feanoturi (feanoturi) wrote,
feanoturi
feanoturi

Categories:

Если над реактором стелется дымок, разделить нуклиды чей-то химик смог

И ведь действительно – ядерные реакторы и ядерные бомбы у нас как-то ассоциируются с триумфом воли физиков, но для того, чтобы гады-физикиTM смогли бы, нет, не раскрутить шарик наоборот на пари, а «приручить» атом, они должны были иметь дело с обогащенным ураном, а для обогащения урана используется очередное наше замечательное вещество – гексафторид урана (UF6).

Разделение двух нуклидов, относящихся к одному химическому элементу, вообще является задачей не из легких – на качественном уровне химические свойства изотопов идентичны; физические способы разделения изотопной смеси усложняются по мере того, как уменьшается различие масс двух нуклидов и еще в большей степени усложняются – если один из нуклидов (в особенности тот – который нам нужен) содержится в количестве, меньшем чем 1% от общего состава изотопной смеси.

Небольшое терминологическое отступление о «нуклидах» и «изотопах»: Нуклид – вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.
Например – водород представлен такими нуклидами, как «протий» (ядро состоит из одного протона), «дейтерий» или «тяжелый водород» (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и «тритий» (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов), называются «изотопами». Так вот, строго говоря, применение термина изотоп в единственном числе вместо термина нуклид, строго говоря, неверно, однако широко распространено.
Для процесса деления атомного ядра, применяющегося для извлечения энергии, что для ядерного оружия, что для атомной электростанции, необходим такой нуклид, как уран-235 (его ядро состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, 0,72% от общего содержания в изотопной смеси урана, период полураспада – 7,04•108 лет). Соответственно, остальные 99,27% атомов урана в земной коре представлены менее активным ураном-238 (его ядро состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, период полураспада – 4,47•109 лет). Есть еще и нуклид уран-234, но при его изотопной распространенности 0,0055% никакого практического значения этот нуклид не имеет (по крайней мере – пока).


Так вот, для применения в гражданской энергетике уран должен быть обогащен до 3-4% содержания урана-235, оружейный уран должен содержать не менее 90% урана-235.

Итак – каким образом можно увеличить содержание урана-235 в его смеси с ураном-238 в то время, как массы этих нуклидов различаются менее, чем на 1%, и «нужного» нуклида в этой смеси мало? К счастью – с большим трудом. Сомнительное счастье заключается в том, что, в отличие от относительной простоты получения химического оружия (которое иногда называют «ядерной бомбой для бедных стран», опять же зарин, который распыляла в 1995 году в токийском метро Аум Синреке был синтезирован сектантами самостоятельно) сложности, возникающие при обогащении урана в какой-то степени способствуют нераспространению ядерного оружия. В то же самое время сложности, возникающие при обогащении урана, затрудняют развитие атомной энергетики, которую хоть после Чернобыля и Фукусимы хоть и боятся, но, тем не менее, не имеющей реальной альтернативы для человечества.
И все же разделение происходит и происходит на основании исключительно различий в физических свойствах двух нуклидов. Основа метода такова – когда мы нагреваем материал до температуры кипения, его кристаллическая решетка разрушается, частицы вещества переходят в газовую фазу, более тяжелая частица переходит в газовую фазу с большим трудом и для ее переноса в газ требуется больше энергии. Другими словами, уран-235 должен закипать при температуре, чуть меньшей, чем уран-238.

Это хорошо на словах – температура кипения металлического урана приближается к 4000°C, соответственно промышленная работа с газообразным ураном просто непрактична – для перевода урана в газ потребуется огромное количество энергии, не говоря уже про затраты на аппаратно-технологическое оформление такого процесса. Тут-то и вступают в дело химики и замечательное вещество – гексафторид урана, которое может переходить в газообразное состояние при вполне умеренных для промышленности температурах. При комнатной температуре гексафторид урана твердый, а при нормальном атмосферном давлении и достижении температуры 56,4°C гексафторид урана, минуя жидкое агрегатное состояние, становится газом (этот процесс называется «сублимацией» и, характерен, например, еще для кристаллического йода или нафталина). Нагрев до 64°C и сжатие примерно до 10 атмосфер позволяет получить жидкий гексафторид урана – все эти условия фазовых переходов (переходов из твердого состояния в жидкое и/или газообразное) позволяют довольно сильно облегчить промышленную работу по обогащению урана с применением UF6.

