Laboranlage zur Trennung von Isotopensystemen. Trennung von Uranisotopen

Isotopentrennung

Isotopentrennung- ein technologischer Prozess, bei dem einzelne Isotope dieses Elements aus einem Material isoliert werden, das aus einer Mischung verschiedener Isotope eines chemischen Elements besteht. Die Hauptanwendung des Isotopentrennverfahrens ist die Herstellung von Kernbrennstoff, waffenfähigem radioaktivem Material und anderen Anwendungen, bei denen radioaktive Substanzen verwendet werden. In solchen Fällen zielt die Trennung meist darauf ab, das Material mit bestimmten radioaktiven Isotopen anzureichern oder abzureichern.

Allgemeine Grundsätze

Die Trennung von Isotopen (z. B. die Gewinnung von , 235 U , ) ist immer mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da sich Isotope, also Variationen eines Elements mit wenig unterschiedlicher Masse, chemisch nahezu gleich verhalten. Aber - die Durchgangsgeschwindigkeit einiger Reaktionen ist je nach Isotop des Elements unterschiedlich, außerdem können Sie den Unterschied in ihren physikalischen Eigenschaften - zum Beispiel in der Masse - nutzen.

Die Leistung eines solchen Kaskadensystems wird von zwei Faktoren beeinflusst: dem Anreicherungsgrad in jeder Stufe und dem Verlust des gewünschten Isotops im Abfallstrom.

Lassen Sie uns den zweiten Faktor erklären. In jeder Anreicherungsstufe wird der Strom in zwei Teile geteilt – angereichert und abgereichert mit dem gewünschten Isotop. Da der Anreicherungsgrad extrem gering ist, kann die Gesamtmasse des Isotops im verbrauchten Gestein leicht seine Masse im angereicherten Teil übersteigen. Um einen solchen Verlust an wertvollen Rohstoffen zu verhindern, wird der abgereicherte Strom jeder nachfolgenden Stufe wieder dem Eingang der vorherigen zugeführt.

Das Ausgangsmaterial tritt nicht in die erste Stufe der Kaskade ein. Es wird in das System unmittelbar bis zu einer n-ten Stufe eingeführt. Dadurch wird Material, das stark am Hauptisotop verarmt ist, aus der ersten Stufe entfernt.

Hauptverfahren zur Isotopentrennung

Elektromagnetische Trennung
Gasdiffusion
Flüssige thermische Diffusion
Gaszentrifugation
Aerodynamische Trennung
Laser-Isotopentrennung
Chemische Anreicherung
Photochemische Trennung

In jedem Fall hängt die erzeugte Menge an angereichertem Material vom gewünschten Anreicherungsgrad und der Magerkeit der Ausgangsströme ab. Wenn der Ausgangsstoff in großen Mengen und kostengünstig verfügbar ist, kann die Leistung der Kaskade gesteigert werden, indem eine große Menge des nicht extrahierten nützlichen Elements (z. B. die Produktion von Deuterium aus gewöhnlichem Wasser) mit dem Abfall verworfen wird. Bei Bedarf wird ein hoher Extraktionsgrad des Isotops aus dem Rohstoff erreicht (z. B. bei der Anreicherung von Uran oder Plutonium).

Elektromagnetische Trennung

Diese Methode ermöglicht es Ihnen, jede Kombination von Isotopen zu trennen, hat einen sehr hohen Trennungsgrad. Zwei Durchgänge reichen normalerweise aus, um eine Anreicherung von über 80 % aus einem schlechten Material (mit einem Anfangsgehalt des gewünschten Isotops von weniger als 1 %) zu erhalten. Für die industrielle Produktion ist die elektromagnetische Trennung jedoch wenig geeignet: Die meisten Stoffe lagern sich im Inneren des Calutrons ab, sodass es regelmäßig zur Wartung angehalten werden muss. Weitere Nachteile sind hoher Stromverbrauch, Komplexität und hohe Wartungskosten, geringe Produktivität. Der Hauptanwendungsbereich des Verfahrens ist die Herstellung kleiner Mengen reiner Isotope für den Laborgebrauch. Während des Zweiten Weltkriegs wurde jedoch die Y-12-Anlage gebaut, die ab Januar 1945 eine Kapazität von 204 Gramm 80% U-235 pro Tag erreichte.

Gasdiffusion

Diese Methode nutzt den Unterschied in den Bewegungsgeschwindigkeiten von Gasmolekülen unterschiedlicher Masse. Es ist klar, dass es nur für Substanzen im gasförmigen Zustand geeignet sein wird.

Bei unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten von Molekülen, wenn sie gezwungen werden, sich durch eine dünne Röhre zu bewegen, überholen die schnelleren und leichteren die schwereren. Dazu muss die Röhre so dünn sein, dass sich die Moleküle einzeln durch sie hindurchbewegen. Der Schlüsselpunkt hier ist also die Herstellung von porösen Membranen für die Trennung. Sie dürfen nicht auslaufen, übermäßigem Druck standhalten.

Flüssige thermische Diffusion

Gaszentrifugation

Diese Technologie wurde erstmals während des Zweiten Weltkriegs in Deutschland entwickelt, aber bis Anfang der 50er Jahre nirgendwo industriell eingesetzt. Wird ein gasförmiges Isotopengemisch durch Hochgeschwindigkeits-Gaszentrifugen geleitet, so trennt die Zentrifugalkraft leichtere oder schwerere Partikel in Schichten, in denen sie gesammelt werden können. Der große Vorteil der Zentrifugation besteht darin, dass der Trennfaktor vom absoluten Massenunterschied und nicht vom Massenverhältnis abhängt. Die Zentrifuge funktioniert mit leichten und schweren Elementen gleichermaßen gut. Der Abscheidegrad ist proportional zum Quadrat des Verhältnisses der Rotationsgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Moleküle im Gas. Von hier aus ist es sehr wünschenswert, die Zentrifuge so schnell wie möglich zu drehen. Typische lineare Geschwindigkeiten von rotierenden Rotoren sind 250-350 m/s und mehr als 600 m/s in fortschrittlichen Zentrifugen.

Ein typischer Trennfaktor ist 1,01 - 1,1. Im Vergleich zu Gasdiffusionsanlagen hat dieses Verfahren einen geringeren Stromverbrauch und eine einfachere Leistungssteigerung. Derzeit ist die Gaszentrifugation die wichtigste industrielle Methode der Isotopentrennung in Russland.

Aerodynamische Trennung

Dieses Verfahren kann als eine Variante der Zentrifugation betrachtet werden, aber anstatt das Gas in einer Zentrifuge zu verwirbeln, verwirbelt es, wenn es aus einer speziellen Düse austritt, wo es unter Druck zugeführt wird. Diese auf dem Vortex-Effekt basierende Technologie wurde von Südafrika und Deutschland eingesetzt.

Laser-Isotopentrennung (LIS)

Verschiedene Isotope absorbieren Licht bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Ein fein abgestimmter Laser kann Atome eines bestimmten Isotops selektiv ionisieren. Die entstehenden Ionen lassen sich zB durch ein Magnetfeld leicht trennen. Diese Technologie ist äußerst effizient und wurde in Südafrika (MLIS), China (CRISLA), USA (AVLIS) und Frankreich (SILVA) eingesetzt. Die Technologie hat einen großen Nachteil, nämlich die Schwierigkeit, die Ausrüstung von einem Isotop zum anderen umzubauen. AVLIS wurde durch SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) ersetzt, das von General Electric und Hitachi entwickelt wurde. Der Bau eines Werks in Wilmington, North Carolina, hat begonnen.

Chemische Anreicherung

Die chemische Anreicherung nutzt den Unterschied in der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen mit verschiedenen Isotopen aus. Es funktioniert am besten, wenn leichte Elemente getrennt werden, bei denen der Unterschied erheblich ist. In der industriellen Produktion werden Reaktionen eingesetzt, die mit zwei Reagenzien in unterschiedlichen Phasen (gas/flüssig, flüssig/fest, nicht mischbare Flüssigkeiten) ablaufen. Dies macht es einfach, fette und magere Ströme zu trennen. Durch die zusätzliche Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen den Phasen wird eine zusätzliche Erhöhung des Trennfaktors erreicht. Die chemische Trennung ist heute die energiesparendste Technologie zur Herstellung von Schwerwasser. Neben der Produktion von Deuterium wird es zur Gewinnung von 6 Li verwendet. In Frankreich und Japan wurden Methoden zur chemischen Anreicherung von Uran entwickelt, die jedoch nie die industrielle Entwicklung erreichten.

Destillation

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

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Trennung von Isotopen basierend auf Isotopen. Verschiebung der Energieniveaus von Atomen und Molekülen und Nutzung der Resonanzwirkung von Laserstrahlung. Intensive monochromatische Laserstrahlung, die Übergänge zwischen den entsprechenden energetischen ... ... Physikalische Enzyklopädie

Isotopentrennung- ein technologischer Prozess zur Änderung der Isotopenzusammensetzung eines Stoffes, der aus einer Mischung verschiedener Isotope eines chemischen Elements besteht. Aus einem Isotopengemisch werden am Ausgang des Prozesses zwei Gemische erhalten: eines mit erhöhtem Gehalt des gewünschten Isotops (angereichertes Gemisch), das andere mit reduziertem Gehalt (mageres Gemisch).

Die Hauptanwendung des Isotopentrennverfahrens ist die Anreicherung von Uran mit dem Isotop 235 U zur Herstellung von Kernbrennstoffen, waffenfähigen radioaktiven Stoffen und anderen Anwendungen im Zusammenhang mit der Verwendung radioaktiver Stoffe.

Die industrielle Arbeit zum Trennen von Isotopen wird in Einheiten der Arbeit – Trennung (SWU) gemessen. Für eine bestimmte Änderung der Isotopenzusammensetzung eines bestimmten Ausgangsgemisches wird unabhängig von der Isotopentrenntechnik die gleiche Menge an SWU benötigt.

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Untertitel

Allgemeine Grundsätze

Die Trennung von Isotopen (z. B. die Extraktion von 6 Li, 235 U,) ist immer mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da sich Isotope, die Variationen eines Elements sind, die sich geringfügig in der Masse unterscheiden, chemisch nahezu gleich verhalten. Aber - die Durchgangsgeschwindigkeit einiger Reaktionen ist je nach Isotop des Elements unterschiedlich, außerdem können Sie den Unterschied in ihren physikalischen Eigenschaften - zum Beispiel in der Masse - nutzen.

Wie dem auch sei, die Unterschiede im Verhalten der Isotope sind so gering, dass sich die Substanz in einem Schritt der Trennung um Hundertstel Prozent anreichert und der Trennvorgang immer wieder wiederholt werden muss – und zwar unzählige Male. Technologisch geschieht dies, indem das Volumen der zu trennenden Isotope sukzessive durch Zellen des gleichen Typs geleitet wird, die eine Trennung bewirken - Kaskaden. Um die notwendige Trennung zu erreichen, können mehrere Tausend Kaskaden in Reihe geschaltet werden, und um das erforderliche Volumen zu erhalten, können Zehn- und Hunderttausende solcher aufeinanderfolgender Gruppen von Kaskaden parallel geschaltet werden.

Die Leistung eines solchen Kaskadensystems wird von zwei Faktoren beeinflusst: dem Anreicherungsgrad in jeder Stufe und dem Verlust des gewünschten Isotops im Abfallstrom.

Hauptverfahren zur Isotopentrennung

Elektromagnetische Trennung
Gasdiffusion
Gas- oder Flüssigkeitsthermodiffusion
Aerodynamische Trennung
Laser-Isotopentrennung
Chemische Anreicherung
Photochemische Trennung

In jedem Fall hängt die erzeugte Menge an angereichertem Material vom gewünschten Anreicherungsgrad und der Magerkeit der Ausgangsströme ab. Wenn der Ausgangsstoff in großen Mengen und kostengünstig verfügbar ist, kann die Leistung der Kaskade erhöht werden, indem eine große Menge des nicht extrahierten nützlichen Elements (z. B. die Produktion von Deuterium aus gewöhnlichem Wasser) mit dem Abfall verworfen wird. Bei Bedarf wird ein hoher Extraktionsgrad des Isotops aus dem Rohstoff erreicht (z. B. bei der Anreicherung von Uran).

Elektromagnetische Trennung

Die Methode der elektromagnetischen Trennung basiert auf der gleichen Wechselwirkungskraft zwischen dem Magnetfeld und den gleichen elektrisch geladenen Teilchen. Bei gleicher Wirkungskraft verhalten sich Teilchen unterschiedlicher Masse jedoch unterschiedlich. Beispielsweise hängt die Flugbahn gleich geladener Ionen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, von ihrer Masse ab. Durch das Aufstellen von Fallen an den entsprechenden Installationsorten können die entsprechenden Isotope gesammelt werden. Tatsächlich sind solche Installationen, genannt Calutrons, riesige Massenspektrometer. In ihnen drehen sich die Ionen der getrennten Substanzen, die sich in einem starken Magnetfeld bewegen, mit Radien proportional zu ihrer Masse und fallen in die Empfänger, wo sie sich ansammeln.

Effizienz. Eine Anlage, die jährlich 50 kg hochangereichertes Uran durch elektromagnetische Trennung ( Calutron) verbraucht schätzungsweise über 50 MW Strom.

Gasdiffusion

Diese Methode nutzt den Unterschied in den Bewegungsgeschwindigkeiten von Gasmolekülen unterschiedlicher Masse. Es ist klar, dass es nur für Substanzen im gasförmigen Zustand geeignet sein wird.

