Збагачений уран — це тип урану, у якому процентний склад урану-235 (позначається як 235U) був збільшений завдяки процесу розділення ізотопів. Уран, що зустрічається в природі, складається з трьох основних ізотопів: уран-238 (238U з 99,2739–99,2752 % поширення у природі), уран-235 (235U, 0,7198–0,7202 %) і уран-234 (234U, 0,0050–0,0059 %). 235U — єдиний існуючий у природі нуклід (у будь-якій значній кількості), який розщеплюється тепловими нейтронами.
Збагачений уран є критично важливим компонентом як для виробництва цивільної ядерної енергії, так і для військової ядерної зброї. Міжнародне агентство з атомної енергії намагається відслідковувати та контролювати поставки та процеси збагаченого урану, намагаючись забезпечити безпеку виробництва ядерної енергії та стримати .
Є близько 2000 тонн високозбагаченого урану в світі, виробленого в основному для ядерної енергетики, ядерної зброї, морських силових установок і в менших кількостях для дослідницьких реакторів .
238U, що залишився після збагачення, відомий як збіднений уран (DU), і він значно менш радіоактивний, ніж навіть природний уран, хоча все ще дуже щільний. Збіднений уран використовується як матеріал для захисту від радіації та для бронебійної зброї.
Градації Уран, отриманий безпосередньо із породи, не підходить як паливо для більшості ядерних реакторів і потребує додаткових процесів, щоб зробити його придатним для використання (відомим винятком є конструкція CANDU). Уран видобувають під землею або відкритим способом залежно від глибини, на якій він знаходиться. Після видобутку уранової руди їй необхідно пройти через процес помелу, щоб витягти уран з руди.
Це досягається шляхом поєднання хімічних процесів, кінцевим продуктом яких є концентрований оксид урану, який відомий як "жовтий кек", що містить приблизно 80 % урану, тоді як вихідна руда зазвичай містить лише 0,1 % урану.Nuclear Fuel Cycle Overview, Uranium milling. World Nuclear Association, update April 2021
Після завершення процесу подрібнення уран повинен пройти процес перетворення «або в діоксид урану, який можна використовувати як паливо для тих типів реакторів, які не потребують збагаченого урану, або в гексафторид урану, який можна використовувати для збагачення з метою отримання палива для більшості типів реакторів». Уран, що зустрічається в природі, складається із суміші 235U та 238U. 235U є таким, що розщеплюється нейтронами, тоді як залишок становить 238U, але в природі більше 99 % видобутої руди становить 238U. Більшість ядерних реакторів вимагають збагаченого урану, тобто урану з більш високими концентраціями 235U в діапазоні від 3,5 % до 4,5 % (хоча деякі конструкції реакторів, що використовують графіт або важку воду як сповільнювач, такі реактори як РБМК і CANDU, здатні працювати з природним ураном в якості палива). Існує два комерційних процеси збагачення: газова дифузія та газове центрифугування. Обидва процеси збагачення включають використання гексафториду урану та одержання збагаченого оксиду урану.
Перероблений уран
Перероблений уран є продуктом ядерного паливного циклу, що включає ядерну переробку відпрацьованого палива. Перероблений уран, отриманий з відпрацьованого палива легководних реакторів, зазвичай містить трохи більше 235U, ніж природний уран, і тому може використовуватися для палива реакторів, які зазвичай використовують природний уран як паливо, наприклад реакторів CANDU. Він також містить небажаний ізотоп уран-236, який піддається захопленню нейтронів, через що втрачаються нейтрони (і потребується більше збагачення 235U) і утворенню нептунію-237, який був би одним із найбільш мобільних і проблемних радіонуклідів у глибоких геологічних сховищах ядерних відходів.
Низькозбагачений уран (НЗУ) Низькозбагачений уран (НЗУ) має менш ніж 20 % концентрацію 235U; наприклад, у комерційних реакторах на легкій воді, найпоширеніших енергетичних реакторах у світі, уран збагачується до 3–5 % 235U.
