Что представляет собой уран?

В естественных условиях встречаются три изотопа урана: уран-234 (U-234), уран-235 (U-235) и уран-238 (U-238). Наиболее распространен U-238: на него приходится около 99 процентов всего природного урана на Земле. В большинстве ядерных реакторов используется топливо, содержащее U-235, однако природный уран обычно содержит всего 0,72 процента U-235, а для работы большинства реакторов требуется более высокое содержание этого изотопа. Поэтому концентрация U-235 искусственно повышается — этот процесс называется обогащением. На необогащенном уране работают только канадские реакторы CANDU.

Обогащение урана — это процесс, в ходе которого доля изотопа U-235 увеличивается с 0,72 вплоть до 94 процентов. 

Уран считается низкообогащенным, если доля изотопа U-235 в нем остается ниже 20 процентов. В большинстве промышленных реакторов в качестве топлива используется низкообогащенный уран (НОУ) со степенью обогащения менее пяти процентов; такой уран еще называют «реакторным». Качество НОУ со временем не ухудшается, поэтому он может безопасно храниться в течение многих лет. 

Если степень обогащения урана превышает 20 процентов, то он считается высокообогащенным. Уран с такой высокой долей изотопа U-235 в основном используется на флоте в ядерных силовых установках (например, на подводных лодках), в ядерном оружии и в некоторых исследовательских реакторах.

Увеличить долю изотопа U-235 можно различными методами. Обычно для этого используется так называемый желтый кек, который преобразуется в газообразный гексафторид урана. Затем этот газ закачивается в быстро вращающиеся цилиндры (центрифуги), где более тяжелые изотопы, такие как U-238, выталкиваются к стенкам цилиндров, а более легкие изотопы U-235 остаются в середине. Это позволяет «отсеивать» и собирать газ с более высокой концентрацией U-235. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута требуемая доля изотопа U-235. Затем полученный газ проходит процесс реконверсии, в ходе которого U-235 превращается в диоксид урана — порошок черного цвета.

В XX веке урановая руда добывалась в основном в открытых карьерах или подземных рудниках; руда дробилась и измельчалась для отделения урана от других элементов.

В XXI веке этот метод был постепенно заменен методом подземного выщелачивания. В 2000 году методом подземного выщелачивания добывалось только 16 процентов урана, но сейчас он стал наиболее распространенным методом. В 2020 году этим методом добывалось около 58 процентов урана в мире.

При подземном выщелачивании подземные залежи урана многократно промываются водой, содержащей дополнительные элементы, такие как комплексообразователи, окислители или кислоты. Этот метод позволяет растворять уран непосредственно в залежах. Полученный раствор затем поднимается на поверхность и обрабатывается для получения оксида урана (желтого кека), который служит сырьем для обогащения урана.

Поэтапный процесс добычи урана, превращения его в ядерное топливо, облучения топлива на атомной электростанции и удаления образовавшихся отходов называется ядерным топливным циклом.

Ядерный топливный цикл — это включающий несколько этапов производственный процесс, необходимый для производства электроэнергии в ядерных энергетических реакторах с использованием уранового топлива. После разведки залежей урана производится добыча и переработка природной урановой руды. Затем сырой уран поступает на химическую переработку, в том числе путем обогащения, чтобы максимально повысить его эффективность в качестве топлива. После облучения в реакторах отработавшее топливо необходимо охладить, поместив его на хранение до того момента, как оно может быть окончательно захоронено, или же оно может быть рециклировано для получения переработанного урана, который может использоваться повторно в качестве источника энергии. Образующиеся после рециклирования отходы и обедненный уран также необходимо удалять.

Посмотрите это видео, чтобы узнать больше.

Перед тем как стать ядерным топливом, уран успевает побыть в твердом, жидком и газообразном состояниях. Твердая урановая руда превращается в жидкость и поднимается на поверхность в ходе подземного выщелачивания, превращается в твердое вещество в виде желтого кека, преобразуется в газообразный гексафторид урана, помещается в центрифуги и перерабатывается в обогащаемый диоксид урана, из которого изготавливаются урановые таблетки, входящие в состав тепловыделяющих сборок для АЭС.