Bei unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten von Molekülen, wenn sie gezwungen werden, sich durch eine dünne Röhre zu bewegen, überholen die schnelleren und leichteren die schwereren. Dazu muss die Röhre so dünn sein, dass sich die Moleküle einzeln durch sie hindurchbewegen. Daher ist der Schlüsselpunkt hier die Herstellung poröser Trennmembranen mit typischen Porengrößen von zehn bis hundert Nanometern. Sie müssen dicht sein, hohen Überdrücken standhalten und gegen fluorhaltige Medien beständig sein. Es gab mehrere Methoden, um poröse Membranen zu erhalten, zum Beispiel:

Sintern von Metall- oder Polymerpulvern unter solchen Bedingungen, dass normalisierte Lücken zwischen den Pulverkörnern verbleiben.
Das Ätzen eines Metalls aus einer Legierung zweier Metalle ergab unter bestimmten Bedingungen eine poröse Struktur.
Die elektrolytische Oxidation von Aluminium bildet eine poröse Struktur aus Aluminiumoxid.

Die Membranen wurden üblicherweise in Form von bis zu mehreren Metern langen Röhren hergestellt. Aus mehreren hundert Röhren wurde eine Trennkaskade zusammengestellt.

Bei einigen leichten Elementen kann der Abscheidegrad recht groß sein, bei Uran beträgt er jedoch nur 1,00429 (der Ausgangsstrom jeder Stufe wird um den Faktor 1,00429 angereichert). Um hohe Anreicherungsgrade zu erzielen, wurden teilweise mehrere tausend Trennstufen hintereinander geschaltet. Angesichts der Tatsache, dass eine typische industrielle Kaskade eine Fläche von bis zu 100 m 2 oder mehr einnahm, waren die Gasdizyklopisch groß. Relativ große Druckverluste an den Membranen und die Größe der Anlagen bestimmten den enormen Energieverbrauch der Kompressoren. Darüber hinaus enthielt die Anlage enorme Mengen an technologischem Hexafluorid: Von der Inbetriebnahme der Anlage bis zum Erhalt des ersten Ausgangsprodukts vergingen teilweise mehrere Wochen, in denen das Hexafluorid nacheinander die Volumina aller Kaskaden füllte. Dieser Umstand stellte sehr hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Anlagen, da der Ausfall auch nur einer Kaskade zum Stillstand der gesamten Kette führen konnte. Um die Schäden durch technologische Abschaltungen zu minimieren, wurden die Kaskaden mit einer automatischen Leistungsüberwachung und Umgehung der problematischen Kaskade ausgestattet.

Thermische Diffusion

Auch in diesem Fall wird der Unterschied in den Geschwindigkeiten der Moleküle verwendet. Die leichteren neigen bei Vorhandensein eines Temperaturunterschieds dazu, in einer heißeren Region zu landen. Der Trennfaktor hängt vom Verhältnis der Massedifferenz der Isotope zur Gesamtmasse ab und ist bei leichten Elementen größer. Trotz ihrer Einfachheit erfordert diese Methode viel Energie, um Wärme zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Zu Beginn des Nuklearzeitalters gab es industrielle Anlagen, die auf thermischer Diffusion basierten. Derzeit wird es alleine nicht weit verbreitet verwendet, aber die Idee der thermischen Diffusion wird verwendet, um die Effizienz von Gaszentrifugen zu steigern.

Gaszentrifugation

Die Idee der Zentrifugaltrennung wurde während des Zweiten Weltkriegs aktiv entwickelt. Die Schwierigkeiten bei der Optimierung der Technologie verzögerten jedoch ihre Entwicklung, und in westlichen Ländern wurde sogar ein Urteil über die wirtschaftliche Sinnlosigkeit des Verfahrens gefällt. Auch in der UdSSR begann die industrielle Einführung der Zentrifugentechnik erst nach der industriellen Entwicklung der Gasdiffusion.

Wird ein gasförmiges Isotopengemisch durch Hochgeschwindigkeits-Gaszentrifugen geleitet, so trennt die Zentrifugalkraft leichtere oder schwerere Partikel in Schichten, in denen sie gesammelt werden können. Der große Vorteil der Zentrifugation besteht darin, dass der Trennfaktor vom absoluten Massenunterschied und nicht vom Massenverhältnis abhängt. Die Zentrifuge funktioniert mit leichten und schweren Elementen gleichermaßen gut. Der Abscheidegrad ist proportional zum Quadrat des Verhältnisses der Rotationsgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Moleküle im Gas. Von hier aus ist es sehr wünschenswert, die Zentrifuge so schnell wie möglich zu drehen. Typische lineare Geschwindigkeiten von rotierenden Rotoren sind 250-350 m/s und mehr als 600 m/s in fortschrittlichen Zentrifugen. Der Druckunterschied an der Achse der Zentrifuge und an der Außenwand kann das Zehntausendfache erreichen, daher arbeiten Zentrifugenkaskaden mit niedrigen Drücken, um die Kondensation von Hexafluorid zu vermeiden. Um die Trennung durch thermische Diffusion in Zentrifugen zu verbessern, wird ein Temperaturgradient von mehreren zehn Grad entlang der Achse der Zentrifuge erzeugt.

Aerodynamische Trennung

Die Probleme der Technologie bestanden darin, dass der Radius der Düse etwa 100 Mikrometer betrug, während die Gesamtlänge der Düse in jeder industriellen Trennstufe Hunderte und Tausende von Metern betrug. Diese Länge wurde in Stücken von mehreren zehn bis hundert Zentimetern gesammelt. Zusätzlich zu den Schwierigkeiten bei der Herstellung von Düsen gab es das Problem eines Verdünnungsgases wie Helium. Das Verdünnungsmittel ermöglichte es, Uranhexafluorid in der Gasphase bei hohen Drücken am Einlass zu den Düsen zu halten, die notwendig sind, um eine Hochgeschwindigkeitsströmung in der Düse zu erzeugen. Verdünnungsmittel und Hexafluorid mussten am Ausgang der Produktion getrennt werden. Hoher Druck verursachte einen erheblichen Energieverbrauch.

Laser-Isotopentrennung (LIS)

Die Lasertrennung ist kein eigenständiges Verfahren, sondern dient der Leistungssteigerung von elektromagnetischen oder chemischen Trennverfahren. Das Verfahren beruht auf der selektiven Ionisierung eines der Isotope durch elektromagnetische Strahlung (zB durch Laserlicht). Die Ionisationsselektivität basiert auf resonanter (schmalbandiger) Absorption von Licht durch Atome; verschiedene Isotope haben unterschiedliche Strahlungsabsorptionsspektren. Das bedeutet, dass es möglich ist, solche Bestrahlungsparameter zu wählen, bei denen Atome eines gegebenen Isotops überwiegend ionisiert werden. Weitere ionisierte Atome können beispielsweise in einem Magnetfeld (AVLIS (Englisch) Russisch). Darüber hinaus kann die Ionisierung von Atomen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen verändern, indem sie beispielsweise die Zersetzung bestimmter chemischer Verbindungen erleichtert (MLIS (Englisch) Russisch).

Die Lasertrenntechnik wurde seit den 1970er Jahren von vielen Ländern entwickelt und gilt als vielversprechend, ist aber noch nicht über den Rahmen der Forschung hinausgegangen. In den 1990er Jahren gab es in den Vereinigten Staaten ein Programm zur Untersuchung der Laseranreicherung mit elektromagnetischer Trennung in einer Versuchsanlage, das jedoch geschlossen wurde. In den USA läuft derzeit ein Forschungsprogramm an einer Demonstrationsanlage für eine der Varianten der Laseranreicherung mit chemischer Trennung namens SILEX. (Englisch) Russisch. Die Technologie wurde 1992 von der australischen Firma Silex entwickelt. Seit 2006 wird die Arbeit an der Silex-Technologie von Global Laser Enrichment LLC durchgeführt. Erhalt einer Lizenz zum Bau eines Werks in Wilmington (North Carolina).

Chemische Anreicherung

Destillation

Die Destillation (Destillation) nutzt den Unterschied der Siedepunkte von Isotopen unterschiedlicher Masse. Je kleiner die Masse eines Atoms ist, desto niedriger ist normalerweise der Siedepunkt dieses Isotops. Auch dies funktioniert am besten bei leichten Elementen. Die Destillation wurde erfolgreich als letzter Schritt bei der Herstellung von schwerem Wasser eingesetzt.

Komitee für Bildung und Wissenschaft des Gebiets Kursk Zweigstelle Kurtschatow der regionalen Haushaltsbildungseinrichtung für berufliche Sekundarbildung „Staatliches Polytechnisches College Kursk“

Kursarbeit

Disziplin: "Betrieb von Anlagen" zum Thema: "Trennung von Uranisotopen. Verarbeitung von angereichertem Uranhexafluorid"

Kurtschatow 2013

Einführung

Trennung von Uranisotopen

1 Gasdiffusionstrennung

2 Thermische Diffusionstrennung

3 Flüssigkeitsthermodiffusion

4 Zentrifugale Trennung

5 Aerodynamische Trennung

6 Elektromagnetische Trennung

7 AVLIS (Aufdampfen mit Laser)

8 Chemische Trennung

9 Ausströmen von Gasen

10 Organisation der Isotopentrennkaskade

Uranhexafluorid

1 Qualitätsanforderungen für Uranhexafluorid

2 Verarbeitung von angereichertem Uranhexafluorid

3 Wässrige Verfahren zur Verarbeitung von angereichertem Uran

3.1 AD-Prozess

3.2 AUC-Prozess

4 Wasserfreie Verfahren zur Verarbeitung von angereichertem Uran

4.1 Reduktion von Uranhexafluorid mit Wasserstoff

5 HEU-LEU-Verfahren

Fazit

Literatur

Einführung

Die Trennung von Uranisotopen ist die Grundlage des nuklearen Brennstoffkreislaufs. Natürliches Uran enthält 0,71 % des Isotops 235 U. Für Kernkraftwerksreaktoren wird Uran benötigt, das mit dem Isotop 235 U bis zu (2,7-5) % angereichert ist, und der Gehalt an 235 U in waffenfähigem Uran beträgt 90 %. Die Kosten für die Gewinnung von Uran aus förderbaren Reserven, wo der Urangehalt mindestens 10 3 mal höher ist als der Durchschnitt in der Lithosphäre, betragen 80 $ pro Kilogramm elementares Uran. Es werden ~6 kg natürliches Uran (480 US-Dollar) benötigt, um 1 kg Uran mit 3,2 % Anreicherung und 0,2 % Abbau des Abfalls zu produzieren. Gleichzeitig kosten Anreicherungsdienste (350-400 US-Dollar) pro 4,3 kg SWU (konventionelle Trennarbeitseinheiten) und machen 45 % der Kosten für angereichertes Uran aus. Der Umfang der Produktion in den USA beträgt Tausende von Tonnen angereichertes Uran pro Jahr mit Kosten für Anreicherungsdienste von ~ 1 Milliarde US-Dollar pro Jahr. Bei der großtechnischen Produktion von angereichertem Uran stellt die Verbesserung der Verfahren zur Trennung von Urananisotopen eine dringende und sehr schwierige Aufgabe dar. Russland nimmt eine führende Position in der Zentrifugentechnologie der Urananreicherung ein. Maschinen der neuen Generation wurden entwickelt und werden in die Produktion eingeführt. Derzeit gibt es in Russland keine Probleme mit Kernbrennstoffen, und in naher Zukunft wird dies nicht erwartet. Dies ermöglicht es, neue Anreicherungstechnologien ohne unnötige Eile zu entwickeln und kostspielige Fehler bei der Bestimmung der optimalen Technologie zu vermeiden, indem physikalische und chemische Prozesse sorgfältig untersucht werden, die elementare Basis erarbeitet wird, um zuverlässige Daten über die Aussichten der Methode sowohl in Bezug auf die Kosten zu erhalten einer Trennarbeitseinheit und hinsichtlich der Investition in den Bau eines Industrieunternehmens und durch die Gewinnungstiefe von 235 U.

Isotope von Uran:

Uran hat 14 Isotope, von denen nur drei natürlich vorkommen. Die ungefähre Isotopenzusammensetzung von natürlichem Uran ist wie folgt:

U 238 -> (4,51 Milliarden Jahre, Alpha-Zerfall) -> Th 234

Th 234 -> (24,1 Tage, Betazerfall) -> Pa 234

Pa 234 -> (6,75 Stunden, Betazerfall) -> U 234

Üblicherweise existiert U-234 im Gleichgewicht mit U-238 und zerfällt und bildet sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Zerfallende U-238-Atome existieren jedoch seit einiger Zeit in Form von Thorium und Protactinium, sodass sie chemisch oder physikalisch vom Erz getrennt werden können (durch Grundwasser ausgelaugt). Da U-234 eine relativ kurze Halbwertszeit hat, wurden alle im Erz gefundenen Isotope in den letzten paar Millionen Jahren gebildet. Ungefähr die Hälfte der Radioaktivität von natürlichem Uran geht auf U-234 zurück, es hat eine Halbwertszeit von 23,9 Millionen Jahren und kommt natürlich nicht in nennenswerten Mengen vor. Es reichert sich an, wenn Uran in Reaktoren mit Neutronen bestrahlt wird, und wird daher als "Signal" für abgebrannten Uran-Kernbrennstoff verwendet.

