6.2.2. Обогащение урана

Для получения высокой удельной энерговыработки в реакторах на тепловых нейтронах, составляющих основу современной ядерной энергетики, требуется ядерное топливо с более высоким содержанием ²³⁵U, чем в уране природного состава, т.е. необходим обогащенный уран. Поэтому весь добытый природный уран поступает для обогащения по ²³⁵U на разделительный (газодиффузионный или центрифужный) завод после предварительного фторирования, т.е. в виде UF6.

Производство гексафторида урана UF6 для обогатительных заводов проводится на специальных установках. Для этого широко используются очистительно-фторидный процесс и процесс получения UF6 сухим способом.

Очистительно-фторидный процесс включает экстракцию урана из нитратного раствора, который промывается водой для удаления примесей. Затем уран экстрагируется в разбавленный раствор азотной кислоты (0,01% HNO3), а образовавшийся оксид урана восстанавливается водородом до UO2, который преобразуется в UF4(зеленая соль) реакцией с газообразным UF, а затем UF4превращается в UF6в реакции с газообразным фтором.

Процесс получения UF6 сухим способом включает восстановление в жидком виде, гидрофторирование и затем фторирование UO2. После этого UF6 дважды очищается для получения чистого продукта (рис. 6.6).

Обогащение урана осуществляется методом газовой диффузии UF6через пористые мембраны-фильтры. Максимальное теоретическое разделение изотопов при одноступенчатом процессе определяется отношением масс молекул газа UF6 и атомов 235U и 238U и равно 1,00429, поэтому необходимо многоступенчатое разделение.

Чтобы получить требуемое для топлива обогащение 4%-ным изотопом 235U, необходим каскад в 1500 ступеней (общая длина такого каскада составляет несколько километров). На каждой ступени газ после диффузии через мембрану-фильтр нагнетается в следующую ступень, а остальная часть газа (50%) возвращается в предыдущую (ступень представляет собой один или несколько разделительных элементов, соединенных параллельно).

Во всех элементах одной ступени исходный продукт, продукция и отвальная фракция имеют один и тот же изотопный состав. Необходимый изотопный состав (обогащение) может быть достигнут путем соединения нескольких ступеней, что и представляет собой разделительный каскад.

На заводах по изотопному разделению в основном используются противоточные каскады, в которых отвал одной ступени используется для разделения в предыдущей ступени (рис. 6.7).

Критерием оценки процесса обогащения является коэффициент разделения или коэффициент обогащения. На современных обогатительных заводах содержание 235U в обедненной фракции составляет 0,2–0,3%. В будущем ожидается снижение этой величины до уровня 0,1%, что приведет к уменьшению потребления природного урана.

Рис. 6.6. Схема процессов получения чистых продуктов UO2, UF6и металлического урана

Рис. 6.7. Схемы разделительного элемента, разделительной ступени и разделительного каскада на обогатительных заводах: 1 – разделительный элемент; 2 – каскад; 3 – ступень S-1; 4 – ступень S; 5 – ступень S+1

Количественной мерой работы является единица разделительной работы (ЕРР). Она имеет размерность массы и выражается в килограммах (тоннах) ЕРР. Производительную мощность заводов по обогащению принято выражать в тоннах ЕРР в год. Потребление энергии на единицу разделительной работы выражается в кВт·ч/кг ЕРР.

В настоящее время обогащение урана осуществляется главным образом методом газовой диффузии, стоимость которого высока, ~120 дол. США за единицу разделительной работы (ЕРР). Затраты на обогащение урана сравнимы со стоимостью природного урана, расходуемого на получение обогащенного.

При обогащении до 3,6–4,4% требуется работа разделения 5,64–7,46 ЕРР на килограмм обогащенного продукта, коэффициент расхода природного урана – 6,65–8,21 (при содержании 235U в отвале 0,2%). В Европе, США, Японии освоена технология разделения изотопов урана методом газовой центрифуги, который более экономичен и позволяет снизить затраты на разделительную работу до ~90 дол./ЕРР и ниже при наличии малых мощностей (табл. 6.6). Другие методы – метод разделительного сопла и метод Геликона, основанные на аэродинамических процессах, – применяются на опытных установках. Благодаря развитию центрифужной и лазерной технологии разделения изотопов урана цены на разделительные работы с течением времени снижаются (до 60 дол./ЕРР и ниже, рис. 6.8).

