Зачем ядерное топливо перед обогащением превращают в газ

Готовое ядерное топливо выглядит совсем не так, как обычно представляют радиоактивное вещество. Это небольшие твёрдые керамические таблетки, заключённые в длинные металлические трубки. Однако до попадания в реактор уран несколько раз меняет химическую и физическую форму. На одном из этапов его даже превращают в газ.

Строго говоря, перед обогащением речь идёт ещё не о готовом топливе, а об урановом сырье. Газообразное состояние требуется не реактору: оно позволяет разделить атомы, которые почти невозможно отличить химическими методами. После завершения этой операции уран снова становится твёрдым и уже больше не возвращается в газообразную форму.

Обогащение не добавляет урану энергии

Природный уран представляет собой смесь нескольких изотопов. Около 99,3 % приходится на уран-238, ещё примерно 0,7 % — на уран-235. Следы оставшейся массы составляет уран-234.

Изотопы являются атомами одного элемента. В их ядрах одинаковое количество протонов, поэтому химически они ведут себя почти одинаково. Различается число нейтронов, а вместе с ним — масса атома и некоторые ядерные свойства.

Для большинства распространённых энергетических реакторов важен уран-235. Его ядро может делиться после поглощения медленного нейтрона, высвобождая энергию и новые нейтроны. При достаточной концентрации возникает управляемая цепная реакция.

В природной смеси доля урана-235 для обычного водо-водяного реактора слишком мала. Поэтому её увеличивают примерно до 3-5 %. Этот процесс и называется обогащением. В уран не добавляют новое вещество и не усиливают его радиоактивность искусственным облучением — из исходной смеси лишь выделяют часть с повышенным содержанием нужного изотопа.

Обогащение требуется не каждому типу реактора. Некоторые установки способны работать на природном уране благодаря тяжёлой воде или графиту, используемым в качестве замедлителя нейтронов. Однако большая часть современной атомной энергетики использует низкообогащённое топливо.

Твёрдое сырьё нельзя пропустить через центрифугу

После добычи и переработки руды получают концентрат оксидов урана. Его часто называют «жёлтым кеком», хотя цвет порошка может меняться от жёлтого до тёмно-зелёного или почти чёрного в зависимости от состава и технологии производства.

В таком виде отделить уран-235 от урана-238 чрезвычайно сложно. Обычная промышленная центрифуга разделяет неоднородные смеси: например, взвешенные в жидкости частицы или компоненты с заметно различающейся плотностью. В куске металла или частице оксида атомы двух изотопов связаны в общей кристаллической решётке и не могут самостоятельно перемещаться под действием вращения.

Раствор также не даёт простого решения. Уран-235 и уран-238 образуют практически одинаковые химические соединения, поэтому реагенты не способны надёжно выбрать один изотоп и оставить другой.

Для механического разделения вещество необходимо превратить в поток отдельных молекул. Они должны свободно двигаться и при этом содержать атом урана. Этим условиям соответствует газообразное соединение.

Почему выбрали гексафторид урана

На конверсионном предприятии урановый концентрат очищают от примесей и химически превращают в гексафторид урана — UF₆. Это соединение состоит из одного атома урана и шести атомов фтора.

Выбор фтора имеет принципиальное значение. В природе он представлен практически одним стабильным изотопом — фтором-19. Поэтому все атомы фтора в молекулах UF₆ обладают одинаковой массой. Разница между двумя разновидностями молекул определяется только тем, какой уран находится в центре: уран-235 или уран-238.

Гексафторид оказался удобен и по физическим свойствам. При обычной температуре он представляет собой белое кристаллическое вещество. В таком состоянии UF₆ перевозят и хранят в герметичных стальных цилиндрах. При умеренном нагреве соединение переходит в газообразное состояние, подходящее для подачи в обогатительную установку.

Металлический уран при этом никто не пытается испарить. Для превращения самого металла в пар потребовалась бы очень высокая температура, несовместимая с точным и экономичным промышленным процессом. Вместо этого создают летучее химическое соединение, которое можно снова разложить после выполнения задачи.

У UF₆ есть и технологические недостатки. Он химически активен, требует герметичного оборудования и строгого контроля температуры. Тем не менее сочетание летучести и подходящего изотопного состава сделало его основным рабочим веществом современного обогащения.

Центрифуга улавливает разницу меньше одного процента

Молекула гексафторида с ураном-238 немного тяжелее такой же молекулы с ураном-235. Поскольку значительную часть общей массы составляют шесть атомов фтора, итоговая разница между молекулами составляет менее 1 %.

