Por quase dois meses, o Greenpeace e ativistas ambientais vêm fazendo campanha para proibir a importação na Rússia de hexafluoreto de urânio empobrecido (DUHF) da Alemanha. Eu já falei sobre essa história desde o início: eles
começaram a importar resíduos radioativos da Europa para a Rússia? Nós entendemos . Nos últimos tempos, tive que falar várias vezes na mídia sobre esse tópico (
aqui está uma seleção dessas entradas ), participar de uma
discussão pública em Novouralsk , bem como de uma
discussão pública pessoal com um dos principais oponentes da importação. E na semana passada visitei a turnê de imprensa e na fábrica da UEHK em Novouralsk, onde eles trazem DUFs.
Centrífugas a gás na UECC - a maior planta de enriquecimento de urânio do mundoPortanto, durante esse período, tentei não apenas me aprofundar no material da questão, mas é enorme e interessante, e estudei longe de tudo, então tentarei suplementar os materiais à medida que eles aprofundarem, mas também consegui mergulhar no contexto social do problema. Vamos tentar descobrir isso em ordem e começar com uma revisão histórica das tecnologias de enriquecimento de urânio.
Em vez de introduzir
Primeiro, algumas palavras sobre física nuclear. Como você sabe, o urânio é usado como combustível para usinas nucleares e para o preenchimento de armas nucleares. O urânio natural consiste em vários isótopos. Isótopos são átomos de um elemento químico que diferem na massa do núcleo. O urânio natural consiste em 0,711% do isótopo U-235 e 99,28% do U-238, bem, 0,01% do U-234, mas sobre isso muito mais tarde. Quimicamente, eles são exatamente os mesmos, mas suas propriedades nucleares são diferentes. Para uso na maioria dos reatores nucleares, as usinas nucleares precisam aumentar a proporção de urânio-235 para 4-5% e armas nucleares para 90%.
O aumento na proporção de isótopo de urânio-235 em urânio é chamado enriquecimento. Esse processo não deve ser confundido com o enriquecimento de minério, já que não se trata de separar algum elemento químico da rocha residual, por exemplo, urânio de minério, onde geralmente é de cerca de 1%, mas a separação de átomos do mesmo elemento químico. Portanto, esse processo também é chamado de processo de separação isotópica. É claro que essa tarefa será mais complicada, porque os métodos químicos não funcionam aqui. Precisamos apresentar algo que leve em conta apenas a diferença nas massas dos núcleos, que para os isótopos de urânio 235 e 238 é de apenas 1,5%. Não é uma tarefa fácil.
Por que o hexafluoreto de urânio é necessário?
Existem métodos diferentes para a separação de isótopos, mas os dois mais produtivos e historicamente mais difundidos (difusão e centrífuga) sugerem o uso de gás como meio de trabalho. E o único composto químico volátil do urânio é o seu composto com hexafluoreto de flúor - urânio (HFC, UF6). À pressão atmosférica e até 56 ° C, é uma substância sólida, mas, quando aquecida, passa de um estado sólido para um gás que passa pelo líquido. Além disso, o flúor possui apenas um isótopo estável, portanto a diferença de massa das moléculas de UF6 é determinada exclusivamente pelo isótopo de urânio. Além disso, seu ponto triplo (onde está na forma sólida, líquida e gasosa ao mesmo tempo) tem temperatura e pressão não muito altas, ou seja, convertê-lo em diferentes estados de fase não é muito difícil, mas para aplicações industriais isso é importante.
Percebo imediatamente que o hexafluoreto gasoso é necessário precisamente para o próprio processo de separação isotópica. É transportado e armazenado em contêineres exclusivamente na forma sólida. É mais seguro e fácil, porque esta é sua condição normal à temperatura comum.
