pays et aux USA, mais en pratique Le réaliser s'est avéré beaucoup plus difficile que de construire un réacteur atomique. Aux États-Unis, elle a donc été rejetée, d'autant plus que les machines à diffusion ont bien fait leur travail. Mais en URSS, ils ne se sont pas arrêtés à la diffusion et ont rappelé les idées allemandes.

Oui, c'est allemand. Cette direction s'est développée en URSS après la guerre grâce aux ingénieurs allemands des prisonniers de guerre Zippe et Shteebek. Ils ont travaillé au laboratoire A de Soukhoumi (le futur institut de physique et de technologie de Soukhoumi), puis au bureau d'études de l'usine Kirov de Leningrad. Mais les idées ont été activement adoptées et affinées (par exemple, le système d'extraction de gaz) par nos experts, principalement Victor Sergeyev. En conséquence, au milieu des années 1950, les Allemands sont retournés en Allemagne (Shteebek en République démocratique allemande, Zippe en République fédérale d'Allemagne, où il a ensuite breveté la «centrifugeuse russe»), et Sergeyev a apporté les premières centrifugeuses russes à l'URSS pour une conception viable et un lancement en série. Les Allemands sont retournés dans leur pays d'origine, et après cela, en 1957, le site expérimental a été lancé pour la première fois à l'UECC, et en 1962 - la première usine d'enrichissement d'uranium au monde basée sur des centrifugeuses à gaz. Pour en savoir plus sur l'histoire des centrifugeuses, cliquez ici . Eh bien ou ici .


Dispositif de centrifugation. À gauche, un diagramme d'un article de Popular Mechanics . À droite, une section d'une centrifugeuse du musée de l'UECC.



Les voici, des cascades de centrifugeuses à gaz de 6ème génération à l'UECC dans l'atelier 53. Chacune ne mesure pas plus d'un mètre de haut, tourne à une vitesse de plus de 1 500 tr / min et fonctionne ainsi jusqu'à 30 ans ... La taille compacte par rapport aux machines à diffusion permet de les assembler en sections entières et placez même plusieurs niveaux en hauteur. Les tuyaux colorés sont l'approvisionnement et l'élimination de l'hexafluorure. Le jaune est le produit d'origine, le rouge s'épuise, le bleu s'enrichit.



La connexion optimale des centrifugeuses, ainsi que des machines de diffusion, est une science distincte. La théorie des cascades est appelée. À une certaine époque, les plus grands esprits y ont travaillé, notamment les lauréats du prix Nobel Richard Feynman et Paul Dirac aux États-Unis, Kikoin, Sobolev et d'autres en URSS.



Des centaines de milliers de centrifugeuses collectées dans des sections à plusieurs niveaux sur près de 2 kilomètres - ce n'est qu'un atelier de l'usine №53 ...



Et c'est moi avec ma collègue Alisa Muchnik sur le fond des cascades. Notez que nous n'avons pas d'équipement de protection, malgré le fait que dans les centrifugeuses le même hexafluorure toxique sous la forme gazeuse la plus mobile. Simplement, tout d'abord, la conception de la centrifugeuse est conçue pour que même en cas de rupture et de destruction à cause de l'énorme vitesse de son rotor, le boîtier extérieur robuste survive. Et d'autre part, en cas de dépressurisation du boîtier de libération de HFC, il n'y aura pas d'extérieur, mais au contraire il y aura une aspiration vers l'intérieur, car le rotor tourne dans le vide. Photo de Donat Sorokin .



Néanmoins, pour contrôler le bon fonctionnement de ce grand nombre de centrifugeuses, un capteur de réglage des paramètres (révolutions en premier lieu) est installé sur chacune - noir avec un fil blanc sur la photo.

Pourquoi allait-il aux centrifugeuses? C'est simple - la consommation d'énergie d'une centrifugeuse est presque 50 fois inférieure à celle d'une machine à diffusion. Et cela fait partie des premières générations. Et ils ont été remplacés par 9 en URSS / Russie depuis 60 ans, et chaque nouvelle génération de centrifugeuses est devenue encore plus productive, plus économique, plus fiable.