Високопробний НЗУ (HALEU) збагачений на 5–20 %. Свіжий НЗУ, який використовується в дослідницьких реакторах, зазвичай збагачений від 12 до 19,75 % 235U, остання концентрація використовується для заміни ВЗУ палива при перетворенні на НЗУ.
Високозбагачений уран (ВЗУ)
Високозбагачений уран (ВЗУ) має концентрацію 235 U 20 % або вище. Розщеплюваний уран у первинних елементах ядерної зброї зазвичай містить 85 % або більше 235 U, відомого як збройовий, хоча теоретично для конструкції імплозії може бути достатньо мінімум 20 % (що називається придатним для зброї), хоча для цього знадобляться сотні кілограмів матеріалу та «не було б практичним у проектуванні»; Гіпотетично можливе навіть менше збагачення, але зі зменшенням відсотка збагачення критична маса для несповільнених швидких нейтронів швидко зростає, наприклад, необхідна нескінченна маса 5,4 % 235U. Для дослідів критичності було досягнуто збагачення урану до понад 97 %.
Найперша уранова бомба Малюк, скинута Сполученими Штатами на Хіросіму в 1945 році, використовувала 64 кілограми 80 % збагаченого урану. Загортання розщеплюваного сердечника зброї в нейтронний відбивач (який є стандартним для всіх ядерних вибухівок) може різко зменшити критичну масу. Оскільки активна зона була оточена хорошим відбивачем нейтронів, під час вибуху вона мала майже 2,5 критичні маси. Нейтронні відбивачі, стискаючи ядро, що розщеплюється, за допомогою імплозії, прискорення термоядерним синтезом та «утрамбовування», що уповільнює розширення ядра, що розщеплюється за інерцією, дозволяють створювати конструкції ядерної зброї, які використовують менше критичної маси однієї оголеної сфери за нормальної щільності. Наявність занадто великої кількості ізотопу 238U гальмує ланцюгову ядерну реакцію, що відповідає за потужність зброї. Критична маса 85 % високозбагаченого урану становить близько 50 кг, що за нормальної щільності буде сферою приблизно 17 см в діаметрі.
Пізніша ядерна зброя США зазвичай використовує плутоній-239 на первинній стадії, але вторинна стадія сорочки або тампера, яка стискається первинним ядерним вибухом, часто використовує ВЗУ зі збагаченням від 40 % до 80 % разом із термоядерним паливом літію дейтеридом. Для вторинної частини великої ядерної зброї вища критична маса менш збагаченого урану може бути перевагою, оскільки це дозволяє активній зоні під час вибуху містити більшу кількість палива. Ізотоп не називають 238U, таким, що розщеплюється, але його все ще може розщеплювати швидкими нейтронами (>2 МеВ), такими як ті, що утворюються під час термоядерного синтезу.
ВЗУ також використовується в реакторах на швидких нейтронах, активні зони яких вимагають приблизно 20 % або більше матеріалу, що розщеплюється, а також у морських реакторах, де він часто містить щонайменше 50 % 235U, але зазвичай не перевищує 90 %. Прототип комерційного реактора на швидких нейтронах використовував ВЗУ з 26,5 % 235U. Значні кількості ВЗУ використовуються у виробництві медичних ізотопів, наприклад, для .
Методи збагачення
Розділення ізотопів є складним, оскільки два ізотопи одного елемента мають майже ідентичні хімічні властивості, і їх можна розділити лише поступово, використовуючи невелику різницю мас (235U лише на 1,26 % легший за 238U). Ця проблема ускладнюється тим, що уран рідко розділяють у своїй атомарній формі, а замість цього як сполуку (235UF6 лише на 0,852 % легший за 238UF6). ідентичних ступенів створює послідовно вищі концентрації 235U. Кожна стадія передає трохи більш концентрований продукт на наступну стадію і повертає трохи менш концентрований залишок на попередню стадію.