Diagrama de fases do hexafluoreto de urânio (HFC ou UF6). Foto do autor, tirada na UECC.Para entender o lugar do hexafluoreto de urânio no ciclo da energia nuclear e do combustível nuclear, vejamos o diagrama abaixo. Ela é grande, mas não se assuste. Precisamos observar apenas 4 pontos no canto superior esquerdo e dois extremos, nos quais o hexafluoreto aparece e desaparece. De fato, ele também desaparece no quadrado superior esquerdo, durante o armazenamento, mas mais sobre isso mais tarde. Deve-se entender que o próprio urânio não desaparece em lugar algum, é simplesmente transferido de um composto químico para outro (de óxidos para fluoretos e vice-versa). Uma pequena parte do urânio como elemento desaparece apenas em um reator nuclear após a fissão e outras reações nucleares.
Diagrama do ciclo de combustível. O hexafluoreto de urânio parece apenas enriquecer urânio. Antes e depois desse estágio, o urânio está presente em outras formas químicas. FonteAntes de o urânio ser transformado em combustível para usinas nucleares, ele deve ser extraído (de uma mina, solo ou, como pode ser no futuro, da água do mar), convertido para a forma de óxidos e enviado para usinas de conversão especiais (por exemplo, em Seversk ou Angarsk) , onde já será convertido em hexafluoreto de urânio natural (HFC). Esse HFC é então enviado para as usinas de enriquecimento (na Rússia existem quatro delas - a maior em Novouralsk e 3 na Sibéria - em Seversk, Angarsk e Zelenogorsk), onde são formados dois produtos - o hexafluoreto de urânio enriquecido, enviado para as usinas de combustível (em Novosibirsk e Elektrostal, ou imediatamente na forma de HFCs no exterior para clientes estrangeiros) e hexafluoreto de urânio empobrecido, que é enviado para armazenamento em plantas de enriquecimento. Portanto, o hexafluoreto de urânio é o urânio que ainda não está no reator. Embora existam essas opções, elas são muito menos comuns.
Um pouco de história das tecnologias de enriquecimento de urânio
Historicamente, uma tarefa em larga escala como o enriquecimento industrial de urânio confrontou os criadores de armas atômicas. Uma alternativa foi a produção de plutônio, e ele foi dominado ainda mais rapidamente (sobre o qual trabalhei nele
anteriormente ). Em seguida, o problema tinha que ser resolvido rapidamente e a qualquer custo. Eles experimentaram nos EUA e na URSS com métodos diferentes - com difusão de gás, métodos eletromagnéticos e centrífugas. Além disso, eles foram combinados.
Urânio para a primeira bomba atômica lançada no Japão, os americanos trabalharam em uma instalação eletromagnética
Y-12 , que usa o princípio de distinguir trajetórias de íons de diferentes massas que se deslocam em um campo magnético. Na URSS, um método semelhante foi introduzido
na instalação do SU-20 na cidade de Lesnoy (então a cidade de Sverdlovsk-45, também na região de Sverdlovsk). Mas esse método permitiu trabalhar apenas com pequenos volumes de material e elevar o enriquecimento de 75% para os 90-94% necessários. E antes disso, o enriquecimento era realizado em máquinas de difusão. Eles eram mais produtivos e adequados para o enriquecimento industrial de grandes volumes de urânio.
A bomba atômica "Kid", lançada em Hiroshima em 6 de agosto de 1945, tinha 64 kg de urânio enriquecido com métodos de difusão eletromagnética e de gás como "explosivos". A URSS explodiu sua primeira bomba de urânio em 1951, dois anos após o plutônio. FonteA base do método de difusão é a diferença nas velocidades médias de moléculas pesadas e leves durante a passagem (difusão) através de corpos porosos - membranas. Isso significa que as moléculas de luz passam pelos poros com mais facilidade e rapidez; portanto, após a membrana, o gás é obtido mais enriquecido em átomos de luz.