 

Таблица 6.6 Характеристики некоторых центрифуг

Параметр	Фирма «Юренко-Сентек»		США (Портсмут)	Япония (Нингё-тогё, Рокасё)
	Великобритания (Кейпенхерст)	ФРГ и Нидерланды (Гронау и Алмело)
Разделительная мощность, ЕРР/год	3–4,8	5–6; 12–20; 30–40	200–500	4–60; 3–15
Ресурс работы, лет	10	10	4–5 (до планового ремонта)	10
Тип	Докритический, G-1	Надкритический (несколько моделей), G-2, G-3 (1984 г.)	Надкритический, SET-3, SET-4, SET-5	Докритический (две иодели)
Ротор: длина, мм диаметр, мм	~1000 ~200	1500–2000 ~200	~ 10000 ~900	~600 (RT-1) ~1700 (RT-2) 150; 350
Окружная скорость, м/с	>450	>500	>700	≥500
Материал	Композитные материалы, армированные стекловолокном и упрочненные углеволокном	Алюминиевый сплав, специальная сталь, композитные материалы	Специальная сталь, композитные материалы, армированные углеволокном	Мартенсито-стареющая сталь (RT-1); композитные материалы, армированные углеволокном (RT-2)

Рис. 6.8. Опубликованная Министерством энергетики США стоимость разделительных работ по обогащению урана на период 1985–2005 гг.

Промышленное производство обогащенного урана является одной из наиболее сложных и капиталоемких отраслей атомной энергетики. Не все страны мира обладают такой технологией. В таблицах 6.7 и 6.8 приведены показатели действующих газодиффузионных заводов и рост разделительных мощностей в США, составляющих 2/3 всех мощностей разделительных заводов зарубежных стран.

Основные производственные мощности по обогащению урана в мире сосредоточены на газодиффузионных заводах США и Франции. Несмотря на большие успехи в развитии конкурирующего центрифужного метода и его преимущества, в ближайшие 10–15 лет главную роль в обеспечении ядерной энергетики развитых стран обогащенным ураном будут выполнять газодиффузионные заводы. Их разделительные мощности составили в 1985 г. 94%, а к 1990 г. снизились до 80% всех производственных мощностей по обогащению урана.

Таблица 6.7 Показатели некоторых действующих и реконструируемых газодиффузионных заводов

Страна и месторасположение завода	Разделитель- ная мощность, 106 ЕРР/год	Потребляемая электрическая мощность, МВт	Год пуска в эксплуатацию	Число ступеней
Действующие заводы
США Ок-Ридж Падьюка Портсмут	4,73 7,31 5,19	1700 2550 1750	1945–1954 1954 1956	4384 1812 4080
Великобритания Кейпенхерст	0,4–0,6	200	1953	>3000
Франция Пьерлат Трикасен (завод фирмы «Евродиф»)	0,4 10,8	200 3300	1967 1979–1982	>3000 1400
КНР Ланчжоу Провинция Сычуань	0,38 0,3		1963 1975	>3000
Реконструируемые
США Ок-Ридж Падьюка	10,1	2400 (дополнительно)	1978–1988 (ввод очередями до 1980 г., введено 30%)	4100

Таблица 6.8 Рост разделительных мощностей в некоторых странах, 106ЕРР

Производители обогащенного урана	1980 г.	1984 г.	1988 г.	1995 г.
США: диффузионный метод лазерный метод	19,9 -	27,3 -	27,3 -	27,3 ~1,0 (?)
Западная Европа:
«Евродиф» – диффузионный метод	6,1	10,8	10,8	10,8
«Юренко» – центрифужный метод	0,5	1,9	2,5	3,5–5,5
Япония – центрифужный метод	-	0,05	0,2	1,0–1,5
ЮАР и Бразилия: метод разделительного сопла	-	-	0,2	0,2–0,5

Представляют интерес показатели сооруженного в 1975–1982 гг. во Франции, в Трикастене (близ Пьерлата), крупнейшего в мире газодиффузионного завода мощностью 10,8 млн. ЕРР/год. Строительство этого завода осуществлено фирмой «Евродиф».

Услугами этого завода по обогащению урана намерены воспользоваться страны, непосредственно не участвующие в финансировании строительства.

Для снабжения завода электроэнергией рядом с ним сооружена АЭС мощностью 3720 МВт с четырьмя реакторами PWR по 930 МВт. К заводу, кроме того, подведены линии электропередачи 220 и 420 кВ от национальной энергосистемы. Общий вид площадки завода и АЭС показан на рисунке 6.9.