Générations de centrifugeuses à gaz et leurs paramètres. Source

Depuis 1992, la Russie a fermé les dernières installations d'enrichissement par diffusion, après avoir complètement opté pour les centrifugeuses. Bien qu'une petite section de machines de diffusion à l'UECC soit restée et fonctionne toujours comme un filtre pour filtrer les impuretés du produit entrant. La productivité des centrifugeuses de la 9e génération est 14 fois supérieure à celle de la première génération et le coût de séparation est 10 fois plus faible. L'UECC est devenue la plus grande usine de séparation d'isotopes d'uranium au monde (20% de la capacité mondiale).

En principe, il vaut mieux voir une fois que lire plusieurs fois. Par conséquent, je recommande de regarder une vidéo sur les centrifugeuses à gaz russes, où elle est clairement affichée:


Je note que la performance des dispositifs d'enrichissement est mesurée en SWU (unités de travail de séparation). Il s'agit d'une quantité calculée assez difficile, mais elle est importante pour comprendre les volumes du marché et la productivité. Par exemple, la capacité d'une centrifugeuse domestique était d'environ 0,4 SWU par an pour les premières générations, et est passée à 4 à 8 SWU par an pour les appareils modernes. Et la capacité totale de l'UECC est de plus de 10 millions d'UTS par an (près de 20% de toutes les capacités d'enrichissement mondiales).

Soit dit en passant, combien d'énergie la plus grande usine de séparation au monde à Novouralsk consomme-t-elle? Et le jeu en vaut-il la chandelle? La réponse se trouve dans leur rapport environnemental annuel - environ 1 milliard de kWh par an. C'est-à-dire consommation électrique moyenne d'environ 115 MW. Il semble que ce soit beaucoup, d'autant plus qu'il utilise déjà les centrifugeuses les moins énergivores (il est effrayant d'imaginer la consommation d'une installation de diffusion de même capacité). Cependant, il faut comprendre qu'il s'agit de la plus grande usine de ce type au monde. Et l'enrichissement est la partie la plus énergivore du cycle du combustible, qui est responsable des émissions de CO2 de l'électricité "atomique". Ayant accepté, en gros, que la centrale produit jusqu'à 20% du combustible pour les centrales nucléaires dans le monde (bien qu'en fait moins), qui produisent 2562 TWh d'électricité par an (soit 2562000 milliards de kWh) , nous constatons que le combustible nucléaire produit des millions de fois plus d'énergie que nécessaire. Telle est l'énorme concentration d'énergie dans l'atome et «l'efficacité» du cycle du combustible.

Peu personnel

Dans notre Oural, non seulement 5 des 10 villes «nucléaires» fermées sont situées, dans lesquelles se trouvent les principales usines du cycle du combustible nucléaire, y compris la plus grande usine d'enrichissement d'uranium au monde - UECC. À l' Institut de physique, l'UPI à Iekaterinbourg forme également des spécialistes du nucléaire, notamment pour les travaux d'enrichissement d'uranium. Cela se fait au département de physique technique (puis physique moléculaire) dont je suis diplômé. Certes, j'ai étudié dans une autre spécialité et étudié les réacteurs nucléaires. Mais ma future épouse étudiait la séparation des isotopes . Comme l'actuel directeur de l'UECC Alexander Belousov, bien qu'il ait étudié dans le même département 30 ans plus tôt que nous. Donc, pour me familiariser, j'ai également suivi un cours spécial sur la théorie de la cascade - un formulaire d'admission, des cahiers jetés avec des notes, qui ne peuvent être utilisés que dans la partie fermée de la faculté ... Secret et secret commercial, pour ainsi dire. Et après tout, ce qui est intéressant, lorsque les étudiants du Collège de physique et de technologie au début des années 2000 ont écouté les machines de diffusion exclusivement dans le cadre de l'histoire, à l'étranger, ils ont enrichi l'uranium de puissance et de principal ...

Et qu'est-ce qu'il y a à l'ouest?

Après avoir "purgé sa peine" en URSS en 1956, l'ingénieur Gernot Zippe est retourné dans l'ouest, en Allemagne, où il a décidé de poursuivre ses travaux sur les centrifugeuses. , , , . . , , . , . 1 20 , 12 0,6 , . ( SET I, II II 1985 , 2009 ) . 2013 5 ( ) , 3000 …


12 . Source

. , 1970- URENCO , (.. , ) . , — 3,65 40-80 . 1977 URENCO (. ) (. ), 1985 ( , ), 2010 , .


URENCO , . ( ). .

URENCO — ( , TENEX) . ( Georges Besse, URENCO), ( ) , :


— . , WNA .

, , — .

PS 10.01.2020: , , , , « » , . , - , , - .