O modelo da primeira máquina de difusão de gás na URSS OK-150, com a qual a Usina Eletroquímica de Ural - UEHK começou, mas apenas a usina 813 na cidade fechada de Sverdlovsk-44, agora Novouralsk. Foto do museu da UECC. À direita está o compressor, mas o cilindro vertical à esquerda é apenas um bloco com um filtro através do qual o hexafluoreto de urânio difundeNa separação de isótopos, é importante entender algumas coisas. Em primeiro lugar, cada unidade individual realiza o enriquecimento em uma quantidade muito pequena. Existem apenas mais algumas moléculas com o U-235 na saída de gás em comparação com o que estava na entrada (em décimos de um por cento). Portanto, você deve combinar centenas e milhares de carros nas chamadas cascatas pelas quais o gás passa, enriquecendo gradualmente para o tamanho desejado. A primeira planta de difusão de gás D-1 na URSS (nº 813, o futuro UEHK) em 1948 tinha 3.000 máquinas OK-150.
Cascatas de máquinas de difusão na UECC. Suportes de fotos do museu da UECC.Em segundo lugar, é um prazer muito consumidor de energia. Tanto o número de máquinas quanto seus poderosos compressores, necessários para bombear gás através de filtros, exigiam uma quantidade enorme de eletricidade. A planta estava crescendo, as plantas D-2, D-3 e D-4 foram adicionadas à planta D-1. Em 1953, cerca de
15 mil máquinas de difusão estavam operando na UECC, e o consumo de energia era de 250 MW. Em 1958, com o lançamento do D-5, o consumo aumentou para 800 MW de capacidade, ou cerca de 7 bilhões de kWh / ano. Na década de 1950, a URSS adicionou mais três plantas de enriquecimento de urânio na Sibéria à planta de Ural: planta química de eletrólise de Angarsk (AECC, Angarsk, região de Irkutsk), planta eletroquímica (ECP, Zelenogorsk, território de Krasnoyarsk) e planta química siberiana (SCC, Seversk, região de Tomsk). No final da década de 1950, até
3% de toda a eletricidade da URSS era destinada ao enriquecimento de urânio. Ao mesmo tempo, nos EUA, até o final da Guerra Fria, eles usavam a tecnologia de difusão mais intensiva em energia para energia nuclear e para produzir combustível para usinas nucleares (que ainda possuem mais do que qualquer outra pessoa), o enriquecimento consumia
até 7% de toda a eletricidade .
Isso, é claro, criou problemas (era necessário construir usinas elétricas poderosas, por exemplo, grandes usinas hidrelétricas na Sibéria) e emitiu parcialmente essas usinas. Há uma
história interessante sobre como , em 1958, os analistas da CIA calcularam a capacidade e a localização da planta da UECC a partir de uma fotografia do circuito elétrico da região de Ural publicada na revista Ogonyok.
A mesma foto da revista Ogonyok, segundo a qual a CIA (entre outras fontes) estudou a indústria nuclear nos Urais. FonteTrês plantas de difusão de gás foram construídas nos Estados Unidos - a primeira em Oak Ridge (já fechada), depois em Portsmouth e Paduc. Desde 1956, na Inglaterra, uma fábrica de difusão de gás em Capenhurst começou a operar na Inglaterra. Na França desde 1964 - em Pierlatt, então a fábrica mais produtiva em Tricasten. Desde 1960, com a ajuda da URSS, uma planta de difusão de gás opera na China, perto de Hanzhou.
Centrífugas a gás
As máquinas das primeiras gerações foram substituídas por unidades mais modernas, mas quando as primeiras plantas de difusão de gás foram lançadas na Europa, a URSS já havia começado a transição para uma tecnologia de enriquecimento fundamentalmente diferente, que havia se tornado a principal atualmente - a tecnologia de centrífuga de gás.
O que é uma centrífuga e como funciona? O princípio é simples - o gás gira muito rapidamente em uma centrífuga e, devido à aceleração centrífuga, moléculas mais pesadas se acumulam na periferia e outras mais leves ficam mais próximas do centro. Em teoria, tudo é simples. Mas, na prática, são necessárias velocidades tremendas, novos materiais resistentes, motores elétricos, rolamentos, sistemas de redução de atrito, sistemas de entrada e saída de gás que não interrompem a operação da centrífuga ... Em suma, desde o início dos projetos nucleares, essa idéia foi considerada em nosso país e nos EUA, mas na prática. Perceber que era muito mais difícil do que construir um reator atômico. Portanto, nos Estados Unidos, ele foi descartado, principalmente porque as máquinas de difusão lidavam bem com sua tarefa. Mas na URSS eles não pararam na difusão e trouxeram à mente as idéias alemãs.