Диоксид урана представляет собой порошкообразное вещество черного цвета. Порошок под воздействием тепла уплотняется и спекается, образуя урановые таблетки. Затем таблетки по одной вставляются в длинные металлические стержни, которые собираются в пучок, образуя тепловыделяющие сборки — основной источник топлива для ядерных реакторов.

Ядерное топливо может перерабатываться на специализированных заводах по переработке. Восстановленный (переработанный) уран может быть повторно использован в качестве нового вида топлива.

Как мы узнали из раздела, посвященного обогащению, на центрифугах производится уран с более высокой долей изотопа U-235. Следовательно, в остаточном материале его содержится меньше. Если доля изотопа U-235 в таком побочном продукте обогащения составляет менее 0,7 процента, то он считается обедненным.

ОУ менее радиоактивен, чем природный уран, поскольку он содержит меньше U-235 на единицу массы. В процессе химической очистки урана перед обогащением были также удалены все следы продуктов распада. Таким образом, ОУ может подлежать захоронению как низкоактивные радиоактивные отходы или использоваться при изготовлении смешанного оксидного (МОХ) топлива с выделенным плутонием, полученным в результате переработки отработавшего ядерного топлива.

Как правило, средняя доза облучения при попадании урана в организм с воздухом, водой и пищей, составляет менее 1 мкЗв в год — для сравнения, за один 11-часовой авиаперелет человек подвергается воздействию космического излучения, равного примерно 58,8 мкЗв. Кроме того, человек в среднем получает дозу около 120 мкЗв в год в результате попадания в организм с пищей, водой и воздухом таких продуктов распада урана, как радий-226 и его дочерние продукты в воде, радон-222 в строительных материалах домов и полоний-210 в сигаретном дыме. Однако из-за различий в рационе питания и в содержании урана в питьевой воде его количество, попадающее в организм человека, в разных странах мира сильно различается.

Попадание в организм с пищей, водой и воздухом значительных количеств урана может нанести вред здоровью, поскольку уран является химически токсичным элементом. Люди, занимающиеся разведкой, добычей и переработкой урана, находятся в группе риска и должны пользоваться средствами защиты, а также неукоснительно соблюдать соответствующие правила и процедуры во избежание проблем со здоровьем.

• МАГАТЭ проводит миссии по комплексной оценке цикла производства урана (ИУПСР), благодаря которым страны совершенствуют свои национальные программы производства урана и соответствующую инфраструктуру. Эти миссии позволяют определить области, требующие большего внимания или дополнительных ресурсов.
• МАГАТЭ разработало руководящие документы по добыче урана, изготовлению уранового топлива и обращению с остаточными веществами, образующимися при производстве урана, с целью учета требований ядерной и физической безопасности на каждой стадии процесса обращения с ураном.
• МАГАТЭ в своих Центральных учреждениях в Вене, Австрия, проводит международный симпозиум «Производство урана и урановое сырье для ядерного топливного цикла», на котором обсуждаются все аспекты уранового сырья для уранового топливного цикла, обеспечивающего долгосрочную устойчивость ядерно-энергетических программ.
• МАГАТЭ разрабатывает нормы безопасности для радиационной защиты при профессиональном облучении работников, занятых в сферах добычи и переработки урана.
• МАГАТЭ проводит всеобъемлющий анализ современного состояния геологии месторождений урана и его запасов, который позволяет получить представление об открытых месторождениях урана и объемах его добычи, а также о соответствующих потенциальных сценариях в будущем. Агентство также ведет базу данных технических, географических и геологических характеристик месторождений урана по всему миру. Нажмите здесь, чтобы посмотреть карту урановых месторождений в мире.
• МАГАТЭ предоставляет руководящие материалы по использованию методов анализа неразведанных запасов, включая уран.
• Координационная группа по бывшим урановым объектам (КГБУО) МАГАТЭ содействует сотрудничеству между государствами-членами, в которых расположены бывшие урановые объекты — брошенные объекты по добыче урана, содержащие остаточные радиоактивные и токсичные вещества, — и укрепляет сотрудничество с национальными и международными организациями, оказывающими помощь в безопасной реабилитации этих объектов. Посмотрите это видео, чтобы узнать больше.
• МАГАТЭ анализирует и обобщает информацию об обращении с переработанным ураном, в том числе по технико-экономическим вопросам, связанные с хранением, повторным использованием RepU и обращением с ним для производства ядерной энергии.