6.2.2. Збагачення урану

Для отримання високого питомого енерговироблення в реакторах на теплових нейтронах, котрі є основою сучасної ядерної енергетики, потрібне ядерне паливо з більш високим вмістом²³⁵U, ніж в урані природного складу, тобто необхідний збагачений уран. Тому весь видобутий природний уран надходить для збагачення за²³⁵U на розділювальний (газодифузійний або центрифужний) завод після попереднього фторування, тобто у вигляді UF6.

Виробництво гексафториду урану UF6 для збагачувальних заводів проводиться на спеціальних установках. Для цього широко використовуються очисно-фторидний процес й процес отримання UF6 сухим способом.

Очисно-фторидний процес включає екстракцію урану з нітратного розчину, з подальшим промиванням водою для видалення домішок. Потім уран екстрагується розведеним розчином азотної кислоти (0,01% HNO3), а оксид урану, що утворився, відновлюється воднем до UO2, котрий перетворюється на UF4 (зелена сіль) за реакцією з газоподібним UF, а далі UF4 перетворюється на UF6 в реакції з газоподібним фтором.

Процес отримання UF6 сухим способом включає відновлення в рідкому вигляді, гідрофторування з подальшим фторуванням UO2. Після цього UF6 двічі очищується для отримання чистого продукту (мал. 6.6).

Збагачення урану здійснюється методом газової дифузії UF6 через пористі мембранифільтри. Максимальне теоретичне розділення ізотопів при одноступеневому процесі визначається відношенням мас молекул газу UF6 з атомами²³⁵U і²³⁸U й дорівнює 1,00429, тому необхідне багатоступеневе розділення.

Щоб одержати необхідне для палива збагачення 4%-ним ізотопом²³⁵U необхідний каскад у 1500 ступенів (загальна довжина такого каскаду становить кілька кілометрів). На кожному ступені газ після дифузії через мембрану-фільтр нагнітається до наступного ступеня, а інша частина (~50%) повертається до попереднього (ступінь являє собою один або декілька розділяючих елементів, з'єднаних паралельно.

У всіх елементах одного ступеня вихідний продукт, продукція і відвальна фракція мають однаковий ізотопний склад. Необхідного ізотопного складу (збагачення) можна досягти шляхом поєднання декількох ступенів, чим і є власне розподільчий каскад. На заводах з ізотопного розділення в основному використовуються протиточні каскади, в яких відвальна фракція одного ступеня використовується для розділення на попередньому ступені (мал. 6.7).

Критерієм оцінки процесу збагачення є коефіцієнт розділення або коефіцієнт збагачення. На сучасних збагачувальних заводах вміст²³⁵U у збідненій фракції складає 0,2–0,3%. У майбутньому очікується зниження цієї величини до рівня 0,1%, що призведе до зменьшення споживання природного урану.

Мал. 6.6. Схема процесів одержання чистих продуктів UO₂, UF6 та металічного урану

Мал. 6.7. Схеми розділювального елементу, розділювального ступеня та розділювального каскаду на збагачувальних заводах: 1 – розділювальний елемент; 2 – каскад; 3 – ступінь S 1; 4 – ступінь S; 5 – ступінь S + 1

Кількісним мірилом роботи є одиниця розділювальної роботи (ОРР). Вона має розмірність маси і виражається в кілограмах (тоннах) ОРР. Виробничу потужність заводів зі збагачення прийнято виражати в тоннах ОРР на рік. Споживання енергії на одиницю розділювальної роботи виражаютьcя у кВт·год кг ОРР.

Зараз збагачення урану здійснюється головним чином методом газової дифузії, вартість котрого висока, ~120 дол. США за одиницю розділювальної роботи (ОРР).

Витрати на збагачення урану близькі до вартості природного урану, що витрачається на отримання збагаченого.

При збагаченні до 3,6–4,4% необхідна робота розділення 5,64–7,46 ОРР на кілограм збагаченого продукту, коефіцієнт витрати природного урану 6,65–8,21 (при вмісті 235U у відвалі 0,2%). В Європі, США, Японії освоєно технологію розділення ізотопів урану методом газової центрифуги, який економічніший та дозволяє знизити витрати на розділювальну роботу до ~90 дол. ОРР й нижче за наявності малих потужностей (табл. 6.6).

Інші методи – метод розділювального сопла й метод Гелікона, засновані на аеродинамічних процесах, – застосовуються у дослідних установках. Завдяки розвитку центрифугальної й лазерної технологій разділення ізотопов урану ціни на розділювальні роботи з часом знижуються (до 60 дол./ОРР й нижче, мал. 6.8).

Таблиця 6.6. Характеристики деяких центрифуг

Мал. 6.8. Опублікована Міністерством енергетики США вартість розділювальних робіт зі збагачення урану на період 1985–2005 рр.

Промислове виробництво збагаченого урану є однією з найбільш складних й капіталомістких галузей атомної енергетики. Не всі країни світу володіють такою технологією. У таблицях 6.5 та 6.6 наведені показники діючих газодифузійних заводів та зростання розділювальних потужностей в США, що становлять 2/3 всіх потужностей розділювальних заводів зарубіжних країн.

Основні виробничі потужності зі збагачення урану у світі зосереджені на газодифузійних заводах США та Франції. Незважаючи на великі успіхи в розвитку конкуруючого центрифугального методу та його переваги, в найближчі 10–15 років головну роль у забезпеченні атомної енергетики розвинених країн збагаченим ураном будуть виконувати газодифузійні заводи. Їх розділювальні потужності склали в 1985 р. 94%, а до 1990 р. знизилися до 80% всіх виробничих потужностей зі збагачення урану.