In natürlichem Uran ist nur ein relativ seltenes Isotop geeignet, um den Kern einer Atombombe herzustellen oder eine Reaktion in einem Leistungsreaktor zu unterstützen. Der Grad der U-235-Anreicherung in Kernbrennstoff für Kernkraftwerke liegt im Bereich von 2–4,5 %, für Waffenzwecke – mindestens 80 % und bevorzugter 90 %.

Reines U-238 hat eine spezifische Radioaktivität von 0,333 Mikrocurie/g.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für dieses Uranisotop ist die Herstellung von Plutonium-239. Plutonium entsteht im Verlauf mehrerer Reaktionen, die nach dem Einfang eines Neutrons durch ein U-238-Atom beginnen. Jeder Reaktorbrennstoff, der natürliches oder teilweise angereichertes Uran im Isotop 235 enthält, enthält nach dem Ende des Brennstoffkreislaufs einen gewissen Anteil an Plutonium und U-232: Dieses Isotop des Urans mit einer Halbwertszeit von 162.000 Jahren kommt in der Natur nicht vor. Es kann aus Thorium-232 durch Neutronenbestrahlung gewonnen werden, ähnlich wie bei der Herstellung von Plutonium:

Eine praktisch wichtige Uranverbindung ist Uranhexafluorid UF 6 . Dies ist die einzige stabile und leicht flüchtige Uranverbindung, die zur Trennung ihrer Isotope verwendet wird - Gasdiffusion und Zentrifugation. Bei diesem Aspekt seiner Anwendung ist es wichtig, dass Fluor nur ein Isotop hat (dies führt nicht zu einem zusätzlichen erschwerenden Massenunterschied) und dass UF 6 eine stöchiometrische Verbindung ist (bestehend aus genau 6 Fluoratomen und 1 Uranatom).

Bei Raumtemperatur handelt es sich um farblose Kristalle, und beim Erhitzen auf 56 ° C sublimiert es (verdampft, ohne in eine flüssige Phase überzugehen).

Ungefähre Energieeffizienz dieser Verfahren in Bezug auf die Gasdiffusion:

1. Trennung von Isotopen

Isotope sind chemische Elemente mit gleicher Protonenzahl (gleicher Ladung) und unterschiedlicher Neutronenzahl. Gerade Atome können viele Isotope haben, ungerade haben normalerweise nicht mehr als zwei.

Die Einzigartigkeit von Uranhexafluorid liegt darin, dass Fluor keine Isotope hat, d.h. das Molekulargewicht von Uranhexafluorid hängt nur von der Masse der Isotope des Urans selbst ab. Der zweite wichtige Faktor ist der gasförmige Zustand von Uranhexafluorid bereits bei 56°C bei atmosphärischem Druck.

Um den Platz der Isotopentrenntechnologie zu klären, muss daran erinnert werden, dass die Urantechnologie die Umwandlung von Erzrohstoffen in Uranylnitrat beinhaltet, Uranylnitrat wird über die Stufe von Oxiden und Tetrafluorid in Hexafluorid umgewandelt, Hexafluorid wird in Uran-235-Hexafluorid getrennt und Uran-238-Hexafluorid, und dann wird aus Hexafluorid, angereichert mit dem Isotop U235, Urandioxid für Brennstäbe hergestellt.

Ursprüngliches kernreines Uranhexafluorid mit 99,3 % Uran-238-Hexafluorid und 0,7 % Uran-235-Hexafluorid. Aus dieser Mischung muss das Uran-235-Isotop Hexafluorid isoliert werden.

Es gibt viele Methoden zur Trennung von Isotopen:

Gasdiffusion;

Zentrifugation;

Destillation (Rektifikation)

Elektromagnetisch

Thermische Diffusion

Isotopenaustausch

Lasertrennung

Dies ist bei weitem keine vollständige Liste aller Methoden der Isotopentrennung, in der Praxis werden derzeit nur die ersten drei Methoden angewendet. Die übrigen Methoden sind nicht im industriellen Maßstab und werden nur in experimentellen Arbeiten verwendet, obwohl sie oft von besserer Qualität sind als industrielle Methoden mit großen Tonnagen.

Die Gasdiffusions- und Zentrifugenverfahren trennen normalerweise Isotope schwerer Elemente (U 235 von U2 38), Destillation oder Rektifikation werden verwendet, um leichte Isotope (normalerweise H 1 von H 2 und H 3 oder Li 6 von Li 7) zu trennen.

Trennfaktor α = 1,003 für Gasdiffusionsmaschinen und α = 1,3 für Zentrifugalmaschinen.

1 Isotopentrennung durch Gasdiffusion

Das erste erfolgreiche Verfahren, das es ermöglichte, mit dem Isotop U 235 angereichertes Uran zu gewinnen, war das Verfahren der Gasdiffusionstrennung.

Theoretisch basiert die Methode der Gasdiffusionstrennung auf der Abhängigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit einzelner Moleküle von ihrem Gewicht.

Aus der Formel ist ersichtlich, dass je kleiner das Gewicht des Moleküls ist, desto größer ist seine Geschwindigkeit. Jene. leichte Moleküle diffundieren weiter als schwere. Dann können wir den Trennfaktor als Verhältnis der Diffusionsraten in folgender Form darstellen:

Da wir wissen, dass die Masse von Uran-238-Hexafluorid 352 g/mol und die Masse von Uran-325-Hexafluorid 349 beträgt, können wir den theoretischen Trennfaktor berechnen:  = 1,0043

Reelles  = 1,003

Betrachten Sie die Geräte einer Gasdiffusionsmaschine. Das Hauptelement ist eine poröse Trennwand (Abb. 1), in die Uranhexafluorid diffundiert. Wie bereits erwähnt, haben leichte Moleküle eine längere Diffusionsreichweite und dringen über die Trennwand hinaus, während schwere Partikel die Trennwand nicht passieren.

Abb.1 Poröse Trennwand

Der Separator ist ein Rohr aus gepresstem Nickelpulver mit einem Porendurchmesser von 1-10 μm, die äußere Oberfläche des Rohres ist direkt mit einer Trennmembran bedeckt, deren Porendurchmesser bereits 0,03 μm beträgt. Es ist die Schicht der Trennmembran, die einige der schweren Moleküle von Uran-238-Hexafluorid zurückhält. Die Membranen sind Filme mit durch Ätzen gebildeten Poren. Zum Beispiel wird Salpetersäure eine 40/60 Au/Ag (Ag/Zn) Legierung beizen; oder durch elektrolytisches Ätzen von Aluminiumfolie kann eine spröde Aluminiummembran erhalten werden. Verbundbarrieren werden aus kleinen, diskreten Elementen zusammengesetzt, die in eine relativ dicke poröse Trennwand gepackt sind.

Gas - Uranhexafluorid tritt in die Diffusionsmaschine ein und wird in zwei Fraktionen geteilt. Eine Fraktion passierte die poröse Trennwand und verlor einige der schweren Moleküle, d. h. mit Lunge angereichert. Die andere Fraktion passierte die poröse Trennwand nicht, im Gegensatz zu einigen der leichten Moleküle, d. h. eine an dem leichten Isotop abgereicherte Fraktion blieb vor der Trennwand zurück.

Schematisch lässt sich eine Gasdiffusionsmaschine wie folgt darstellen:

Abb.2 Das Gerät der Gasdiffusionsmaschine

Das in die Gasdiffusionsmaschine eintretende Gas wird von der Trommel durch die Trennrohre getrieben. Das Gas wird vorläufig auf 75°C erhitzt, Druck 40–80 mm Hg. Da unter Wärmeabgabe Diffusion stattfindet, muss die Maschine gekühlt werden.

Die Hauptnachteile des Gasdiffusionsverfahrens der Isotopentrennung:

Ungenügender Trenngrad

Zerstörung der Ni-Barriere. Uranhexafluorid reagiert langsam mit Nickelmetall gemäß der Formel:

Ni + UF 6 = UF 4 + NiF 2

Im Trennelement sammelt sich nach und nach Urantetrafluorid, das anschließend durch Waschen in Chlortrifluorid entfernt wird:

UF 4 TV + ClF 3 W = UF 6 -Gas + ClF-Gas

3. Periodizität des Prozesses aufgrund des Abschaltens zur Regeneration.

Große Energiekosten.

Großer Kühlwasserverbrauch

Große Produktionsflächen. Die Werkstätten zur Isotopentrennung nehmen riesige Flächen von mehreren Hektar ein, und die Mitarbeiter bewegen sich auf Fahrrädern durch die Werkstatt.

Angesichts all dieser Mängel stellen derzeit die meisten Trennanlagen auf eine neue Technologie zur Isotopentrennung um - die Zentrifugation.

.2 Thermische Diffusion

Die thermische Diffusion wird in der Gas- oder Flüssigphase in einer Gegenstromkolonne durchgeführt, entlang deren Achse sich ein beheizter Metallfaden (oder ein Rohr) befindet und dessen Außenwand gekühlt wird. Der Temperaturunterschied verursacht eine Diffusionsströmung, die zum Auftreten eines Konzentrationsunterschieds führt<#"655758.files/image007.gif">

Der Druck eines Gases in einem Gravitationsfeld hängt von seinem Molekulargewicht, der Entfernung über dem Messpunkt und der Erdbeschleunigung ab.

Lassen Sie uns diese Gleichung für das Zentrifugalfeld umschreiben. Ersetzen wir Druck durch Konzentration, Beschleunigung des freien Falls durch Zentripetalbeschleunigung, Höhe durch Radius.

Dann wird der Trennfaktor als Verhältnis der Konzentration des schweren Isotops zum leichten Isotop geschrieben:

Hing also in Diffusionsmaschinen der Trennfaktor vom Massenverhältnis von Uran-235 und Uran-238-Hexafluorid ab, so hängt er in Zentrifugen von der Massendifferenz ab. Es lässt sich leicht ausrechnen, dass in Zentrifugen der Trennfaktor 1,3 beträgt.  = 1,3

Nur auf Zentrifugen ist es möglich, mit U 235 bis zu 98 % angereichertes Uranhexafluorid zu gewinnen.

Der Trennfaktor hängt von zwei Faktoren ab:

Aus der Massendifferenz von Isotopen

Ab Zentrifugendrehzahl

Betrachten Sie das Gerät einer Zentrifugenmaschine.

Reis. 4. Zentrifugengerät zur Isotopentrennung

Die Zentrifuge ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Höhe von 0,5 m. In einem abgedichteten Gehäuse befindet sich ein rotierender Rotor. Dieser Rotor wird mit Gas (UF6) versorgt. Durch die Zentrifugalkraft, hunderttausendmal größer als das Gravitationsfeld der Erde, beginnt sich das Gas in „schwere“ und „leichte“ Fraktionen zu trennen. Am Boden der Zentrifuge befindet sich zur Reibungsminderung eine Korundnadel, beim Rotieren steigt die Zentrifuge „ab“ und dreht sich ohne Kontakt mit Gehäuseteilen. Die Drehzahl erreicht 100.000 U / min. Leichte und schwere Moleküle beginnen sich in verschiedenen Zonen des Rotors zu gruppieren, aber nicht in der Mitte und entlang des Umfangs, sondern oben und unten. Dies geschieht aufgrund von Konvektionsströmen – die Rotorabdeckung wird erhitzt und es kommt zu einem Gasrückfluss. Oben und unten am Zylinder befinden sich zwei kleine Rohre - der Einlass. Ein abgereichertes Gemisch tritt in das untere Rohr ein und ein Gemisch mit einer höheren Konzentration an 235U-Atomen tritt in das obere Rohr ein. Diese Mischung gelangt in die nächste Zentrifuge usw., bis die Konzentration von Uran 235 den erforderlichen Wert erreicht. Eine Kette von Zentrifugen wird als Kaskade bezeichnet.

1.5 Aerodynamische Trennung

Die aerodynamische Trennung wurde in Südafrika (UCOR-Verfahren unter Verwendung von Wirbelrohren bei 6 bar) und Deutschland (unter Verwendung gebogener Düsen, die bei 0,25–0,5 bar arbeiten) entwickelt.

Das einzige Land, das diese Methode in die Praxis umgesetzt hat, ist Südafrika, wo 400 kg waffenfähiges Uran in einer Anlage in Valindaba produziert wurden, die Ende der achtziger Jahre geschlossen wurde. Trennfaktor ~1,015, Energieverbrauch ~3300 kWh/MPP-kg.

6 Elektromagnetische Trennung

Die Methode der elektromagnetischen Trennung beruht auf der unterschiedlichen Einwirkung eines Magnetfeldes auf gleich elektrisch geladene Teilchen unterschiedlicher Masse. Tatsächlich sind solche Installationen, genannt Calutrons, riesige Massenspektrometer. Die Ionen der getrennten Substanzen, die sich in einem starken Magnetfeld bewegen, drehen sich mit Radien proportional zu ihrer Masse und fallen in die Empfänger, wo sie sich ansammeln. Diese Methode ermöglicht es Ihnen, jede Kombination von Isotopen zu trennen, hat einen sehr hohen Trennungsgrad. Zwei Durchgänge reichen normalerweise aus, um eine Anreicherung von über 80 % aus einem schlechten Material (mit einem Anfangsgehalt des gewünschten Isotops von weniger als 1 %) zu erhalten. Für die industrielle Produktion ist die elektromagnetische Trennung jedoch wenig geeignet: Die meisten Stoffe lagern sich im Inneren des Calutrons ab, sodass es regelmäßig zur Wartung angehalten werden muss. Weitere Nachteile sind hoher Stromverbrauch, Komplexität und hohe Wartungskosten, geringe Produktivität. Der Hauptanwendungsbereich des Verfahrens ist die Herstellung kleiner Mengen reiner Isotope für den Laborgebrauch. Während des Zweiten Weltkriegs wurde jedoch die Y-12-Einheit gebaut, die ab Januar 1945 eine Kapazität von 204 Gramm 80% U-235 pro Tag erreichte. Aufgrund hoher Gemeinkosten wurde Y-12 1946 geschlossen.