Завод фирмы «Евродиф» размещен на территории площадью 230 га, а АЭС — на 50 га. Проектная стоимость всех сооружений комплекса «Евродиф» оценивается в – 15 млрд. франков (4 млрд. дол. США). Около 50 % этой суммы приходится на АЭС. В комплекс завода входит большой цех гальванопокрытий. Никелевые покрытия для предотвращения коррозии наносятся на все поверхности оборудования, контактирующие с весьма химически активным гексафторидом урана.

Рис. 6.9. Общий вид газодиффузионного завода фирмы «Евроднф» и АЭС в Трикастене (Франция): 1 – здания завода; 2 – градирни; 3 – турбинный зал АЭС; 4 – реакторы АЭС

Площадь таких поверхностей 40000 м².

Оборудование завода фирмы «Евродиф» отражает современный уровень технического развития и экономики газодиффузионной технологии обогащения урана. Разделительная мощность завода позволяет обеспечить в год получение слабообогащенного урана (х=3,15% приу=0,2 %) в количестве, достаточном для эксплуатации в течение одного года АЭС с реакторами PWR суммарной мощностью 75–80 млн. кВт.

Производительность большой ступени этого завода в 2 раза выше производительности самой крупной ступени американского завода в Падьюке (10800 и 5540 ЕРР/год соответственно). К разработкам и поставкам основного технологического оборудования завода фирмы «Евродиф» были привлечены известные крупные машиностроительные фирмы Франции, Италии и других западноевропейских стран. К экономичности и надежности компрессорных агрегатов, являющихся основными потребителями электроэнергии на диффузионном заводе, были предъявлены весьма высокие требования.

Суммарная установленная мощность электродвигателей составляет 3300 МВт, а потребляемая – 3100 МВт, что при~р=0,98 определяет годовое потребление электроэнергии 25 – 26 млрд. кВт·ч.

На 1 ЕРР здесь потребляется 2370 кВт·ч, в то время как на заводах США, построенных в 1950-х годах, до их модернизации потреблялось 3000 кВт·ч/ЕРР. Высокая энергоемкость газодиффузионной технологии определяется весьма большими затратами электроэнергии на прокачку компрессорами газообразного UF6. На заводе фирмы «Евродиф» всеми компрессорами (1400 разделительных ступеней) прокачивается за год 5,5 млрд. т газа, или 15 млн. т/сут. На изготовление и поставку компрессорных агрегатов затрачен 1 млрд. дол., или 50% всех капиталовложений в завод.

Завод фирмы «Евродиф» скомпонован из нескольких прямоугольных каскадов, размещенных в четырех зданиях, соединенных между собой. Конструкция ступеней и их соединение в каскад показаны на рисунке 6.10.

Рис. 6.10. Конструкция ступеней и их соединение в каскад: 1 – делитель с трубчатыми пористыми перегородками; 2 – холодильник; 3 – осевой компрессор; 4 – электродвигатель; т.ф. – тяжелая фракция; л.ф. – легкая фракция; ох.ж. – охлаждающая жидкость

Рис. 6.11. Установка ротора осевого компрессора (3500 кВт) в сборку корпуса статора

Рисунки 6.11–6.13 дают наглядное представление о наиболее сложном конструкционном узле диффузионной ступени – компрессорном агрегате, оборудованном сверхзвуковыми осевыми многоступенчатыми компрессорами и асинхронными электродвигателями большой мощности.

Примечательная особенность конструкции диффузионных ступеней и компоновки французского завода – их большая компактность благодаря вертикальному расположению. Все три типа ступеней идентичны.

Герметичный бак-делитель, не требующий в процессе эксплуатации обслуживания, а также газопроводы расположены на отдельном этаже, образующем изолированное термостатированное помещение, где может поддерживаться температура 60°С, исключающая конденсацию гексафторида урана при рабочем давлении 600—700 мм рт. ст. (0,1 МПа). Компрессоры, холодильники и электродвигатели, требующие периодического обслуживания и ремонта, размещаются в верхнем помещении. Диффузионные агрегаты объединены в каскады в виде блоков — ячеек, включающих по 20 ступеней. Отдельные блоки при необходимости с помощью клапанов могут отключаться от действующих каскадов.

Рис. 6.12. Ротор осевого сверхзвукового компрессора диффузионной ступени

Рис. 6.13. Компрессорные агрегаты (600, 1500 и 3500 кВт) трех диффузионных ступеней завода фирмы «Евродиф»

Рисунок 6.14 дает представление о габаритах и массе бака-делителя большой диффузионной ступени. В герметичном бакеделителе размещено огромное количество трубчатых пористых перегородок.