Этого недостаточно для быстрого разделения в обычном аппарате. Поэтому газовую центрифугу делают в виде узкого вертикального цилиндра с ротором, вращающимся с огромной скоростью. Оборудование работает в вакуумном корпусе, чтобы уменьшить сопротивление воздуха и механические потери.

UF₆ подают внутрь ротора. Под действием вращения более тяжёлые молекулы немного сильнее смещаются к внешней стенке. Ближе к оси смесь становится чуть богаче молекулами с ураном-235. Внутренняя циркуляция газа позволяет отводить два потока: один с незначительно повышенной долей лёгкого изотопа, второй — с пониженной.

Центрифуга не сортирует отдельные атомы поштучно и не выдаёт сразу готовое реакторное топливо. Она лишь создаёт небольшое различие в составе двух выходящих потоков. Для получения требуемой концентрации операцию приходится повторять многократно.

Ранее в промышленности применялась газовая диффузия. UF₆ пропускали через пористые перегородки, через которые более лёгкие молекулы проникали немного быстрее. Такая технология требовала огромного количества электроэнергии и множества последовательных ступеней. Современные газовые центрифуги выполняют ту же задачу значительно эффективнее.

Тысячи машин работают как одна установка

Отдельные центрифуги объединяют в группы, а группы — в каскады. Часть аппаратов работает параллельно, увеличивая объём перерабатываемого газа. Последовательные ступени постепенно повышают концентрацию урана-235.

Поток, немного обогащённый в первой ступени, поступает в следующую. Там разделение повторяется. Материал с пониженной долей урана-235 может возвращаться на предыдущую ступень или направляться к выходу в качестве обеднённой фракции.

В результате каскад выпускает два основных продукта. Первый — UF₆ с долей урана-235, необходимой заказчику. Второй называют «хвостами»: это гексафторид обеднённого урана, в котором урана-235 осталось меньше, чем в природной смеси.

Чем выше требуемая концентрация, тем больше разделительной работы должен выполнить каскад. Для топлива большинства энергетических реакторов достаточно нескольких процентов урана-235. Получение более высоких концентраций требует другого режима работы, дополнительных ступеней и более строгих мер контроля.

Количество центрифуг объясняется не слабостью каждой машины, а ничтожной разницей масс. Каскад накапливает тысячи небольших изменений, пока они не превращаются в заметный результат.

Газ снова превращается в твёрдое вещество

Обогащённый UF₆ не загружают в реактор. После выхода из каскада соединение охлаждают, и оно снова становится твёрдым. В таком состоянии его можно перевозить на предприятие по изготовлению топлива.

Там цилиндр нагревают, переводя UF₆ в газообразную форму для последующей химической переработки. Из соединения удаляют фтор и получают порошок диоксида урана — UO₂.

Порошок прессуют в небольшие цилиндрические заготовки и обжигают при высокой температуре. Получаются твёрдые керамические таблетки, способные сохранять форму и свойства в условиях работающего реактора.

Таблетки помещают в герметичные металлические трубки — твэлы. Трубки объединяют в тепловыделяющие сборки, которые устанавливают в активную зону. Только после этих операций обогащённый уран приобретает привычную форму ядерного топлива.

Газообразная стадия оказывается коротким технологическим промежутком между двумя твёрдыми формами. Сначала UF₆ нужен для разделения изотопов, затем его химические преимущества перестают быть полезными.

Главная опасность связана с химией

Гексафторид урана радиоактивен, однако при обращении с ним большое значение имеет не только излучение. При контакте с влагой воздуха UF₆ образует фторид уранила и фтороводород. Последний способен повреждать дыхательные пути, глаза и кожу.

Из-за этой реакции трубопроводы, центрифуги и ёмкости делают герметичными. В значительной части оборудования давление поддерживают ниже атмосферного: при небольшой негерметичности воздух будет проникать внутрь системы, а не выталкивать UF₆ в помещение. Там, где вещество находится под повышенным давлением, применяют дополнительную защитную оболочку.

Опасно и неправильное нагревание транспортного цилиндра. Гексафторид расширяется при переходе из твёрдого состояния в жидкость и газ, поэтому ёмкость нельзя переполнять или разогревать без контроля. На предприятиях отслеживают массу загруженного вещества, температуру, давление и состояние корпуса.

Химическая активность UF₆ — цена за его удобные физические свойства. Для реактора потребовался бы устойчивый материал, выдерживающий высокую температуру и облучение. Для обогатительной центрифуги, напротив, нужно вещество, молекулы которого свободно движутся и различаются по массе. Поэтому уран временно становится газом, а затем превращается в прочную керамику.