Schematische Darstellung der elektromagnetischen Trennvorrichtung (Bild 5); die Punkte zeigen die Richtung des Magnetfelds senkrecht zur Ebene der Figur.

Noch nicht industriell anwendbare Methoden verdienen Beachtung:

Verdampfung mit einem Laser

Chemische Trennung

Trennung von Isotopen mit leichtem Druck

Photochemische Reaktionen elektronisch angeregter Teilchen

Zweistufige Anregung von Atomen und Molekülen

Selektive Photoprädissoziation

Anregung von Molekülen durch Infrarotstrahlung

Isotopeneffekt bei chemischen Reaktionen, die unter thermodynamischen Nichtgleichgewichtsbedingungen ablaufen

Kondensation eines Gases aus schwingungsangeregten Molekülen

Isotopeneffekt bei chemischen Reaktionen, die in einem Magnetfeld ablaufen

Trennung durch Adsorption

Durch Laserstrahlung stimulierte selektive Diffusion

Resonanzkontrolle von Prozessen an der Oberfläche durch Laserstrahlung

Laserchemie an der Grenzfläche zwischen zwei Medien

Laserstimulation chemischer Reaktionen an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten

1.7 AVLIS (Aufdampfen mit Laser)

Verschiedene Isotope absorbieren Licht bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Ein fein abgestimmter Laser kann Atome eines bestimmten Isotops selektiv ionisieren. Die entstehenden Ionen lassen sich zB durch ein Magnetfeld leicht trennen. Diese Technologie ist äußerst effizient, wurde jedoch noch nicht im industriellen Maßstab angewendet. In den USA entwickelte Technologie, aber noch nicht weiter entwickelt als Prototypen. Es hat einen großen Nachteil, nämlich die Schwierigkeit, die Ausrüstung von einem Isotop zum anderen umzubauen.

Abb.6. Lasertrennung von Isotopen.

1.8 Chemische Trennung

Die chemische Trennung nutzt den Unterschied in der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen mit verschiedenen Isotopen aus. Es funktioniert am besten, wenn leichte Elemente getrennt werden, bei denen der Unterschied erheblich ist. In der industriellen Produktion werden Reaktionen eingesetzt, die mit zwei Reagenzien in unterschiedlichen Phasen (gas/flüssig, flüssig/fest, nicht mischbare Flüssigkeiten) ablaufen. Dies macht es einfach, fette und magere Ströme zu trennen. Durch die zusätzliche Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen den Phasen wird eine zusätzliche Erhöhung des Trennfaktors erreicht. Die chemische Trennung von Uran wurde in Japan und Frankreich entwickelt, aber wie AVLIS nie verwendet. Die französische Chemex-Methode verwendet einen Gegenstrom in einer hohen Säule aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, die jeweils gelöstes Uran enthalten. Das japanische Asahi-Verfahren verwendet eine Austauschreaktion zwischen einer wässrigen Lösung und einem fein gemahlenen Harz, durch das die Lösung langsam sickert. Beide Verfahren benötigen Katalysatoren, um den Konzentrationsprozess zu beschleunigen. Der Chemex-Prozess benötigt Strom in Höhe von 600 kWh/MPP-kg.

Der Irak entwickelte diese Technologie (in Form einer Chemex/Asahi-Mischproduktion) für die Anreicherung von U-235 auf 6-8 % und die anschließende Anreicherung im Calutron.

1.9 Ausströmen von Gasen

Isotopen-Uranhexafluorid-Thermodiffusion

Die Effusion von Gasen beruht darauf, dass beim molekularen Ausströmen (Effusion)

Mischungen isotopensubstituierter Moleküle<#"655758.files/image015.gif">

10 Organisation der Isotopentrennkaskade

Es wurde bereits gesagt, dass für die Trennung von Isotopen eine Vielzahl von Trennmaschinen (Zentrifuge oder Diffusion) notwendig sind.

Eine Diffusionsmaschine kann im Diagramm (Abb. 7) wie folgt schematisch dargestellt werden:

Seite tritt die ursprüngliche Mischung ein. Ein Gas, das teilweise mit dem leichten Isotop angereichert ist, passiert die Trennwand, und ein Gas, das teilweise mit dem leichten Isotop (schwer) verarmt ist, geht nach unten. Für eine ausreichende Trennung müssen Hunderte solcher Maschinen kaskadiert werden (Abb. 8).

Abb. 8 Trennkaskade.

Der obere Teil der Kaskade wird als Anreicherungsstufe bezeichnet, die untere Stufe als Verarmungsstufe.

Um Uranhexafluorid mit einem U 235 -Gehalt von mindestens 90 % zu erhalten, ist eine Kaskade von 600 Trennstufen erforderlich.

Die Trennung von Isotopen ist eine der teuersten Operationen in der Urantechnologie, hier sind ungefähre Preise pro Kilogramm Uran in US-Dollar, abhängig vom Anreicherungsgrad (die Preise hängen stark von Produktionsvolumen und Nachfrage ab): natürlich - 27$2% - 130 $5% - 440$90% - 10000$

Insgesamt wurden in den Anlagen der UdSSR etwa 600 Tonnen Uran gewonnen, das zu 90 % mit dem Isotop U 235 angereichert war.

Nach den Trennanlagen. Das abgereicherte Uran wird deponiert. In unserem Land haben sich mehr als 100.000 Tonnen abgereichertes Uran angesammelt. Abgereichertes Uranhexafluorid wird in spezielle Container gepumpt, wenn diese Container auf Bahnsteigen gestellt werden, dann wird eine solche Staffel den ganzen Weg von Moskau nach Wladiwostok nehmen. Abfall-Uranhexafluorid stellt eine gewisse Umweltgefährdung dar, und es wurden bereits Pläne für seine Umwandlung entwickelt, da Uranhexafluorid eine riesige Quelle für die dringend benötigte Produktion von Fluorwasserstoff und Fluor ist.

Tabelle 3 vergleicht Isotopentrennverfahren für Wasserstoff, Kohlenstoff und Uran am Beispiel von drei Isotopenarten.

2. Uranhexafluorid

MPC - 0,015 mg/m3

Die Produktion von UF 6 ist der wichtigste und untrennbar mit dem nuklearen Brennstoffkreislauf verbundene Teil. Das gesamte aus den Eingeweiden geförderte Uran durchläuft UF 6. Wie auch das gesamte regenerierte Uran wird nach der Aufbereitung im RCP zur Rückführung in den Kernbrennstoffkreislauf erneut fluoriert und anschließend wieder angereichert.

Zur Durchführung einer nuklearen Kettenreaktion wird das Isotop U235 benötigt, von dem nur 0,72 % im natürlichen Uran enthalten sind.

Reis. 9. Phasendiagramm des UF 6 -Zustands.

1 UF 6 Qualitätsanforderungen

Je nach Anreicherungsgrad des Isotops U 235 gibt es zwei Sorten von Uranhexafluorid. 6 - gewerblich - natürlich oder Inhalt bis zu 3% U 235 6 - angereichert (regeneriert, Waffe).

Bei einer leichten Isotopenkonzentration von weniger als 3 % gilt Uran als nuklear sicher, d. h. es hat keine kritische Masse, die zu spontanen Kettenreaktionen befähigt ist. Kommerzielles Uran ist ein gängiges chemisches Reagenz mit einem freien Marktwert. Jeglicher Handel mit waffenfähigem Uran ist nach dem Nuclear Non-Proliferation Act verboten.

2.2 Verarbeitung von angereichertem Uranhexafluorid

Nach der Gasdiffusionsanlage muss mit dem Isotop U235 angereichertes Uranhexafluorid zu Urandioxid verarbeitet werden, aus dem die Brennelemente von Kernreaktoren hergestellt werden sollen. Brennstäbe sind metallisch, oxidisch, verkieselt etc. Ihre Herstellung ist ein sehr komplexer und wissenschaftsintensiver Prozess, an die Ausgangsmaterialien werden erhöhte Reinheitsanforderungen gestellt. Zur Herstellung von Plutonium werden metallische Brennstäbe verwendet; Oxid - wird in Leistungsreaktoren verwendet. Die Anreicherung von Uranhexafluorid ist eine der Schlüsselstufen der gesamten nuklearchemischen Technologie. Verarbeitungsverfahren für angereichertes Uranhexafluorid lassen sich in zwei Standardtypen einteilen:

Methoden der Wasseraufbereitung

a) Hydrolyse mit Aluminiumnitrat

b) Ammoniumdiuranat-Verfahren (ADU)

c) Ammonium-Uran-Carbonat-Verfahren (AUC).

Wasserfreie Verarbeitungsverfahren

Reduktion von Uranhexafluorid mit Wasserstoff.

Auch von der sog. entwickelt. HEU-LEU ist ein Prozess, der waffenfähiges hochangereichertes Uran (HEU) in niedrig angereichertes Uran (LEU) in Energiequalität umwandelt.

2.3 Wasseraufbereitungsmethoden

Die erste Verarbeitungsstufe ist die Hydrolyse von Uranhexafluorid mit Wasser zu Uranylfluorid. Die Hydrolyse erfolgt unter großer Wärmeabgabe nach der Gleichung:

UF 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF

Dieser Prozess kann durchgeführt werden, indem gasförmiges Uranhexafluorid durch Wasser geblasen wird oder indem flüssiges Uranhexafluorid unter Druck mit Wasser gemischt wird. In beiden Fällen ist eine Wärmeabfuhr aus Hydrolyseapparaten vorgesehen. Als Ergebnis der Hydrolyse wird eine wässrige Lösung von UO 2 F 2 und HF mit einer Urankonzentration von 100 g/l erhalten. In Haushaltsanlagen wird die Methode der Hydrolyse von Uranhexaphthoid unter Verwendung von Aluminiumnitrat verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht es, das F-Ion bereits im Anfangsstadium zu einer starken Verbindung zu binden und in der Extraktionsphase aus Lösungen zu entfernen. Die Chemie des Prozesses wird durch das folgende Schema beschrieben:

UF 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F2 + 4HF 2 F 2 + Al (NO 3) 3 \u003d UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3

HF + 2Al(NO 3) 2 = 2AlF 2 NO 3 + 4HNO 36 + 3Al(NO 3) 2 + 2H 2 O = UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3 + 4HNO 3

AlF 2 NO 3 - und AlF(NO 3) 2 -Komplexe unterdrücken die dissoziierende Wirkung des F-Ions auf den Uranextraktionsprozess und schützen die Ausrüstung vor Korrosionsinstabilität. Als Ergebnis der Hydrolyse wird eine wässrige Lösung von UO 2 F 2 und HF mit einer U-Konzentration von 100 g/l erhalten. Bei der Hydrolyse kommt es zu einer schnellen Wärmefreisetzung. Nach der Hydrolyse ist es notwendig, den Gehalt an U und HF zu kontrollieren.

Tabelle 10. Löslichkeit von UF 6 in H 2 O in Abhängigkeit von der HF-Konzentration

	Konz. UO2F2%

Je nach Instrumentierung werden zwei Hydrolysemethoden unterschieden: Sprudeln und Strahl. Das Sprudelverfahren besteht darin, der Lösung Uranhexafluorid durch ein Gaszufuhrrohr in eine Apparatur mit Rührer zuzuführen. Moderner und produktiver ist das Jet-Verfahren. Nach dem Jet-Verfahren wird Uranhexafluorid in den oberen Teil der vertikalen Apparatur eingeführt, und die wässrige Lösung wird tangential durch die Wand eingeführt und sinkt entlang einer spiralförmigen Bahn ab.

Abb.10. UF6-Durchblasen Abb. 11. Jet-Verfahren

Produktivität eines Strahlverfahrens: 25 kg/h bei UF 6, 50 l/h bei H 2 O; Druck: 4 Atm.; t=104°C. Die Extraktion erfolgt in Kastenextraktoren. Der Vorgang besteht aus 8 Extraktionsschritten und 4 Reextraktionsschritten. Als Extraktionsmittel wird eine 30%ige Lösung von TBP in Kerosin verwendet. Zur Extraktion wird eine Lösung mit einer Urankonzentration von 20–30 g/l und einer Salpetersäurekonzentration von 180–220 g/l geliefert. Das Verhältnis der organischen Phase zur wässrigen 1/(3-4). Die Urankonzentration in der organischen Phase beträgt 70-90 g/l. Die Extraktion erfolgt im Gegenstromverfahren. Das Strippen wird mit einer schwachen Salpetersäurelösung bei pH = 1 durchgeführt. Aus den erhaltenen Lösungen von Uranylnitrat wird Ammoniumpolyuranat ausgefällt.

2 (NO 3) 2 + NH 4 OH → (NH 4) 2 U 4 O 13 + NH 4 NO 3

Durch Calcinieren von Ammoniumpolyuranat wird Uranoxid gewonnen. Die Kalzinierung erfolgt in horizontalen Drehrohröfen. Die Temperatur im Ofen beträgt 690 o -730 o C.

(NH 4) 2 U 4 O 13 → U 3 O 8 + NH 3 + N 2 + H 2 O

Die Reduktion wird mit einem großen Wasserstoffüberschuss in horizontalen Drehrohröfen bei einer Temperatur von 650–750°C durchgeführt.

