Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли изотопа ²³⁵U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащенный уран и обедненный уран.

В природном уране содержится три изотопа урана: ²³⁸U (массовая доля 99,2745 %), ²³⁵U (доля 0,72 %) и ²³⁴U (доля 0,0055 %). Изотоп ²³⁸U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого ²³⁵U. В настоящее время ²³⁵U является основой ядерных реакторов и получения плутония для ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа ²³⁵U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.

Степени обогащения урана

Природный уран с содержанием ²³⁵U 0,72% находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).

Уран с содержанием ²³⁵U до 20% называют низкообогащенным (англ. Low enriched uranium, LEU). Уран с обогащением 2..5% в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру. Уран с обогащением до 20% используется в исследовательских и экспериментальных реакторах.

Уран с содержанием ²³⁵U свыше 20% называют высокообогащенным (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным. На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90%. Высокообогащенный уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (т.е. с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах.

В отвалах обогатительных производств остается обедненный уран с содержанием ²³⁵U 0,1...0,3%. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обедненного урана. В будущем возможно использование обедненного урана в составе уран-плутониевого топлива для энергетических реакторов.

Технологии

Известно много методов разделения изотопов.^[1] Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжелые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем легкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжелые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с легким изотопом урана более подвижны чем тяжелые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF₆.

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако в ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Производство обогащенного урана в мире

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных WNA Market Report 2013 с прогнозом развития.

См. также

• Ядерная энергия
• Обеднённый уран

Примечания