Sim, é alemão. Essa direção se desenvolveu na URSS após a guerra, graças aos prisioneiros de guerra alemães, engenheiros Zippe e Shteebek. Eles trabalharam no Laboratório A em Sukhumi (o futuro Instituto de Física e Tecnologia Sukhumi) e depois no departamento de design da fábrica de Kirov, em Leningrado. Mas as idéias foram ativamente adotadas e refinadas (por exemplo, o sistema de extração de gás) por nossos especialistas, principalmente Victor Sergeyev. Como resultado, em meados da década de 1950, os alemães retornaram à Alemanha (Shteebek, na República Democrática Alemã, Zippe, na República Federal da Alemanha, onde mais tarde patenteou a "centrífuga russa"), e Sergeyev levou as primeiras centrífugas russas para a URSS para um design viável e lançamento em série. Os alemães retornaram à sua terra natal e, depois disso, em 1957, o local experimental foi lançado pela primeira vez na UECC e em 1962 - a primeira planta de enriquecimento de urânio do mundo baseada em centrífugas a gás. Leia mais sobre a história das centrífugas
aqui . Bem ou
aqui .
Dispositivo de centrifugação. À esquerda, está um diagrama de um artigo da
Popular Mechanics . À direita, há uma seção de uma centrífuga do museu da UECC.
Aqui estão elas, cascatas de centrífugas de sexta geração na UECC na oficina 53. Cada uma não mede mais de um metro de altura, gira a uma velocidade de mais de 1.500 rpm e funciona assim por até 30 anos ... O tamanho compacto comparado às máquinas de difusão permite que sejam montadas em seções inteiras e coloque várias camadas de altura. Tubos coloridos são o fornecimento e a remoção de hexafluoreto. O amarelo é o produto original, o vermelho se esgota e o azul é enriquecido.
A conexão ideal de centrífugas, bem como de máquinas de difusão, é uma ciência separada. A teoria das cascatas é chamada. Ao mesmo tempo, as maiores mentes trabalharam nisso, incluindo os ganhadores do Nobel Richard Feynman e Paul Dirac nos EUA, Kikoin, Sobolev e outros na URSS.
Centenas de milhares de centrífugas coletadas em seções de vários níveis ao longo de quase 2 quilômetros - esta é apenas uma oficina da fábrica №53 ...
E esse sou eu com minha colega Alisa Muchnik no fundo das cascatas. Observe que não temos nenhum equipamento de proteção, apesar de nas centrífugas o mesmo hexafluoreto venenoso na forma gasosa mais móvel. Simplesmente, primeiro, o design da centrífuga é projetado para que, mesmo em caso de quebra e destruição devido à enorme velocidade do seu rotor, a robusta carcaça externa sobreviva. Em segundo lugar, no caso de despressurização da carcaça de liberação do HFC, não haverá fora, mas, pelo contrário, haverá uma sucção para dentro, porque o rotor gira no vácuo. Foto de Donat Sorokin .
No entanto, para controlar a operação correta desse grande número de centrífugas, um sensor para definir parâmetros (rotações em primeiro lugar) é instalado em cada um - preto com um fio branco na foto.Por que estava indo para centrífugas? É simples - o consumo de energia de uma centrífuga é quase 50 vezes menor que o de uma máquina de difusão. E isso está entre as primeiras gerações. E foram substituídos por 9 na URSS / Rússia há mais de 60 anos, e cada nova geração de centrífugas se tornou ainda mais produtiva, econômica e confiável.
Gerações de centrífugas a gás e seus parâmetros. FonteDesde 1992, a Rússia fechou as últimas instalações de enriquecimento por difusão, tendo mudado completamente para centrífugas. Embora uma pequena seção de máquinas de difusão na UECC tenha permanecido e ainda funcione como um filtro para a triagem de impurezas do produto recebido. A produtividade das centrífugas da 9ª geração é 14 vezes maior que a da primeira geração, e o custo da separação é 10 vezes menor. A UECC tornou-se a maior planta de separação de isótopos de urânio do mundo (20% da capacidade global).