U 3 O 8 + H 2 → UO 2 + H 2 O

Das Schema der wässrigen Hydrolyse von Uranhexafluorid unter Verwendung von Aluminiumnitrat ist in Abb. 12 dargestellt.

Abb.12. Technologisches Schema der wässrigen Hydrolyse von UF 6 .

Im Fall von minderwertig hergestellten Tabletten können sie erneut zu U 3 O 8 kalziniert werden. Das Uranoxid wird in Salpetersäure gelöst und das so erhaltene Uranylnitrat durch Extraktion über Tributylphosphat gereinigt. Anschließend wird aus dem gereinigten Uranylnitrat mit Ammoniak Ammoniumpolyuranat ausgefällt, zu Lachgas kalziniert und wieder zu Urandioxid reduziert.

3.1 AD-Prozess

Das AD-Verfahren verdankt seinen Namen dem Ammoniumdiuranat, das das Ausgangsprodukt für die Herstellung vieler Verbindungen ist, darunter keramisches UO 2 .

Üblicherweise wird unter dem ADU-Verfahren das klassische Schema zur Gewinnung von keramischem UO 2 aus UF 6 verstanden (Hydrolyse von UF 6 in Wasser oder in einer Ammoniaklösung – Fällung von Ammoniumpolyuranat – Trocknung – Calcinierung – Reduktion).

Das in Fluoridsystemen implementierte AFC-Verfahren ist für die Verarbeitung von UF 6 mit einer erhöhten Konzentration von 235 U oder mit abgereichertem 235 U-Isotop, mit abgereichertem 235 U-Isotop, - für den Brennstoff der Brutzone von schnellen Neutronenreaktoren bestimmt.

Die Fällung von Ammoniumpolyuranat erfolgt mit einem großen Überschuss an Ammoniak nach folgendem Schema:

HF + NH 4 OH = NH 4 F + H 2 O

UO 2 F 2 + 6NH 4 OH \u003d (NH 4) 2 U 2 O 7 + 4NH 4 F + 3H 2 O

bei Ammoniakmangel ist eine Reaktion möglich.

UO 2 F 2 + 3NH 4 OH \u003d (NH 4) 3 UO 2 F 5 + 3HF + 3H 2 O

Die Extraktion von Uran in den Niederschlag beträgt mehr als 99,5 %. Zur Fällung können Rührwerke mit Rührwerk verwendet werden, und es kann über Trommelvakuumfilter filtriert werden. Der Filterkuchen aus Ammoniumpolyuranat enthält wenige Prozent Fluor. Seine Weiterverarbeitung besteht in der thermischen Spaltung zu U 3 O 8 und anschließender Reduktion zu Urandioxid. Das Verfahren wird zweckmäßigerweise in Wirbelschichtöfen durchgeführt. Die Weiterverarbeitung von UO 2 besteht im Kaltpressen und anschließendem Sintern der Proben in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1750 °C. Dadurch, dass aus Ammoniumpolyuranat feindisperses Zirkoniumdioxid gewonnen wird, weisen die gepressten Proben eine sehr hohe Dichte auf - mindestens 95 % der Theorie, also ~10 g/cm3.

3.2 AUC-Prozess

Das AUK-Verfahren hat seinen Namen von Ammoniumuranylcarbonat.Das industrielle Verfahren zur Herstellung von keramischem UO 2 aus UF 6 erfolgt über eine Zwischenverbindung (NH 4 ) 4 UO 2 (CO 3 ) 3 .

Ammoniumuranylcarbonat wird durch die Reaktion gebildet:

6 + 5H 2 O + 10NH 3 + 3CO 2 → (NH 4) 4 UO 2 (CO 3) 3 + 6NH 4 F.

(NH 4) 4 → 4 NH 3 + 3 CO 2 + 1,75 H 2 O + UO 3 ∙ 0,25 H 2 O.

Das Endprodukt der Kalzinierung ist U3O8 (in Luft) und UO2 (in Wasserstoff). Die Zersetzung von (NH 4 ) 4 verläuft stufenweise zunächst zu Urantrioxid-Monohydrat mit anschließendem allmählichen Wasserverlust. Der Entwässerungsprozess kann wie folgt dargestellt werden:

UO 3 ∙ H 2 O → UO 3 ∙ 0,65 H 2 O → UO 3 ∙ 0,5 H 2 O → UO 3 ∙ 0,25 H 2 O.

Die Verbindung UO 3 ∙ 0,25 H 2 O entsteht als Zwischenprodukt beim Kalzinieren in einer Atmosphäre aller Gase und existiert bis zu einer Temperatur von 653 K.

3 (UO 3 ∙ 0,25 H 2 O) + H 2 → U 3 O 8 + 1,75 H 2 O + 74,8 kJ.

Gemäß den Daten der Röntgenbeugungsanalyse wurde das Produkt dieser Reaktion als U 3 O 8 identifiziert. Das Endprodukt der Reduktion ist UO 2 -Pulver.

4 Wasserfreie Verfahren zur Verarbeitung von angereichertem Uran

4.1 Reduktion von UF6 mit Wasserstoff

Uranhexafluorid wird mit Wasserstoff zu Tetrafluorid und Fluorwasserstoff reduziert, dann wird das Tetrafluorid durch Schmelzen mit Calcium zu metallischem Uran und Calciumdifluorid reduziert.

Die Wechselwirkung von Uranhexafluorid mit Wasserstoff wird durch die Gleichung beschrieben:

UF 6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF + 16,5 kJ / mol

Die Reaktion verläuft unter einem erheblichen Verlust an freier Energie. Allerdings ist die Aktivierungsenergie der Reduktionsreaktion von UF 6 mit Wasserstoff sehr hoch, und für den Erfolg des Prozesses ist eine Wärmezufuhr notwendig. Die Reduktion von Hexafluorid mit Wasserstoff ist eine Reaktion erster Ordnung.

Zur Durchführung des betrachteten Prozesses gibt es zwei Möglichkeiten der Wärmezufuhr: Entweder durch die Wand oder in den Reaktor wird eine kleine Menge Fluor eingeblasen, das in Wechselwirkung mit Wasserstoff eine ausreichende Wärmemenge freisetzt. Anlagen zur Reduktion von Uranhexafluorid mit Wasserstoff werden je nach Art der Wärmezufuhr in zwei Typen eingeteilt:

Heißwandreaktor;

Kaltwandreaktor.

Die Verdünnung von Hexafluorid mit Stickstoff bis zur äquimolaren Zusammensetzung der Gase am Einlass verringert die Effizienz des Verfahrens nicht. Eine Abnahme des überschüssigen H2 führt zu einer Zunahme des spezifischen Gewichts von UF4. Ein wesentlicher Nachteil des Reduktionsverfahrens von Uranhexafluorid mit Wasserstoff in einem Reaktor mit heißer Wand ist die Überhitzung der Wände durch die Reaktionswärme, insbesondere in den ersten Zonen entlang der Gasströmung. Dies führt zum Verschmelzen von festem Material, und daher ist es notwendig, die Arbeit regelmäßig zu unterbrechen und die Wände zu reinigen. Typischerweise läuft der Reaktor 78 Stunden lang und stoppt dann zur Reinigung. Eine Vibration des Reaktors ist notwendig, um die Ansammlung von UF 4 an den Wänden des weichen Pulvers zu verhindern.

Der Ausweg wurde in Form einer gemeinsamen Versorgung des Reaktors mit UF6 und F 2 gefunden. Aufgrund der Reaktionswärme der Verbrennung von Wasserstoff in Fluor.

H 2 + F 2 \u003d 2HF + 30,6 kJ / mol

in der Fackel wird die Reduktionsreaktion von Uranhexafluorid mit Wasserstoff angeregt. Abbildung 13 zeigt den Aufbau des Apparates mit heißen Wänden.

Reis. 13. Apparat mit heißen Wänden zur Reduktion von Uranhexafluorid.

Der Reaktor ist ein vertikales Rohr (Abb. 13), im oberen Flansch des Reaktors ist eine Düse angebracht, um die Reaktionsgase zu mischen und in die Reaktorzone einzudüsen. Dreistufige Heizung.

Ein solches Verfahren, das in einem Reaktor mit kalten Wänden durchgeführt wird, ist ziemlich zufriedenstellend, sowohl im Hinblick auf die Betriebseigenschaften als auch im Hinblick auf die Qualität des erzeugten Urantetrafluorids. Die Notwendigkeit, F 2 zu viel billigerem HF zu verbrennen, verringert jedoch die Wirtschaftlichkeit dieses Verarbeitungsverfahrens.

Die Betrachtung bestimmter chemischer Reaktionen im System beginnt mit der thermodynamischen Analyse, die es uns ermöglicht, die wahrscheinlichsten Varianten chemischer Umwandlungen, ihre Reihenfolge und Tiefe sowie den Einfluss der wichtigsten äußeren Faktoren (Temperatur, Druck) auf den Prozessablauf zu bewerten.

Bei gasförmigen Verfahren wird die Hydrolyse von UF 6 bei erhöhten Temperaturen (üblicherweise bei 473–973 K) durchgeführt. Daher ist es richtiger, diesen Prozess als Pyrohydrolyse zu bezeichnen. Bei realen Prozessen in Gegenwart von Wasserstoff muss man die Existenz zweier mehrstufiger Ketten von UF6-Umwandlungen berücksichtigen, die zur Bildung fester Zwischenverbindungen führen.

Die Transformationskette UF 6 → UO 2 F 2 → UO 2:

6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF 2 F 2 + H 2 \u003d UO 2 + 2HF 2 F 2 + H 2 O \u003d UO 3 + 2HF 3 + H 2 \u003d UO 2 + H 2 O 2 F 2 + 2/3H 2 O + 1/3H 2 = UO 2,67 + 2HF 2,67 + 2/3H 2 = UO 2 + 2/3H 2 O 2 F 2 + H 2 = 1/2UO 2 + 1/2UF 4 + H2O

/ 2UF 4 + H 2 O \u003d 1 / 2UO 2 + 2HF

Die Transformationskette UF 6 → UF 4 → UO 2:

6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF, 4 + 2H 2 O \u003d UO 2 + 4HF.

Die Gesamtreaktion der Wechselwirkung von Uranhexafluorid mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf ist die Reaktion:

UF 6 + 2H 2 O + H 2 \u003d UO 2 + 6HF.

Die thermodynamische Analyse der Wechselwirkung im System UF 6 - H 2 O - H 2 besteht in der Bestimmung der wichtigsten thermodynamischen Parameter und der Bestimmung der Prozessbedingungen. Bei der Beurteilung des Einflusses der Temperatur auf die allgemeine Art des Ablaufs chemischer Reaktionen in den Prozessen der Gasumwandlung von UF 6 kann festgestellt werden, dass eine Erhöhung der Temperatur die Defluorierung und einen allmählichen Übergang vom Uranylfluoridprodukt der Umwandlungsreaktion fördern sollte zu Oxidsystemen. Da Defluorierungsreaktionen mit einer Vergrößerung des Systemvolumens ablaufen, sollte eine Verringerung des Gesamtdrucks im System zur Produktion von Uranoxiden mit geringerem Restfluorgehalt beitragen.

Die Umwandlungskette während der Sauerstoff-Wasserstoff-Umwandlung von Uranhexafluorid.

Transformationskette:

UF 6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF,

UF 4 + 2H 2 O \u003d UO 2 + 4HF,

H 2 + O 2 \u003d 2 H 2 O,

oder 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF, 2 F 2 + H 2 \u003d UO 2 + 2HF,

oder 2 F 2 + H 2 O \u003d UO 3 + 2HF

UO 3 + H 2 \u003d UO 2 + H 2 O

Die Gesamtreaktion der reduktiven Hydrolyse in einer Knallgasflamme lässt sich wie folgt schreiben:

UF 6 (g) + H 2 g + O 2 g → UO 2 tv + 6HF + H 2 O-Rest

Der Verlauf der Änderungen der Gibbs-Energie bei steigender Temperatur, die bei der Hydrolyse von Uranhexafluorid mit Wasserdampf auftreten, wirkt sich günstig auf die Hydrolysetiefe und die anschließende Reduktionsreaktion von Uranylfluorid mit Wasserstoff aus. Es sei darauf hingewiesen, dass die Hydrolyse von Uranylfluorid zu Trioxid reversibel ist und bei relativ hohen Temperaturen in Vorwärtsrichtung abläuft.

UО 2 , UO 3 , UF 4 , U(OH) 4 , Н 2 О, UО 2 F 2 wurden in den Reaktionsprodukten des Flammenreaktors (Temperatur ca. 1300°C) gefunden. Das Hauptelement, das das Endprodukt verunreinigte, war Fluor, dessen Gehalt 4-8 % betrug.

Der Fluorgehalt in dem durch Flammenpyrohydrolyse erhaltenen Produkt nahm während seiner Wärmebehandlung in Wasserstoff bei 1000°C signifikant ab und erreichte einen Wert von weniger als 3·10 –3 , was ziemlich zufriedenstellend ist. Die Versorgung mit Vorprodukten ist wie folgt organisiert. Drei Gase (UF 6 , O 2 und F 2) treten durch das zentrale Rohr und H 2 - durch den Ringspalt ein; F 2 dient nur ganz am Anfang dazu, den Prozess der Wechselwirkung von UF 6 mit Wasserstoff einzuleiten.