Помимо удачных физических свойств преимуществом гексафторида урана является то, что входящий в его состав фтор представляет собой моноизотопный элемент, в природе состоящий только из одного нуклида – фтора-19 (9 протонов и 10 нейтронов). Это означает, что все атомы фтора, входящие в состав UF6 имеют одинаковую массу, и масса гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 различаются только массой атома урана.
Получают гексафторид урана, окисляя тетрафторид урана UF4 элементарным фтором, а вот получение тетрафторид урана из урановых руд может быть осуществлено различными путями – в ядерно-топливном цикле, разработанном в СССР и применяющемся в РФ, полученные из урановых руд оксиды урана обрабатывают элементарным фтором F2, а в американском ядерно-топливном цикле оксиды урана обрабатываются фтороводородом. Учитывая коррозионную активность и токсичность как фтора, так и фтороводорода, понятно, что получение гексафторида урана нельзя организовать в гараже или на производстве без соответствующих материалов.
Гексафторид урана и сам отличается высокой коррозионной активностью. Однако с рядом металлов (к счастью – с неэкзотическими железом и никелем) гексафторид урана может реагировать с образованием защитного слоя фторида металла, что позволяет хранить гексафторид урана в стальных емкостях. Для получения и хранения гексафторида урана, а также работы с ним необходима абсолютно сухая атмосфера – уже следовыми количествами воды гексафторид урана гидролизуется до дифторида уранила (UO2F2) и фтороводорода, а фтороводород может разъедать и инструментальную сталь, и стекло, он токсичен, может поражать кожу и кости, так что для рабочих контактов с гексафторидом урана нужна и смелость, и осторожность и мастерство.
Даже при обогащении, основанном не на применении газообразного урана, а газообразного гексафторида урана, работа по обогащению урана остается технологически сложной. Гексафторид урана подают в массивные газовые центрифуги, скорость вращения которых составляет 100000 оборотов в минуту, при этом более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 движутся к внешним стенкам центрифуги, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 остаются ближе к центру. Нагревание дна центрифуги и охлаждение ее верхней части в итоге способствует тому, что более легкие молекулы, содержащие целевой нуклид урана движутся к верху центрифуги, а более тяжелые – к ее дну, и разделение изотопной смеси происходит.
Из-за того, что различие массы между молекулами гексафторида урана-238 и гексафторида урана-235 еще меньше, чем различие массы между ураном-235 и ураом-238 даже для получения малообогащенного реакторного урана требуется многократное повторение цикла центрифугирования. На заводах по обогащению урана обычно работают сотни или даже тысячи центрифуг, объединенные в каскады, при этом все центрифуги в каскадах должны постоянно работать без ремонта в течение нескольких лет. Такие каскады, при мощности одной установки в 100 кВт, потребляют электроэнергию от 580000 до 816000 кВт/ч. Для получения одного килограмма боевого обогащённого урана-235 необходимо переработать 220 кг природного урана-238. На бомбу, сброшенную на Хиросиму, потребовалось 60 кг боевого обогащённого урана-235, которые были получены из 13 т природной смеси урана-238 и урана-235, при этом было использовано 7 тысяч центрифуг, занимавших площадь, равную площади пяти футбольных полей. Таким образом, заводы по обогащению урана, работающие на основании существующих технологий практически невозможно скрыть, причем количество и технические характеристики центрифуг позволяют определить, для чего обогащают уран – для реактора атомной станции или для ядерного оружия.
Однако, появившемуся еще во время Второй Мировой методу обогащения урана центрифугированием есть физические альтернативы (в которых, правда, все равно ключевым игроком является гексафторид урана).В начале 1990-х австралийская компания SILEX разработала технологию обогащения урана путём облучения молекул гексафторида урана лазером. Лазерное излучение с определенной частотой способно селективно возбуждать и ионизировать только гексафторид урана-235, не воздействуя на гексафторид урана-238. Возбужденные и ионизированные молекулы гексафторида урана-235 легко отделяются от сохранивших все свои электроны молекул гексафторида урана-238 с помощью электромагнитного поля. Несколько таких лазерных камер способны заменить тысячи центрифуг. От введения в строй установки по лазерному обогащению до создания урановой бомбы пушечного типа (и даже плутониевой имплозивного типа) могут пройти считанные годы, даже в не самой технологически развитой стране.
Американское физическое общество уже подало петицию в Комитет по ядерной безопасности и лицензированию, предлагая строго соблюдать правила выдачи лицензий, с тем, чтобы оградить распространению этой технологии. Это связано с тем, что лазерная технология обогащения урана не сильно отличается от стандартного использования лазеров в лаборатории любой мало-мальски научно и технологически развитой страны. Небольшая площадь таких установок (по оценкам, в разы меньше заводов, использующих центрифуги) позволит вести обогащение в компактном сооружении, и отследить это будет очень трудно.
Но, тем не менее – обогащаем ли мы уран лазером или центрифугами, нужен ли этот уран для разрешения энергетического кризиса или для создания кризиса политического, для получения урана не обойтись без умелых и опытных (или безрассудных) химиков, способных синтезировать и сохранить достаточное количество гексафторида урана.


This entry was originally posted at http://feanoturi.dreamwidth.org/732207.html.
Tags: жизнь замечательных веществ
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 13 comments