Em princípio, é melhor ver uma vez do que ler muitas vezes. Portanto, recomendo assistir a um vídeo sobre centrífugas a gás russas, onde é mostrado claramente:
Observo que o desempenho dos dispositivos de enriquecimento é medido em SWU (unidades de trabalho de separação). Essa é uma quantidade calculada bastante difícil, mas é importante para entender os volumes e a produtividade do mercado. Por exemplo, a capacidade de uma centrífuga doméstica foi de cerca de 0,4 SWU por ano nas primeiras gerações e aumentou para 4-8 SWU por ano para dispositivos modernos. E a capacidade total da UECC é superior a 10 milhões de SWU por ano (quase 20% de todas as capacidades mundiais de enriquecimento).
A propósito, quanta energia consome a maior planta de separação do mundo em Novouralsk? E o jogo vale a pena? A resposta pode ser encontrada em seu
relatório ambiental anual - cerca de 1 bilhão de kWh por ano. I.e. consumo médio de energia de cerca de 115 MW. Parece que isso é muito, especialmente porque ele já está usando as centrífugas menos intensivas em energia (é assustador imaginar o consumo de uma planta de difusão com a mesma capacidade). No entanto, é preciso entender que esta é a maior planta do mundo. E o enriquecimento é a parte que consome mais energia do ciclo do combustível, responsável pelas emissões de CO2 da eletricidade "atômica". Tendo aceitado, grosso modo, que a usina produz até 20% do combustível para usinas nucleares no mundo (embora na verdade seja menor), que gera
2562 TWh de eletricidade por ano (ou seja, 2.562.000 bilhões de kWh) , descobrimos que o combustível nuclear produz milhões de vezes mais energia do que você precisa para obtê-la. Essa é a enorme concentração de energia no átomo e a "eficiência" do ciclo do combustível.
Pouco pessoal
Em nossos Urais, não são apenas cinco das dez cidades "nucleares" fechadas, nas quais estão localizadas as principais usinas de ciclo de combustível nuclear, incluindo a maior usina de enriquecimento de urânio do mundo - UECC. No
Instituto de Física, a UPI em Ecaterimburgo também treina especialistas nucleares, incluindo para obras de enriquecimento de urânio. Isso é feito no
departamento de física técnica (então física molecular), da qual me formei. É verdade que estudei em outra especialidade e estudei reatores nucleares. Mas minha futura esposa estudava a
separação de isótopos . Como o atual diretor da UECC, Alexander Belousov, embora ele tenha estudado no mesmo departamento 30 anos antes que nós. Então, para familiarização, eu também tive um curso especial sobre teoria das cascatas - um formulário de admissão, cadernos descartados com anotações, que só podem ser usados na parte fechada da faculdade ... Sigilo e segredo comercial, como é. E, afinal, o que é interessante, quando os estudantes da Faculdade de Física e Tecnologia, no início dos anos 2000, ouviram as máquinas de difusão exclusivamente como parte da história, enquanto no exterior enriqueciam o urânio com força e ...
E o que há no oeste?
Após o "tempo de serviço" na URSS em 1956, o engenheiro Gernot Zippe retornou ao oeste, na Alemanha, onde decidiu continuar trabalhando nas centrífugas. , , , . . , , . , . 1 20 , 12 0,6 , . (
SET I, II II 1985 ,
2009 ) .
2013 5 ( ) , 3000 …
12 . Fonte. , 1970-
URENCO , (.. , ) . , —
3,65 40-80 . 1977 URENCO (. ) (. ), 1985 ( , ), 2010 , .
URENCO , . ( ). .URENCO — ( , TENEX) . ( Georges Besse, URENCO), ( ) , :
— . , WNA ., , —
.
PS 10.01.2020: , , , ,
« » , . , - , , - .