5 HEU-LEU-Verfahren

Die HEU-LEU-Technologie umfasst Vorgänge zur Umwandlung von hochangereichertem Uran (HEU) in schwach angereichertes Uran (LEU). Die Notwendigkeit einer solchen Umrüstung entstand Mitte der 1990er Jahre durch die bilaterale Abrüstung der USA und Russlands. Das zuvor produzierte hochangereicherte (90%) Uran muss in niedrigangereichertes (1,6 - 4,4%) Uran umgewandelt werden, das für die friedliche Verwendung zur Herstellung von Brennelementen für VVER geeignet ist. Das Problem wird gelöst, indem hoch angereichertes Uran mit niedrig angereichertem Uran durch die Fluorierungsstufe verdünnt wird. Da es sich bei Uranhexafluorid um eine gasförmige Verbindung handelt, wird somit eine gleichmäßige Homogenisierung der Mischung erreicht. Die Vorteile eines solchen Mischens sind die weniger kostspielige Organisation zur Gewährleistung der nuklearen Sicherheit und die erforderliche Genauigkeit der Dosierung der gemischten Produkte, die Effizienz der Steuerung des Mischvorgangs. Das industrielle technologische Schema einer solchen Produktion ist in Abb. 14 dargestellt.

Abb. 14 Technologisches Schema des HEU-LEU-Prozesses.

LEU unterliegt hohen Reinheitsanforderungen. Insbesondere hat er die Inhalte zu gewährleisten

Plutonium< 0,05 Бк/г U

Neptunie< 0,01 Бк/г U

Uran -234< 10 000 мкг/г U - 235

Uran -236< 5 000 мкг/г U - 235

Basierend auf diesen Anforderungen wurden zwei zusätzliche Operationen in das technologische Schema für die Überführung von waffenfähigem Uran aus dem elementaren Zustand in sein Hexafluorid und die Verdünnung mit schwach angereichertem Uran eingeführt:

Zunächst wurde eine Stufe zur extraktiven Reinigung von hochangereicherten Uranoxiden aus Plutonium, Spaltprodukten und Dotierstoffen eingeführt.

Zweitens wurde die Produktion von Uranverdünnungsmittel Hexafluorid aus natürlichem Urin mit einem Gehalt von 1,5% Uran-235 mit einem reduzierten Gehalt an Uran-234- und Uran-236-Isotopen organisiert. Tabelle 1 zeigt, dass das wichtigste Element in der Technologie der Verarbeitung von waffenfähigem Uran zu Kernkraftbrennstoff der Prozess der Fluorierung von hochangereicherten Uranoxiden ist. Zur Fluorierung werden pulverförmiges Uranoxid (Triuranoctoxid) und Fluor zugeführt, das zuvor durch das Verfahren der selektiven Sorption des letzteren an Natriumfluorid-Granulat von Fluorwasserstoff gereinigt wurde. Die Fluorierungsreaktion läuft bei einer Temperatur von 350–400°C ab. Der Fluorierungsprozess wird kontinuierlich während der Verarbeitung einer Charge mit einem Gegenstrom der festen und gasförmigen Phase der Reagenzien durchgeführt. Feste pulvrige Rückstände aus der Fluorierung, in denen nichtflüchtige Fluoride von Radionuklid-Zerfallsprodukten, Korrosionsprodukte (Fe-, Ni-, Cu-Fluoride) sowie nichtflüchtige Plutoniumfluoride, die in Uran in mikroskopischen Mengen vorhanden sind, angereichert sind, nach der Aufbereitung oder mehr Chargen von Uranoxiden werden aus dem Reaktor entladen und zur Uranextraktion geschickt. Die den Reaktor verlassende Gasphase durchläuft eine zweistufige Filtration von der mitgerissenen Feststoffphase und gelangt in die Desublimation des entstehenden Uranhexafluorids aus dem Gasstrom. Zusätzlich durchläuft der Gasstrom in der ersten technologischen Kette vor der Desublimation eine Sorptionskolonne, in der Plutonium, das zusammen mit Uranhexafluorid sublimiert wurde, je nach Reaktion selektiv eingefangen wird

Das im Desublimator gesammelte Uranhexafluorid wird beim Abtauen des Desublimators einem Vakuumtraining unterzogen, um nicht kondensierbare Gase und Fluorwasserstoffverunreinigungen daraus zu entfernen, wonach das Uranhexafluorid aus dem Desublimator in Transportbehälter rekondensiert und zum Verbraucher geschickt wird (Isotopentrennanlage).

Prozessgase nach dem Desublimator, die hauptsächlich nicht kondensierende Gase F2, O2 und andere enthalten, werden von Uranhexafluorid gereinigt, indem es gemäß der Reaktion auf Natriumfluorid-Granulat aufgefangen wird:

F 6 + 2 Na F \u003d U F 6 2 Na F,

und dann werden sie zur Fluorneutralisation und Sanitärreinigung in das Gasreinigungssystem geschickt.Das Hardwaredesign der technologischen Prozesse in der Anlage wird durch die Eigenschaften der verarbeiteten Materialien und Reagenzien bestimmt, von denen die wichtigsten sind;

hohe chemische Toxizität von Fluor, Fluorwasserstoff, Uranhexafluorid und anderen flüchtigen und nichtflüchtigen Fluoriden, die am Prozess beteiligt sind. In Bezug auf die chemische Gefährlichkeit gehören die meisten von ihnen zu Stoffen der Klasse 1;

hohe Radiotoxizität von hochangereichertem Uran und anderen darin enthaltenen Nukliden: Spuren von Plutonium, Uran-232 und ihren Zerfallsprodukten; damit wird das verarbeitete Material hinsichtlich der Strahlengefährdung für Stoffe der Klasse A eingestuft;

hochangereichertes Uran ist nuklear gefährlich, d.h. unter bestimmten Bedingungen kann es zu einer spontanen Kettenreaktion des Zerfalls (SCR) kommen.

Fragen der nuklearen Sicherheit in der Anlage werden durch die Tatsache gelöst, dass alle Prozess- und Hilfsausrüstungen, darunter: ein Fluorierungsreaktor, ein Bunker, ein Desublimator, Sorptionskolonnen, Hygienefilter, entweder eine nuklearsichere Geometrie oder Einschränkungen hinsichtlich Volumen und Beladung haben der Apparatur und der Größe der gleichzeitig verarbeiteten Charge hochangereicherten Urans

Fazit

Während niedrig angereichertes Uran ein wertvolles Rohmaterial für die Produktion von hoch angereichertem Uran ist, können Gasdiffusionsanlagen mit niedriger Anreicherung nicht einfach auf die Produktion von hoch angereichertem Uran umgestellt werden. Eine hohe Anreicherung erfordert viele kleinere Stufen aufgrund des starken Abfalls des Anreicherungsfaktors und der Kritikalitätsprobleme (Akkumulation der kritischen Masse von Uran) in größeren Blöcken.

Die enorme Größe des Anreicherungssystems führt zu einer langen Befüllung mit Material (angereicherter Substanz), bevor das Produkt austritt. Typischerweise beträgt diese Äquilibrierungszeit 1–3 Monate. Die Gasdiffusionstechnologie ist in vielen Ländern weit verbreitet, sogar Argentinien hat eine funktionierende Anreicherungsanlage für sein verdecktes Waffenprogramm errichtet (jetzt eingestellt). 1979 wurden über 98 % des gesamten Urans mit diesem Verfahren hergestellt. Mitte der 1980er Jahre sank dieser Anteil mit der Einführung des Zentrifugationsverfahrens auf 95 %.

Die vorherrschende Methode der Isotopentrennung für neue Industrien, obwohl bestehende Anlagen meist Gasdiffusion sind. Jede Zentrifuge bietet einen viel höheren Trennfaktor als eine einzelne Gasstufe. Es sind viel weniger Stufen erforderlich, nur etwa tausend, obwohl die Kosten für jede Zentrifuge viel höher sind.

Die Gaszentrifugation erfordert etwa 1/10 der Energie, die für die Gasdiffusion erforderlich ist (ihr Energieverbrauch beträgt 100–250 kWh/MPH-kg) und ermöglicht eine einfachere Skalierung.

Von den sich entwickelnden Nuklearländern ist diese ziemlich ausgeklügelte Technologie im Besitz von Pakistan und Indien.

Viele Länder kündigen Programme zur Schaffung oder Entwicklung einer Flotte von Kernkraftwerken an. Laut Prognose der World Nuclear Association wird bis 2020 die installierte Leistung der Kernkraftwerke weltweit von derzeit 360 GW (2007) auf 446 GW steigen. Daher wird der Bedarf an Urananreicherung zunehmen, da die meisten der bestehenden und geplanten Reaktoren Uran, angereichert auf 3,5-4% im 235U-Isotop, als Brennstoff verwenden.

Im Allgemeinen hat die Entwicklung europäischer Anreicherungsunternehmen eine solide Grundlage in Form zuverlässiger Technologie, erheblicher vorhandener Kapazitäten und einer zuverlässigen Produktionsbasis für Zentrifugen.

Literatur

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Die industrielle Trennung von Uranisotopen begann in den Vereinigten Staaten im Rahmen des Manhattan-Projekts zur Herstellung von Atomwaffen. Im November 1943 wurde der Bau der elektromagnetischen U-12-Anlage in der Nähe von Oak Ridge abgeschlossen. Die Idee des Verfahrens beruht darauf, dass ein schwereres Ion in einem Magnetfeld einen Bogen mit größerem Radius beschreibt als ein weniger schweres. Auf diese Weise können verschiedene Isotope desselben Elements getrennt werden. Die Arbeiten wurden unter der Leitung des Erfinders des Zyklotrons, E. Lawrence, durchgeführt. Der technologische Prozess der Trennung von Uranisotopen war zweistufig ( sondern- und p-Stufen). Das Design der Trenneinheit (Calutron) sah aus wie ein großes Oval, bestehend aus 96 Magneten und 96 Aufnahmekammern ("Racetrack", also Rennbahn). Die U-12-Anlage bestand aus fünf "-Anlagen (jeweils 9 Rennbahnen), drei p-Anlagen mit acht Rennbahnen von 36 Magneten, Chemie- und anderen Nebengebäuden. Das Calutron hatte einen gigantischen Elektromagneten, dessen Länge 75 m erreichte und etwa 4000 Tonnen wog. In die Wicklungen dieses Elektromagneten flossen mehrere tausend Tonnen Silberdraht.

Eine weitere gigantische (4.000 Hektar unter den Gebäuden, damals das größte Gebäude der Welt unter einem Dach) Anlage, die in Oak Ridge gebaut wurde, war die K-25-Anlage. Der Gasdiffusionsprozess basiert auf dem Phänomen der molekularen Diffusion. Wenn eine gasförmige Uranverbindung (UFb) durch eine poröse Trennwand gepumpt wird, dringen leichtere 235U enthaltende Moleküle schneller in die Trennwand ein als schwerere 235U enthaltende Moleküle. Die Diffusion erfolgt durch eine Trennwand, die eine poröse dünne Metallmembran mit mehreren Millionen Löchern (Durchmesser ~ 0-3 mm) pro Quadratzentimeter ist. Der Prozess wird viele Male wiederholt und erfordert 3024 Anreicherungsstufen. Zuerst bestanden die Membranen aus Kupfer, dann wurde auf Nickel umgestellt. Im Frühjahr 1944 begann die industrielle Produktion von Filtern. Diese Membranen wurden zu Rohren gebogen und in einem hermetischen Hohlraum – einer Diffusionskammer – platziert.

36.06. 1944 Inbetriebnahme der Thermodiffusionsanlage 550 in Oak Ridge Der Prozess der Flüssigkeitsthermodiffusion findet in einer Säule statt, die ein langes (15 m hohes) vertikales Rohr ist, das von außen gekühlt wird und im Inneren einen beheizten Zylinder enthält. Der Effekt der Isotopentrennung in einer solchen Säule beruht darauf, dass sich die leichtere Fraktion an der heißen Oberfläche des Innenzylinders ansammelt und aufgrund des Konvektionsgesetzes nach oben wandert. Die Säulen wurden in drei Gruppen angeordnet. Jeder hatte 7 Balken für insgesamt 2142 Spalten.

Zur Herstellung von hochangereichertem Uran für die erste Atombombe „Kid“ wurden zunächst natürliche Rohstoffe (0,7%) in die Gasphase (UFe) überführt. Werk 55o führte die anfängliche Anreicherung auf 0,86 % nach dem Thermodiffusionsverfahren durch. Anlage K25 das thermische Diffusionsverfahren erhöhte die Anreicherung auf 7 %. Uran wurde fest UV 4 , dann wurde die Anreicherung mit dem α-Calutron auf 15 % gebracht und schließlich wurde mit dem p-Calutron UF 4 mit einer Anreicherung von 90 % bei 29 % erhalten. Die Ladung der Atombombe wurde aus diesem Produkt hergestellt (Kanonenschema).

In Russland basierten die ersten Anlagen zur Trennung von Uranisotopen auf dem Gasdiffusionsprinzip, dann wurde auf das Ultrazentrifugationsverfahren umgestellt.