Становлять інтерес показники спорудженого в 1975–1982 рр. у Франції, в Трікастені (поблизу Пьерлата), найбільшого в світі газодифузійного заводу потужністю 10,8 млн. ОРР рік. Будівництво цього заводу здійснено фірмою «Евродіф».

Послугами цього заводу зі збагачення урану мають намір скористатися країни, котрі безпосередньо не приймають участі у фінансуванні будівництва.

Таблиця 6.7. Показники діючих і реконструйованих газодифузійних заводів

Таблиця 6.8. Збільшення розділювальних потужностей у деяких країнах, 10⁶ ОРР

Для постачання заводу електроенергією поряд з ним споруджена АЕС потужністю 3720 МВт з чотирма реакторами PWR по 930 МВт. До заводу, крім того, підведені лінії електропередачі 220 і 420 кВ від національної енергосистеми. Загальний вигляд майданчика заводу й АЕС наведено на малюнку 6.9.

Завод фірми «Евродіф» розміщений на території площею 230 га, а АЕС – на 50 га. Проектна вартість всіх споруд комплексу «Евродіф» оцінюється в – 15 млрд. франків (4 млрд. дол. США). Близько 50% цієї суми припадає на АЕС. До комплексу заводу входить великий цех гальванопокриттів. Для запобігання корозії нікелеві покриття наносяться на всі поверхні обладнання, котрі контактують з дуже хімічно активним гексафторидом урану.

Мал. 6.9. Загальний вигляд газодифузійного заводу фірми «Евродіф» та АЕС в Трікастені (Франція): I – будівлі заводу; 3 – градирні; 3 – турбінний зал АЕС; 4 – реактори АЕС

Площа таких поверхонь 40000 м2. Обладнання заводу фірми «Евродіф» відображає сучасний рівень технічного розвитку та економіки газодифузійної технології збагачення урану. Розділювальна потужність заводу дозволяє забезпечити за рік отримання низькозбагаченого урану (х = 3,15% при у = 0,2%) у кількості, достатній для експлуатації протягом одного року АЕС з реакторами PWR сумарною потужністю 75–80 млн. кВт.

Продуктивність більшого ступеня цього заводу в 2 рази вище продуктивності найбільшого ступеню американського заводу в Падьюке (10800 й 5540 ОРР рік відповідно). До розробок й постачання основного технологічного обладнання заводу фірми «Евродіф» були залучені відомі великі машинобудівні фірми Франції, Італії та інших західноєвропейських країн. До економічності й надійності компресорних агрегатів, які є основними споживачами електроенергії на дифузійному заводі, висунуто дуже високі вимоги.

Сумарна встановлена потужність електродвигунів складає 3300 МВт, а споживана – 3100 МВт, що при ~р = 0,98 визначає річне споживання електроенергії 25–26 млрд. кВт·год.

На 1 ОРР тут споживається 2370 кВт·год, у той час як на заводах США, побудованих у 1950-х роках, до їх модернізації, споживалося 3000 кВт·год ОРР. Висока енергоємність газодифузійної технології визначається досить великими витратами електроенергії на прокачування компресорами газоподібного UF6. На заводі фірми «Евродіф» всіма компресорами (1400 розділювальних ступенів) прокачується за рік 5,5 млрд. т газу, або 15 млн. т добу. На виготовлення й постачання компресорних агрегатів затрачено 1 млрд. дол., або 50% усіх капіталовкладень в завод.

Завод фірми «Евродіф» скомпоновано із декількох прямокутних каскадів, розміщених у чотирьох будинках, з'єднаних між собою. Конструкція ступенів та їх поєднання в каскад показані на малюнку 6.10.

Малюнки 6.11–6.13 дають наочне уявлення про найскладніший конструкційний вузол дифузійного ступеня – компресорний агрегат, обладнаний надзвуковими осьовими багатоступеневими компресорами і асинхронними електродвигунами великої потужності.

Мал. 6.11. Установка ротора осьового компресора (3500 кВт) до збірки корпусу статора

Примітна особливість конструкції дифузійних ступенів та компонування французького заводу – їх велика компактність завдяки вертикальному розташуванню. Всі три типи ступенів ідентичні.

Герметичний бак-розподільник, що не потребує в процесі експлуатації обслуговування, а також газопроводи розташовані на окремому поверсі, що створює ізольоване термостатоване приміщення, де може підтримуватися температура 60°С, що виключає конденсацію гексафториду урану при робочому тиску 600–700 мм рт. ст. (0,1 МПа). Компресори, холодильники й електродвигуни, котрі потребують періодичного обслуговування та ремонту, розміщуються у верхньому приміщенні. Дифузійні агрегати об'єднані в каскади у вигляді блоків – комірок, що включають по 20 ступенів. Окремі блоки при необхідності за допомогою клапанів можуть відключатися від діючих каскадів.

Мал. 6.10. Конструкція ступенів та їх поєднання в каскад: 1 – розподільник з трубчатими пористими перегородками; 2 – холодильник; 3 – осьовий компресор; 4 – електродвигун; т.ф. – тяжка фракція; л.ф. – легка фракція; ох.ф. – охолоджуюча рідина

Малюнок 6.14 дає уявлення про габарити та масу бака-розподільника великого дифузійного ступеня. У герметичному баку-розподільнику розміщено величезну кількість трубчастих пористих перегородок.

Мал. 6.12. Ротор осьового надзвукового компресора дифузійного ступеня

 Мал. 6.13. Компресорні агрегати (600, 1500 и 3500 кВт) трьох дифузійних ступенів заводу фірми «Евродіф»