Обогащение природного урана

Методы обогащения природного урана, то есть повышения концентрации в ядерном топливе делящегося изотопа по сравнению с его естественным содержанием c_о=0,7115 % в природной смеси и , основаны, главным образом, на различиях между атомами легкого ( ) и тяжелого ( ) изотопов урана по массе.

Для того, чтобы реализовать это весьма небольшое различие, необходимо в качестве рабочего тела в процессах разделения использовать какое-либо газообразное соединение урана. Наиболее подходящим для этой цели является гексафторид урана , который поступает на разделительные заводы в баллонах.

Рассмотрим два наиболее широко применяемых метода обогащения урана:

а) газодиффузионный метод – основан на принудительном прохождении газообразного через тонкую микропористую перегородку, размер отверстий (пор) в которой должен быть настолько маленьким, чтобы при прохождении через них молекулы газа не сталкивались друг с другом. Чем ниже давление, тем больше длина свободного (то есть без столкновений) пробега молекул , поэтому процесс диффузии осуществляется в условиях вакуума. Средняя скорость теплового движения молекул , содержащих атомы легкого изотопа урана , несколько выше, чем молекул газа с атомами – это и позволяет получить разницу в концентрациях до и после перегородки. Эффект разделения в этой единичной операции (при прохождении газа через одну перегородку) незначительный, поэтому необходимое число последовательных ступеней разделения может составить до тысячи и более;

б) центрифужный метод – основан на различии центробежных сил, действующих на молекулы газообразного , одни из которых содержат атомы , а другие – при нахождении газов во вращающемся замкнутом цилиндре (центрифуге). Очевидно, что и этот метод требует последовательного соединения значительного количества разделительных ступеней для получения необходимой концентрации делящегося изотопа в конечном продукте.

На рис. 3.2 показана принципиальная схема производства по разделению изотопов урана, на основании которой можно записать уравнения материального баланса по общему количеству урана:

(3.5)

и по делящемуся изотопу:

(3.6)

где y – содержание в отвале разделительного завода, %.

Исключая величину из уравнений (3.5) и (3.6), получаем соотношение между годовой потребностью реактора в обогащенном

уране и необходимым для его получения количеством природного урана :

(3.7)

Величина называется коэффициентом расхода природного урана.

Рис. 3.2. Принципиальная схема производства по разделению изотопов урана

Для количественной оценки мощности единичной разделительной ступени и разделительного завода в целом вводится понятие единицы разделительной работы (ЕРР) как меры работы по разделению изотопов. О величине 1 ЕРР можно судить по примеру, показанному на рис. 3.3.