В даний час існує два загальні комерційні методи збагачення, які використовуються в усьому світі: газова дифузія (називається першим поколінням) і газова центрифуга (друге покоління), які споживають лише від 2 % до 2,5 % енергії, ніж газова дифузія (принаймні в 20 разів більш ефективний). Проводяться деякі роботи з використанням ядерного резонансу, однак немає достовірних доказів того, що будь-які процеси ядерного резонансу були масштабовані до виробництва.
Методи дифузії
Газова дифузія
Газова дифузія — це технологія, яка використовується для виробництва збагаченого урану шляхом пропускання газоподібного гексафториду урану (гекс) через . Це призводить до невеликого розділення між молекулами, що містять 235U та 238U. Протягом усієї холодної війни газова дифузія відігравала важливу роль як метод збагачення урану, і станом на 2008 рік становила близько 33 % виробництва збагаченого урану, але в 2011 році вона була визнана застарілою технологією, яку поступово замінюють пізнішими поколіннями технологій, оскільки дифузійні установки досягають кінця свого терміну служби. У 2013 році припинив роботу завод в США, це був останній комерційний газодифузійний завод 235U у світі.
Термічна дифузія Теплова дифузія використовує передачу тепла через тонку рідину або газ для розділення ізотопів. Процес використовує той факт, що легші молекули газу 235U дифундують до гарячої поверхні, а важчі молекули газу 238U дифундують до холодної поверхні. Завод S-50 в Оук-Рідж, штат Теннессі, використовувався під час Другої світової війни для підготовки сировини для процесу EMIS. Від нього відмовилися на користь газової дифузії.
Техніка центрифугування
Газова центрифуга
У процесі центрифугування використовується велика кількість обертових циліндрів, розташованих послідовно та паралельно. Обертання кожного циліндра створює сильну доцентрову силу, так що важчі молекули газу, що містять 238U, рухаються по дотичній до зовнішньої сторони циліндра, а легші молекули газу, багаті 235U, збираються ближче до центру. Він потребує набагато менше енергії для досягнення такого ж розділення, ніж старіший процес газової дифузії, який він значною мірою замінив, тому є поточним методом розділення та називається другим поколінням. Він має коефіцієнт розділення 1,3 у порівнянні з 1,005 газовою дифузією, що означає приблизно одну п'ятдесяту від енергетичних потреб. Технології з використанням газових центрифуг виробляють майже 100 % збагаченого урану у світі.
Центрифуга Zippe
є вдосконаленням стандартної газової центрифуги, основною відмінністю якої є використання тепла. Дно обертового циліндра нагрівається, утворюючи конвекційні потоки, які переміщують 235U вгору по циліндру, де його можна зібрати ковшами. Цю покращену конструкцію центрифуги комерційно використовує Urenco для виробництва ядерного палива, а Пакистан використовував у своїй програмі ядерної зброї.
Лазерні методики Лазерні процеси обіцяють менші енерговитрати, нижчі капітальні витрати, отже значні економічні переваги. Кілька лазерних процесів досліджено або знаходяться на стадії розробки. Метод розділення ізотопів лазерним збудженням () добре розвинений і має ліцензію на промислову експлуатацію з 2012 року.
Лазерне розділення ізотопів на атомній парі (AVLIS) використовує спеціально налаштовані лазери and L.W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapter 9. для розділення ізотопів урану за допомогою селективної іонізації надтонких переходів. Техніка використовує лазери, налаштовані на частоти, які іонізують атоми 235U і ніякі інші. Потім позитивно заряджені іони 235U притягуються до негативно зарядженої пластини та збираються.
Молекулярне лазерне розділення ізотопів (MLIS) використовує інфрачервоний лазер, спрямований на UF6, збуджуючи молекули, які містять атом 235U. Другий лазер звільняє атом фтору, залишаючи , який потім випадає в осад з газу.
Розділення ізотопів лазерним збудженням (SILEX)