1945 wurde in Werch-Nejwinsk (mittlerer Ural, Gebiet Swerdlowsk, heute Nowouralsk) mit dem Bau des Werks Nr. 813 (heute Ural Electrochemical Plant, UEIP) zur Urananreicherung begonnen. Die Gasdiffusionsanlage D-1, ausgestattet mit Maschinen der OK-Serie, wurde 1949 in Betrieb genommen, die Anlage D-3, ausgestattet mit Maschinen der T-Serie, 1951 und die Anlage D-4 (eine separate Diffusionskaskade, die unabhängig arbeiten kann Herstellung von 90 % ) - im Jahr 1953. Im Jahr 1949 eine hoch angereicherte (75 % 2 c$c) Uran, das als Teil der Ladung in der ersten sowjetischen Plutonium-Atombombe verwendet wurde. 1957 wurde an der UEIP eine Zentrifugenanlage in Betrieb genommen, 1960 begann die Errichtung der weltweit ersten Uranverarbeitungsanlage auf Basis der Zentrifugentechnologie, danach wurde die Anlage 1964 auf volle Kapazität gebracht, 1980 wurde die erste Industrieanlage in Betrieb genommen Betrieb Charge von Gaszentrifugen der sechsten Generation. 1987 wurde die Gasdiffusionsphase der industriellen Produktion von angereichertem Uran vollständig abgeschlossen. 1995 wurde mit der UEIP-Technologie mit der industriellen Verarbeitung von hochangereichertem Uran (HEU), das aus zu liquidierenden Kernwaffen gewonnen wurde, zu schwach angereichertem Uran (LEU) für Kernkraftwerke begonnen.

Ein weiteres Unternehmen zur Isotopenanreicherung von Uran war das Angarsk Electrochemical Combine, AECC. Der Bau südwestlich von Angarsk begann am 10. April 1954. Diese leistungsstarke Trennanlage erhöhte die Produktion von angereichertem Uran im Land dramatisch (für die Produktion von angereichertem Uranhexafluorid). 308 Gasdiffusionsmaschinen wurden in Betrieb genommen und das erste angereicherte Uran gewonnen. Am 14.12.1990 erfolgte der Stapellauf von Gaszentrifugen zur Trennung von Uranisotopen. Derzeit sind die Hauptaktivitäten der Anlage Dienstleistungen für die Umwandlung von Uranoxid in Uranhexafluorid; durch Umwandlung von Urantetrafluorid in Uranhexafluorid; Anreicherung von Uran aus vom Kunden bereitgestellten Rohstoffen; Lieferungen von angereichertem Uran in Form von Hexafluorid. Zur zuverlässigen Einhaltung der Anforderungen des Nichtverbreitungsregimes errichtete das JSC AECC das weltweit erste Internationale Urananreicherungszentrum und eine Nuklearbrennstoffbank unter IAEO-Sicherheitsvorkehrungen.

Die dritte Verarbeitungsanlage ist Teil der Siberian Chemical Plant (SCC), die Anfang der 1950er Jahre in der Region Tomsk (Seversk) gebaut wurde. SCC - ein einzelner Komplex des nukleartechnologischen Zyklus zur Herstellung von Kernwaffenkomponenten auf der Basis spaltbarer Materialien. Die Isotopentrennanlage produziert angereichertes Uran für die Kernenergie. Bis 1973 wurde eine Gasdiffusionstrennung durchgeführt, später - Zentrifuge. Es werden auch eine Reihe stabiler Isotope von Xenon, Zinn, Selen usw. produziert.Die Sublimationsanlage produziert uranhaltige Produkte, darunter hochangereichertes Uran, Uranoxid für Brennstäbe und Shch> für die Isotopenanreicherung.

Die vierte Anreicherungsanlage ist die Elektrochemische Anlage OAO PO (ehemals Krasnojarsk-45, jetzt Zelenogorsk, Region Krasnojarsk). Am 30.10.1962 wurde bei diesem Betrieb die erste Stufe von Gasdiffusionsanlagen zur Herstellung von Uranisotopen in Betrieb genommen. 1964 wurde die Technologie der Urananreicherung mit Gaszentrifugen eingeführt. Seit 1988 ist das Hauptprodukt der Anlage schwach angereichertes Uran, das als Brennstoff in Kernkraftwerken verwendet wird. Darüber hinaus stellt ECP seit 1972 mit Hilfe der Gaszentrifugentechnologie Isotopenprodukte und hochreine Substanzen her.

Der Start des ersten sowjetischen Satelliten am 4. Oktober 1957 wurde in der ganzen Welt jubelnd bekannt. Und das Ereignis, das am 4. November desselben Jahres in Verkh-Neyvinsk stattfand, blieb lange Zeit ein Rätsel für die besten Geheimdienste der Welt. Dort wurde eine Pilotanlage in Betrieb genommen, an der Uran durch Zentrifugen-Isotopentrennung angereichert wurde.

Alexander Emeljanenkow

Zu Beginn der Entwicklung von Atomwaffen war eines der Hauptprobleme die Trennung von Uranisotopen. Dieses radioaktive Schwermetall kommt in der Natur als Mischung aus zwei Hauptisotopen vor. Der Hauptanteil (etwas weniger als 99,3%) ist Uran-238. Der Gehalt des leichteren Isotops - Uran-235 - beträgt nur 0,7%, ist jedoch für die Herstellung von Atomwaffen und den Betrieb von Reaktoren erforderlich.

Isotope zu trennen ist nicht einfach. Ihre chemischen Eigenschaften sind identisch (schließlich handelt es sich um dasselbe chemische Element) und der Unterschied in der Atommasse beträgt etwas mehr als 1 %, sodass physikalische Trennmethoden eine sehr hohe Selektivität aufweisen müssen. Diese Frage wurde in den 1950er Jahren zu einem der entscheidenden Momente, die den Erfolg der sowjetischen Nuklearindustrie bestimmten und den Grundstein für die moderne Wettbewerbsfähigkeit der russischen Nuklearindustrie auf dem Weltmarkt legten.

durch ein Sieb

Die einfachste Trennmethode ist die Gasdiffusion – dabei werden gasförmige Ausgangsstoffe (Uranhexafluorid) durch eine feinporige Membran „gedrängt“, wobei verschiedene Isotope unterschiedlich schnell durch die Poren diffundieren. Die Gasdiffusion wurde zur ersten Methode, mit der kommerzielle Mengen an Uran-235 in den ersten Anreicherungsanlagen gewonnen wurden. In den Vereinigten Staaten wurden die Entwicklungen auf dem Gebiet der Gasdiffusion für das Manhattan-Projekt von Nobelpreisträger Harold Urey geleitet. In der UdSSR wurde diese Richtung bis 1954 vom Akademiker Boris Konstantinov geleitet, dann wurde er durch Isaac Kikoin ersetzt.

Zunächst schien, wie so oft, das Gasdiffusionsverfahren für die Umsetzung zugänglicher zu sein. Aber es erforderte enorme Stromausgaben - das Wasserkraftwerk Sayano-Shushenskaya und die erste Stufe des Kernkraftwerks Beloyarsk wurden, wie sich jetzt herausstellt, hauptsächlich für diese Zwecke gebaut. Neben den allgemein hohen Kosten und der geringen Effizienz war das Gasdiffusionsverfahren für die Arbeiter unsicher – hauptsächlich aufgrund der hohen Temperaturen und des Lärms in den Geschäften. Außerdem große Mengen chemisch aktiver Mischungen unter Druck, und das sind potenzielle Emissionen und Umweltverschmutzung. Inzwischen ist seit Ende des 19. Jahrhunderts eine Alternative zum Gasdiffusionsverfahren bekannt – ein Zentrifugenverfahren, das ganz erhebliche Einsparungen verspricht: Als 1958 die Anlage in Werch-Nejwinsk den Auslegungsmodus erreichte, stellte sich heraus, dass die Der Energieverbrauch pro Trenneinheit war 20 (!) Mal geringer als beim Diffusionsverfahren, und die Kosten sind halb so hoch. Auf dem Weg zur Entwicklung von Zentrifugen warteten zwar zahlreiche technologische Schwierigkeiten auf die Designer.

Elektromagnetische Trennung. Basierend auf der Bewegung geladener Teilchen (Ionen) in einem Magnetfeld. Abhängig von der Masse der Teilchen ist die Krümmung ihrer Flugbahn unterschiedlich, und selbst ein kleiner Unterschied in der Atommasse der Kerne von Uranisotopen ermöglicht es, sie zu trennen. Solche Calutrons genannten Anlagen wurden im amerikanischen Manhattan-Projekt verwendet, weil sie es ermöglichten, in wenigen Durchgängen einen sehr hohen Grad an Urananreicherung zu erreichen. Calutrons sind jedoch sehr sperrig, teuer in der Wartung, verbrauchen viel Energie und haben eine geringe Produktivität, sodass sie derzeit nicht für die industrielle Urananreicherung verwendet werden.

Deutsche Wurzeln

Die Ursprünge der sowjetischen Zentrifugentechnologie lassen sich bis ins nationalsozialistische Deutschland zurückverfolgen, wo das Atomprojekt mit der Abtrennung von Uran experimentierte. Einer der Teilnehmer an diesem Projekt, der Physiker Geront Zippe, wurde neben anderen deutschen Kriegsgefangenen in die UdSSR geschickt. Unter der Leitung von Max Steenbeck, seinem Landsmann und Schwiegervater, war Zippe bis 1954 in der experimentellen Forschung tätig – zunächst im Labor A in Suchumi (dem späteren Suchumi-Institut für Physik und Technologie) und in den letzten zwei Jahren in ein spezielles Designbüro im Kirov-Werk in Leningrad.

Wie Teilnehmer und Augenzeugen dieser Ereignisse bezeugen, kannten deutsche Wissenschaftler die Verweigerung von Forschungsmaterialien nicht. Und ihr Regime war fast dasselbe wie das unserer geheimen Nuklearwissenschaftler, die von der Beria-Abteilung genauso streng bewacht wurden. Im Juli 1952 wurden Steenbeck und seine Assistenten durch einen besonderen Regierungserlass vom Suchum-Institut nach Leningrad in das Konstruktionsbüro des Kirower Werks versetzt. Darüber hinaus wurde die Gruppe durch Absolventen des Polytechnischen Instituts aus dem Fachbereich Kernforschung verstärkt. Die Aufgabe bestand darin, zwei Einheiten nach dem Zippe-Steenbeck-Schema herzustellen und zu testen. Sie machten sich eifrig an die Arbeit, aber bereits im ersten Quartal 1953 wurden die Arbeiten eingestellt, ohne zu Tests zu führen: Es wurde klar, dass das vorgeschlagene Design nicht für die Massenproduktion geeignet war.

Gasdiffusion. Verwendet den Unterschied in den Bewegungsgeschwindigkeiten von Gasmolekülen, die verschiedene Isotope von Uran (Uranhexafluorid) enthalten. Eine unterschiedliche Masse bewirkt eine unterschiedliche Geschwindigkeit der Moleküle, so dass die Lungen die Membran mit dünnen Poren (im Durchmesser vergleichbar mit der Größe der Moleküle) schneller passieren als die schweren. Die Methode ist einfach zu implementieren und wurde in den Anfängen der Nuklearindustrie in der UdSSR verwendet, in den USA wird sie immer noch verwendet. Der Anreicherungsgrad jeder Stufe ist sehr gering, so dass Tausende von Stufen benötigt werden. Dies führt zu einem enormen Energieverbrauch und hohen Trennkosten.

Die Zippe-Zentrifuge war nicht die erste sowjetische Maschine dieser Art. Noch während des Krieges in Ufa baute ein anderer Deutscher, Fritz Lange, der 1936 aus Deutschland floh, einen sperrigen Apparat auf einem Lager. Experten, die mit den Wechselfällen des Atomprojekts in der UdSSR und den USA vertraut sind, stellen jedoch eine absolute Errungenschaft der Steenbeck-Gruppe fest - das ursprüngliche Design der Stützeinheit: Der Rotor ruhte auf einer Stahlnadel und diese Nadel - auf einem Axiallager aus superharter Legierung im Ölbad hergestellt. Und all diese geniale Konstruktion wurde durch eine spezielle magnetische Aufhängung im oberen Teil des Rotors gehalten. Seine Förderung auf Betriebsdrehzahl erfolgte ebenfalls durch ein Magnetfeld.

Während das Projekt der Steenbeck-Gruppe scheiterte, wurde im Februar desselben Jahres 1953 eine vom sowjetischen Ingenieur Viktor Sergeev entworfene Gaszentrifuge mit starrem Rotor in Betrieb genommen. Ein Jahr zuvor wurde Sergeev mit einer Gruppe von Spezialisten des Sonderkonstruktionsbüros des Kirov-Werks, in dem er damals arbeitete, nach Suchumi geschickt, um sich mit den Experimenten von Steenbeck und seinem Team vertraut zu machen. „Damals stellte er Steenbeck eine technische Frage zur Anordnung von Gasentnahmegeräten in Form von Pitot-Rohren“, sagte Oleg Chernov, ein Veteran der Zentrifugenproduktion der Tochmash Production Association, der Sergeev gut kannte und mit ihm zusammenarbeitete, enthüllte wichtige Details. „Die Frage war rein technisch und enthielt tatsächlich einen Hinweis darauf, wie man das Design der Zentrifuge praktikabel machen kann.“ Aber Dr. Steenbeck war kategorisch: „Sie werden die Strömung verlangsamen, Turbulenzen verursachen, und es wird keine Trennung geben!“ Jahre später, während er an seinen Memoiren arbeitet, wird er es bereuen: „Eine Idee, die es wert ist, von uns zu kommen! Aber es kam mir nie in den Sinn …“

Die Gaszentrifugation mit einem schnell rotierenden Rotor verdrillt den Gasstrom so, dass Moleküle, die schwerere Uranisotope enthalten, durch die Zentrifugalkraft an die äußeren Ränder geschleudert werden und leichtere näher an die Achse des Zylinders. Zentrifugen werden zu Kaskaden zusammengefasst, die teilweise angereichertes Material aus dem Ausgang jeder Stufe dem Eingang der nächsten Stufe zuführen – so ist es möglich, Uran auch mit sehr hohem Anreicherungsgrad zu gewinnen. Die Zentrifugen sind wartungsfreundlich, zuverlässig und haben einen moderaten Stromverbrauch. Die Methode wird in Russland und europäischen Ländern angewendet.

