Российский прорыв в технологии обогащения урана

Начать придётся чуть-чуть издалека. Суть «обогащения» в том, что ядерным горючим является не уран, как таковой, а только 235 изотоп урана, естественная концентрация которого составляет всего 0.72%.

Для работы реакторов на тепловых нейтронах эту концентрацию необходимо повысить до 3-6%, реакторы на быстрых нейтронах потребляют обогащённый до 25-30% уран. Для бомбы же требуются 70, а лучше 90%.

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/2354258/2354258_600.jpg
Но изотопы не различаются по химическим свойствам. Только чуть-чуть по массе. Разделять их очень сложно, и изначально никто этого делать не намеревался.

Ведь обжигая стержни с естественным ураном в тяжеловодных реакторах, можно получить плутоний, относительно легко отделяющийся химическим путём… Но плутоний оказался настолько неудобным материалом, что его переработка до недавнего времени оставалась экономически нецелесообразной даже сравнительно с обогащением урана.

Простейшим методом обогащения урана является газодиффузный. Соединение этого металла с фтором — гексафторид урана — при температуре выше 56 градусов превращается в газ. Этот газ можно прокачивать через молекулярные фильтры, причём более лёгкие и подвижные молекулы, содержащие атом 235 изотопа, будут иметь крошечное, но преимущество.

Метод привлекателен отсутствием необходимости в сложном оборудовании. Плох же тем, что практически он не работает. То есть, так можно разделять изотопы… но в 50-60-х годах, активно запасаясь ядерным оружием, США расходовали на работу обогатительных установок 7% вырабатывавшейся в стране электроэнергии.

СССР при всём энтузиазме мог наскрести для обогащения вдесятеро меньше киловатт-часов. В лоб проблема не решалась, поэтому, задача освоения технологии обогащения с помощью центрифуг, сокращавших энергетические затраты в 50 раз, была поставлена учёным сразу. Среди учёных, кстати, были и немецкие, трофейные. Вывезенные из Рейха вместе с образцами центрифуг.

Идея заключалась в том, что если газообразную смесь изотопов запустить в металлический цилиндр, а потом этот цилиндр раскрутить, центробежная сила размажет газ по стенкам, после чего уже сила Архимеда выдавит более лёгкую фракцию внутрь. В лабораторных условиях это работало с 30-х годов. Преимущественно для относительно лёгких химических элементов, у которых разница в массе изотопов может достигать 5-15%.

В случае гексафторида урана разница составляла 1%. И требовалось создать промышленную, а не настольную, установку.

Современная центрифуга 9+ поколения выглядит, как шестиметровый цилиндр из алюминия, стянутого углеволоконом — теми самыми неразрушимыми углеродными нанотрубками. Потому что скорость вращения точки на внутренней поверхности этого цилиндра вчетверо выше первой космической. Ну, где-то так. Точные характеристики засекречены.

Центрифуги объединяются в сборки по 20 штук так, чтобы чуть обогащённый газ перетекал из предыдущей в последующую, а сборки в тянущиеся на километры (не шутка) каскады.

В начале 60-х в СССР заработали центрифуги попроще, но и они позволили быстро ликвидировать отставание от США в масштабах обогащения. Прорыв не только не был секретным, но и широко использовался как повод для хвастовства, однако факт центрифугического обогащения урана в СССР, а позже в России, американские эксперты уверенно и аргументированно отрицали более 50 лет.

Сами американцы впервые отбросили идею центрифуги как избыточно сложную ещё в 1944 году. После чего повторяли данное упражнение ещё несколько раз. До тех пор, пока в результате совершенствования центрифуг разница в стоимости обогащения в России и США не стала сорокакратной. Последняя диффузная установка была закрыта у нас в 1992 году. В США — в 2013 году. Но в случае американцев это была просто последняя обогатительная установка.

Центрифугическое обогащение было освоено в середине 70-х в Европе, — с помощью тех самых трофейных немцев после того, как они были отпущены по домам. Позже, в Японии, Китае, Пакистане, Индии, Северной Корее… Но европейские и японские установки в настоящий момент соответствуют 6-му поколению российских. То есть, ещё советских центрифуг начала 80-х годов. Что позволяет продавать российский уран в том числе и французам. Уровень Китая, Ирана, Индии, КНДР — 4, 4+.

…И к делу. Революция-то где? Центрифуги — полвека не новость… Новость в том, что российские центрифуги 9, 9+ поколений обеспечивают экономическую целесообразность вторичной переработки обеднённого урана, которого только в России скопились сотни тысяч тонн. То есть, сырьём для них является то, что ранее было отходом процесса обогащения.

Более того, так они и работают, — на отходах. Ведь в процессе обогащения 235 изотоп извлекается не весь.

В обеднённом уране, концентрация «горючего» изотопа лишь снижается до 0.5% (диффузные установки) или до 0.3% (устаревшие советские центрифуги).

Современная же центрифуга выжимает остатки до уровня 0.1%. Это нецелесообразно само по себе, — с уменьшением концентрации урана-235 затраты растут прогрессивно… Но если сырьё — бесплатное. И возможность выжимать уран из отходов европейских обогатительных комбинатов (0.35%) по цене, позволяющей европейцам этот же уран потом и продать, — кое о чём говорит.