Ядерное оружие, хотим мы этого или нет, – реальность, с которой живет человечество с середины прошлого века. Ядерные реакторы, как бы не выступали критики атомной энергетики, вносят значительный вклад в энергосистемы разных стран. И там, и там применяется радиоактивный материал. В основном это уран, 92-й элемент таблицы Менделеева.
Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?
Чем же так страшен обогащенный уран
Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.
На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.
При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.
Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.
Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.
Урановые рудники: правда и вымысел
В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.
Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.
Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.
Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.
Урановая руда
Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.
Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.
Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.
Газодиффузионный способ обогащения
Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.
Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.
Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.
Центрифужный метод
Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.
Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.
Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.
Применение обогащенного урана
Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни – ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.
В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.
Изотоп 235 – более энергоемкое топливо. Обогащенным уран считается при содержании 235 изотопа более 20 %. Это основа ядерного оружия.
Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.
Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, – топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.
Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на термоядерный синтез как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.