Ядерна зброя, хочемо ми цього чи ні, – реальність, з якою живе людство з середини минулого століття. Ядерні реактори, як би не виступали критики атомної енергетики, вносять значний внесок в енергосистеми різних країн. І там, і там застосовується радіоактивний матеріал. В основному це уран, 92-й елемент таблиці Менделєєва.
Різні новинні джерела регулярно ведуть мовлення на своїх сторінках про те, що та чи інша держава початок збагачувати уран. Чому це так турбує світову громадськість, що в цьому страшного і як відбувається це саме збагачення?
Чим же так страшний збагачений уран
Збройовий Уран або плутоній небезпечні в чистому вигляді з однієї простої причини: з них при наявності певної технічної бази можна виготовити вибуховий ядерний пристрій.
На малюнку представлено схематичне зображення найпростішої ядерної боєголовки. Заготовки 1 і 2 з ядерного палива знаходяться всередині оболонки. Кожна з них становить одну з частин цілого кулі і важить трохи менше критичної маси використовуваного в бомбі збройового металу.
При підриві тротилового детонації заряду уранові злитки 1 і 2 з’єднуються в одне ціле, їх загальна маса впевнено перевищує критичну масу для даного матеріалу, що призводить до ланцюгової ядерної реакції і, відповідно, до атомного вибуху.
Здавалося б, нічого складного, але насправді це, звичайно ж, не так. В іншому випадку країн, які володіють ядерною зброєю, було б на планеті на порядок більше. Більш того, сильно зріс би ризик потрапляння таких небезпечних технологій в руки достатньо могутніх і розвинених терористичних угруповань.
Весь фокус у тому, що збагачувати уран, навіть при нинішньому розвитку техніки, в стані тільки дуже багаті держави, що володіють розвиненою науковою інфраструктурою. Ще складніше, без чого атомний пристрій не буде працювати, розділити 235 і 238 ізотопи урану.
Уранові рудники: правда і вигадка
В СРСР на обивательському рівні існувала гіпотеза про те, що в уранових шахтах працюють приречені на смерть злочинці, таким чином відкупляючи свою провину перед партією і радянським народом. Це, звичайно ж, не правда.
Видобуток урану – високотехнологічна галузь гірничодобувної промисловості, і пропащих вбивць з розбійниками навряд чи хтось допустив би до роботи зі складним і дуже дорогим обладнанням. Більше того, чутки про те, що добувають уран шахтарі в обов’язковому порядку мають протигаз і свинцеве нижня білизна, також не більш ніж міф.
Видобувається уран в шахтах глибиною іноді до кілометра. Найбільші запаси цього елемента виявлені в Канаді, Росії, Казахстані та Австралії. У Росії з однієї тонни руди виходить в середньому близько півтора кілограм урану. Це аж ніяк не найбільший показник. У деяких європейських рудниках ця цифра доходить до 22 кг з тонни.
Радіаційний фон в шахті приблизно такий же, як і на межі стратосфери, де латають цивільні пасажирські літаки.
Уранова руда
Збагачувати уран починають відразу після видобутку, безпосередньо біля шахти. Крім металу, як і будь-яка інша руда, уранова містить порожню породу. Початковий етап збагачення зводиться до сортування піднятих із шахти булижників: на багаті ураном і бідні. Буквально кожен шматок зважується, вимірюється автоматами і, в залежності від властивостей, направляється в той чи інший потік.
Потім у справу вступає млин, яка подрібнює багату ураном руду в дрібний порошок. Однак це поки не уран, а всього лише його оксид. Отримання ж чистого металу – складна ланцюг хімічних реакцій і перетворень.
Однак мало просто виділити чистий метал з вихідних хімічних сполук. З усього міститься в природі урану 99 % займає 238 ізотоп, його 235-му побратиму залишається менше одного відсотка. Їх поділ – складне завдання, вирішувати яку під силу далеко не кожній країні.
Газодифузійний спосіб збагачення
Це перший спосіб, з допомогою якого стали збагачувати уран. Застосовується до цих пір в США та Франції. Заснований на різниці щільності 235 і 238 ізотопів. Урановий газ, виділений з оксиду, під великим тиском закачується в камеру, розділений мембраною. Атоми ізотопу 235 більш легкі, тому від отриманої порції тепла рухаються швидше «повільних» атомів урану 238, відповідно, частіше й інтенсивніше б’ються об мембрану. За законами теорії ймовірності мають більше шансів потрапити в одну з мікропор і опинитися на іншій стороні цієї самої мембрани.
Ефективність такого методу невелика, адже різниця між ізотопами дуже і дуже незначна. Але як зробити збагачений уран, придатний для використання? Відповідь – застосовуючи цей метод багато і багато разів. Для того щоб отримати придатний для виготовлення палива реактора електростанції уран, система очищення газодифузійних способом повторюється кілька сотень разів.
Відгуки експертів про цьому методі неоднозначні. З одного боку, газодифузійний спосіб сепарації – перший, забезпечив Сполучені Штати високоякісним ураном, зробив їх на час лідером у військовій сфері. З іншого боку, вважається, що газова дифузія дає менше відходів. Єдине, що підводить в даному випадку, – висока ціна кінцевого продукту.
Центрифужну метод
Це розробка радянських інженерів. У теперішній же час крім Росії є цілий ряд країн, де збагачують уран методом, відкритим в СРСР. Це Бразилія, Великобританія, Німеччина, Японія та деякі інші держави. Метод схожий з газодиффузионной технологією тим, що використовує різницю мас 235 і 238 ізотопів.
Урановий газ закручується в центрифузі до 1500 оборотів в секунду. Завдяки різній щільності на ізотопи діють відцентрові сили різної величини. Уран 238, як більш важкий, накопичується у стінок центрифуги, в той час як 235-й ізотоп збирається ближче до центру. Суміш газів закачується у верхню частину циліндра. Пройшовши шлях до нижньої частини центрифуги, ізотопи встигають частково розділитися і відбираються окремо.
Незважаючи на те, що метод не дає 100%-ного поділу ізотопів, і для досягнення необхідного ступеня збагачення має застосовуватися багаторазово, економічно він набагато ефективніше газодиффузионного. Так, збагачений уран в Росії за технологією використання центрифуг приблизно в 3 рази дешевше отриманого на американських мембранах.
Застосування збагаченого урану
Для чого ж вся ця складна і дорога тяганина з очищенням, виділенням металу з окислів, розподілом ізотопів? Одна шайба збагаченого урану 235, із тих, що використовуються в атомній енергетиці (з таких «таблеток» набирають стрижні – Твели), вагою 7 грамів замінює приблизно три 200-літрові бочки бензину або близько тонни вугілля.
В залежності від чистоти і співвідношення змісту 235 і 238 ізотопів збагачений і збіднений уран застосовується по-різному.
Ізотоп 235 – більш енергоємне паливо. Збагачений уран вважається при вмісті ізотопу 235 більше 20 %. Це основа ядерної зброї.
Також збагачене энергонасыщенное сировина використовується як паливо для ядерних реакторів підводних човнах і космічних апаратах з-за обмеженості маси і розмірів.
Збіднений уран, що містить в основному 238 ізотоп – паливо для стаціонарних атомних реакторів цивільного призначення. Реактори на природному урані вважаються менш вибухонебезпечними.
До речі, за розрахунками економістів, при збереженні нинішніх темпів видобутку 92 елемента періодичної таблиці, вже до 2030 року почнуть виснажуватися його запаси розвіданих родовищах по всьому світу. Ось чому вчені з надією дивляться на термоядерний синтез, як на джерело дешевої і доступної енергії в майбутньому.