Laut Oleg Chernov hatte Zippe vor seiner Abreise nach Deutschland Gelegenheit, sich mit einem Prototyp von Sergejews Zentrifuge und dem genial einfachen Funktionsprinzip vertraut zu machen. Im Westen ließ sich der „listige Zippe“, wie er oft genannt wurde, das Design der Zentrifuge in 13 Ländern patentieren. Die ersten Personen in der sowjetischen Atomabteilung, die von einer solchen intellektuellen Täuschung erfahren hatten, machten kein Aufhebens - wenn Sie der offiziellen Version folgen, "um keinen Verdacht und erhöhtes Interesse an diesem Thema beim militärisch-technischen Geheimdienst der USA zu wecken. " Sollen sie doch denken, die Sowjets begnügen sich mit der unwirtschaftlichen, wie ihrer, Gasdiffusionsmethode ... Nachdem er 1957 in die USA gezogen war, baute Zippe dort eine funktionierende Anlage, in der Sergejews Prototyp aus dem Gedächtnis reproduziert wurde. Und er nannte es, es sollte ihm zustehen, "Russische Zentrifuge". Es gelang ihm jedoch nicht, die Amerikaner zu fesseln. Bezüglich der neuen Maschine wurde wie einst und nach Steenbecks Entwurf entschieden: für den industriellen Einsatz ungeeignet.

Der Anreicherungsgrad einer Gaszentrifuge ist gering, daher werden sie zu aufeinanderfolgenden Kaskaden zusammengefasst, in denen der angereicherte Rohstoff aus dem Ausgang jeder Zentrifuge dem Eingang der nächsten zugeführt wird und der abgereicherte Rohstoff dem zugeführt wird Eingabe einer der vorherigen. Mit einer ausreichenden Anzahl von Zentrifugen in der Kaskade kann ein sehr hoher Anreicherungsgrad erzielt werden.

Zwar entschied man sich ein Vierteljahrhundert später in den Vereinigten Staaten dennoch, von der Gasdiffusion auf Zentrifugen umzusteigen. Der erste Versuch scheiterte – 1985, als die ersten 1300 am Oak Ridge National Laboratory entwickelten Maschinen installiert wurden, stellte die US-Regierung das Programm ein. 1999 begannen am reaktivierten Standort in Piketon, Ohio, die Arbeiten zur Installation einer neuen Generation amerikanischer Zentrifugen (10- bis 15-mal größer als russische Zentrifugen in der Höhe und zwei- bis dreimal im Durchmesser) mit einem Kohlefaserrotor. Laut Plan sollten bereits 2005 96 Kaskaden mit 120 „Tops“ montiert werden, aber bis Ende 2012 wurde das Projekt noch nicht in den kommerziellen Betrieb genommen.

Die Lasertrennung von Uran-Isotopen basiert auf der Tatsache, dass Moleküle, die verschiedene Isotope enthalten, leicht unterschiedliche Anregungsenergien haben. Durch Bestrahlen eines Isotopengemisches mit einem Laserstrahl einer genau definierten Wellenlänge ist es möglich, nur Moleküle mit dem gewünschten Isotop zu ionisieren und die Isotope dann mit einem Magnetfeld zu trennen. Es gibt mehrere Varianten dieser Methode, die Atomdampf AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (französisches Analogon von AVLIS) und Moleküle betreffen - MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) und SILEX (Separation von Isotopen).durch Laseranregung). Derzeit versucht die General Electric Corporation, die von Spezialisten aus Südafrika und Australien entwickelte SILEX-Technologie zu kommerzialisieren. Die Lasertrennung ist energiearm, kostengünstig und hochgradig angereichert (weshalb sie jetzt zur Herstellung kleiner Mengen ultrareiner Isotope verwendet wird), aber es gibt immer noch Probleme mit der Leistung, der Lebensdauer des Lasers und der Anreicherung, ohne den Prozess abzuschalten.

geheime Nadeln

Unterdessen wurde in der UdSSR am unauffälligen Ort Verkh-Neyvinsk im Mittleren Ural unter strengster Geheimhaltung die erste Versuchslinie von Trenngaszentrifugen montiert. Bereits 1942 stieß Isaac Kikoin auf eine von Lange konstruierte Gaszentrifuge und testete sie sogar in seinem Labor in Swerdlowsk. Dann lieferten die Experimente nicht die gewünschten Ergebnisse, und der Akademiker war skeptisch gegenüber der Möglichkeit, industrielle Gaszentrifugen herzustellen. Das Hauptproblem der allerersten Installationen war ihre Zerbrechlichkeit. Und obwohl sie anfangs mit „nur“ 10.000 Umdrehungen pro Minute rotierten, war es alles andere als einfach, mit der enormen kinetischen Energie des Rotors fertig zu werden.

Ihre Autos werden zerstört! - warf den Entwicklern bei einem der Treffen in Minsredmash der Leiter der Zentrale Alexander Zverev, der den Rang eines Generals des NKWD hatte, sarkastisch vor.

— Und was wolltest du? Damit sie sich weiter vermehren? - Anatoly Safronov, der damals für das Projekt verantwortlich war, erwiderte trotzig.

Bei der zentrifugalen Trennmethode entsteht durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit eine Zentrifugalkraft, die die Erdanziehungskraft hunderttausendfach übersteigt. Dadurch "klopfen" die schwereren Moleküle von Uran-238-Hexafluorid an der Peripherie des rotierenden Zylinders, und die leichteren Moleküle von Uran-235-Hexafluorid konzentrieren sich in der Nähe der Rotorachse. Durch separate Auslassleitungen (wie Pitot-Rohre, über die der sowjetische Ingenieur Sergeev mit dem Deutschen Steenbeck sprach) wird das U-238-Isotope enthaltende Gas „zur Deponie“ entfernt und die angereicherte Fraktion mit einem erhöhten Gehalt an Uran-235 fließt in die nächste Zentrifuge. Eine Kaskade solcher Zentrifugen, die Hunderte und Tausende von Maschinen enthält, ermöglicht es, den Gehalt des leichten Isotops schnell zu erhöhen. Relativ gesehen können sie als Separatoren bezeichnet werden, auf denen vergaste Uranrohstoffe (Uranhexafluorid, UF6) mit einem geringen Gehalt des Isotops U-235 sequentiell aus der Konsistenz frischer Milch in Sahne und Sauerrahm überführt werden. Und wenn nötig, können sie auch das „Öl“ herunterbringen – die Anreicherung auf 45 % oder sogar 60 % bringen, um es als Brennstoff in U-Boot-Reaktoren und in Forschungseinrichtungen zu verwenden. Und in jüngerer Zeit, als es in großen Mengen benötigt wurde, drehten sie Zentrifugen, bis sie am Ausgang teuren „Käse“ bekamen - waffenfähiges Uran mit einer Anreicherung von mehr als 90%. Aber bis Ende der 1980er Jahre war in vier sowjetischen Anlagen so viel waffenfähiges Uran „abgetrennt“ worden, dass seine Bestände in Lagerhäusern und in vorgefertigten Nuklearladungen als überhöht galten, ebenso wie die Produktion von hochangereichertem Uran für militärische Zwecke gestoppt.

Die Dicke der Außenwände des Zentrifugenkörpers hätte nach ersten Berechnungen 70 mm betragen sollen - wie eine Panzerpanzerung. Versuchen Sie, einen solchen Koloss abzuwickeln ... Aber durch Versuch und Irrtum fanden sie eine Kompromisslösung. Eine spezielle Legierung wurde geschaffen - stärker und leichter als Stahl. Die Gehäuse moderner Zentrifugen, die einer der Autoren bei der Tochmash Production Association in Wladimir zufällig gesehen und in Händen gehalten hat, wecken keine Assoziationen an Panzerpanzer: gewöhnlich aussehende Hohlzylinder mit auf Hochglanz polierter Innenfläche. Aus der Ferne können sie mit Schneidrohren mit Anschlussflanschen an den Enden verwechselt werden. Länge - nicht mehr als einen Meter, Durchmesser - zwanzig Zentimeter. Und in der Ural Electrochemical Plant werden riesige Kaskaden von Hunderten von Metern Länge daraus zusammengesetzt. Schilder an den Wänden und besondere Markierungen auf dem gestrichenen Betonboden in den Technikgängen weisen darauf hin, dass es üblich ist, sich mit dem Fahrrad fortzubewegen. Richtig, nicht schneller als 5-10 km / h.

Und im Innern der kaum hörbaren Zentrifugen sind die Drehzahlen ganz andere - ein Rotor auf einer Nadel mit Korund-Drucklager, "schwebend" in einem Magnetfeld, macht 1500 Umdrehungen pro Sekunde! Im Vergleich zum ersten VT-3F-Produkt von 1960 wurde es um fast das Zehnfache übertaktet und die Dauer des Dauerbetriebs von drei auf 30 Jahre erhöht.Es ist wahrscheinlich schwierig, ein anderes Beispiel zu finden, bei dem eine Technik dies demonstriert Zuverlässigkeit bei solch extremen Parametern. Wie Valery Lempert, stellvertretender Leiter der Zentrifugenproduktion, sagte, arbeiten die Maschinen, die Tochmash vor 30 Jahren dorthin geliefert hat, immer noch im Werk in Novouralsk: „Es war wahrscheinlich die dritte Generation von Zentrifugen, und jetzt wird die achte in Serie produziert und die neunte geht in die Pilotproduktion über.“

„Das Design unserer Zentrifuge ist nicht besonders kompliziert. Es geht um die Perfektionierung der Technologie bis ins kleinste Detail und eine strenge Qualitätskontrolle“, erklärt Tatyana Sorokina, die seit Jahrzehnten die Technologie zur Herstellung einer Stütznadel für den Rotor im Werk „leitet“. - Solche Nadeln werden aus gewöhnlichem Klavierdraht hergestellt, aus dem Saiten gezogen werden. Aber die Methode, die Spitze zu härten, ist unser Know-how.“

In seinen letzten Jahren gab einer seiner wichtigsten Schöpfer, Viktor Sergeev, seine Erklärung zu den Geheimnissen der russischen Zentrifuge. Laut Aussage des Ingenieurs Oleg Chernov antwortete der Designer auf die Frage der Sicherheitsdienste, was in diesem Produkt geschützt werden muss und was sein Hauptgeheimnis ist, kurz und bündig: "Menschen."

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Allgemeine Grundsätze

Hauptverfahren zur Isotopentrennung

Elektromagnetische Trennung

Gasdiffusion

Flüssige thermische Diffusion

Gaszentrifugation

Aerodynamische Trennung

Laser-Isotopentrennung (LIS)

Chemische Anreicherung

Destillation

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Allgemeine Grundsätze

Hauptverfahren zur Isotopentrennung

Elektromagnetische Trennung

Gasdiffusion

Thermische Diffusion

Gaszentrifugation

Aerodynamische Trennung

Laser-Isotopentrennung (LIS)

Chemische Anreicherung

Destillation

.2 Thermische Diffusion

1.5 Aerodynamische Trennung

Die aerodynamische Trennung wurde in Südafrika (UCOR-Verfahren unter Verwendung von Wirbelrohren bei 6 bar) und Deutschland (unter Verwendung gebogener Düsen, die bei 0,25–0,5 bar arbeiten) entwickelt.

Das einzige Land, das diese Methode in die Praxis umgesetzt hat, ist Südafrika, wo 400 kg waffenfähiges Uran in einer Anlage in Valindaba produziert wurden, die Ende der achtziger Jahre geschlossen wurde. Trennfaktor ~1,015, Energieverbrauch ~3300 kWh/MPP-kg.

Noch nicht industriell anwendbare Methoden verdienen Beachtung:

Verdampfung mit einem Laser

Chemische Trennung

Trennung von Isotopen mit leichtem Druck

Photochemische Reaktionen elektronisch angeregter Teilchen

Zweistufige Anregung von Atomen und Molekülen

Selektive Photoprädissoziation

Anregung von Molekülen durch Infrarotstrahlung

Isotopeneffekt bei chemischen Reaktionen, die unter thermodynamischen Nichtgleichgewichtsbedingungen ablaufen

Kondensation eines Gases aus schwingungsangeregten Molekülen

Isotopeneffekt bei chemischen Reaktionen, die in einem Magnetfeld ablaufen

Trennung durch Adsorption

Durch Laserstrahlung stimulierte selektive Diffusion

Resonanzkontrolle von Prozessen an der Oberfläche durch Laserstrahlung

Laserchemie an der Grenzfläche zwischen zwei Medien

Laserstimulation chemischer Reaktionen an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten

1.9 Ausströmen von Gasen

Isotopen-Uranhexafluorid-Thermodiffusion

Die Effusion von Gasen beruht darauf, dass beim molekularen Ausströmen (Effusion)

Im Allgemeinen hat die Entwicklung europäischer Anreicherungsunternehmen eine solide Grundlage in Form zuverlässiger Technologie, erheblicher vorhandener Kapazitäten und einer zuverlässigen Produktionsbasis für Zentrifugen.

durch ein Sieb

Deutsche Wurzeln

geheime Nadeln

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