Евеліна Цегельник, інженер, м Глазов
Трохи про батьків
Головний метал ядерної енергетики - уран - отримав свою назву від планети Уран, відкритої в 1781 році В. Гершелем і названої ним на честь верховного божества давньогрецької міфології бога Урана, владики Неба, який став прабатьком всіх грецьких богів. Можна сказати, що бог Уран, батько 45 дітей, в поданні вченого виступив якоїсь «фабрикою» по виробництву потомства. В атомній техніці в ролі такої фабрики виступає атомний реактор - справжня фабрика нових елементів і ізотопів періодичної системи (в результаті поділу атомів урану виходять практично всі елементи з масою від 70 до 160). Історія як самого урану, так і технології його вилучення і виробництва пов'язана з іменами багатьох видатних хіміків і фізиків планети. Це М.Г. Клапрот, Е. Пелиго, Марія і Жоліо Кюрі, І.В. Курчатов, М.М. Семенов, Ю.Б. Харитон, Б.П. Константинов, Я.Б. Зельдович, П.Л. Капіца, Л.А. Арцимович, А.П. Александров, В.І. Вернадський, І.Є. Тамм, Я.І. Френкель, А.І. Алиханов, Л.С. Коловрат-Червінський та ін. І першим в цьому списку справедливо поставлено ім'я німецького хіміка М.Г. Клапрота, який відкрив елемент уран в 1789 році. Клапроту вдалося виділити з так званої «смоляний болванки" не сам уран, а його оксид. У металевому стані уран був отриманий в 1841 році французьким хіміком Е. Пелиго при відновленні тетрахлориду урану (UCl4) металевим калієм.
Доля обдарованої дитини
Дуже довго уран був цікавий хімікам виключно в якості інгредієнта при виробництві фарб і скла. Дещо пізніше - в 1896 році було відкрито явище радіоактивності урану (французький фізик Анрі Беккерель зафіксував випускання уранові солі невидимих променів, що відрізняються сильною проникаючу здатність), і почалися роботи по переробці уранових руд з метою вилучення урану для дослідницьких цілей і використання в медицині (рентген) . У 1919 р в Фізико-технічному інституті (РРФСР) вдалося здійснити штучне перетворення атомних ядер шляхом бомбардування ядер легких елементів альфа-часток, що випускаються природними радіоактивними речовинами. Фізичні дослідження урану розгорнулися по всьому світу. У 1935 році Фредерік Жоліо-Кюрі, один з активних дослідників урану, отримав Нобелівську премію за відкриття штучної радіоактивності. Вчені довго не помічали здатності ядер урану ділитися. Адже всі інші елементи, опромінювати нейтронами, перетворювалися в більш важкі ядра, і від урану вчені очікували того ж. У Росії тільки в 1939 році було відкрито явище поділу ядер, і з тих пір уран почав хвилювати вчених в якості ядерного палива, а політиків - як «начинки» для атомної бомби. У 1939-1940 рр. Ю.Б. Харитон і Я.Б. Зельдович вперше теоретично показали, що при невеликому збагаченні природного урану ураном-235 можна створити умови для безперервного поділу атомних ядер, тобто надати процесу ланцюговий характер.
В історії нацистської Німеччини документально зафіксовано, що німецькі вчені до 1945 року вже мали власну атомну бомбу. Роботи зі створення ядерної зброї нацистами велися з 1944 року: німецькі вчені вели експерименти з важкою водою з розщеплення атома. У Німеччині в цей час існував експериментальний ядерний реактор, і були створені полігони для випробування атомної зброї. Але для успішного завершення робіт нацистам не вистачало високозбагаченого урану, основні родовища якого знаходилися в Африці і Північній Америці. Під час другої світової війни нацистські вчені проводили випробування ядерних пристроїв на укладених концтаборів. Сотні людей загинули в ході цих зловісних експериментів. Але створена німецькими вченими досвідчена атомна бомба виявилася занадто громіздкою для доставки по повітрю, і тому Гітлер відмовився від її застосування (див. Книгу німецького історика Райнера Карлша «Бомба Гітлера»). Крім того, у військовій промисловості Німеччини відчувалася явна нестача вольфраму - з 1943 року Португалія перестала експортувати в нацистську країну вольфрам (необхідний для виробництва бронебійних підкаліберних снарядів танкових і протитанкових гармат), і Гітлер змушений був видати наказ щодо покриття дефіциту вольфраму ураном, який стали повсюдно додавати в сплави для виробництва сердечників снарядів. Для цих цілей в 1943 р було відвантажено близько 1200 тонн урану, накопиченого в рамках програми по створенню німецького ядерної зброї. Невідомо, як би далі склалася світова історія, не виявися Гітлер таким слабким політиком. Німецький уряд розпорошувало наукові та матеріальні ресурси відразу між декількома програмами озброєнь, тому «Урановий проект» виявився (на щастя для світового людства) на задвірках гітлерівського уваги. Після захоплення Німеччини радянський уряд вивезло на територію СРСР всі документи по «уранового проекту», а також фахівців-ядерників, зайнятих в цьому проекті (Адольф Тіссен, Макс Штеенбек і ін.). У 1946 році фахівці інституту атомної енергії в Москві під керівництвом І.В. Курчатова, використовуючи накопичений досвід радянських і німецьких фахівців, здійснили самопідтримуючу ядерну ланцюгову реакцію. Було здійснено фізичний пуск першого експериментального реактора на теплових нейтронах.
Мал. 1. Вироби зі збідненого урану для захисної техніки
Зростання і змужніння
Але питання в міністерстві зважився -
З руди витягати тут уран!
І по рейках сталевим кинувся
У місто Глазов людей караван.
Вийшов місто зустрічати поповнення
З гасової лампою в руці.
Без доріг був він, без освітлення,
У дерев'яному глухому сюртуку ...
Ось руду замінили уральці
На урановий концентрат.
За ураном освоїли кальцій:
Моноліт, мідний сплав, дистилят.
Отримали і крупку і стружку,
Іодідний пруток. нарешті
День прийшов, коли «лапотнік російський»
Почав твели катати для АЕС.
Рік по тому, в Фізико-енергетичному інституті в Обнінську був запущений перший експериментальний реактор на швидких нейтронах БР-1. А в 1960 році флагман криголамного флоту Радянського Союзу атомохід «Ленін» здійснив свій перший рейс по Північному морському шляху. Атомна енергетична установка криголама потужністю 44000 к.с. дозволяла йому рухатися по суцільному крижаному полю товщиною до трьох метрів, прокладаючи дорогу караванам судів.
Довжина криголама дорівнювала 134 м, ширина 27,6 м, водотоннажністю він був 16000 т, швидкість по чистій воді криголама становила 18 вузлів, реактори були водо-водяного типу. Атомохід «Ленін» проклав дорогу майбутнього атомного флоту Росії. Створенням реакторів для підводних човнів в СРСР займався Науково-дослідний і конструкторський інститут енерготехніки.
У 1964 році в інституті атомної енергії ім. І.В. Курчатова було здійснено пряме перетворення теплової енергії, що утворюється при розподілі ядра, в електричну на експериментальній енергетичній установці «Ромашка». Ядерним паливом в «Ромашці» служив збагачений Дикарбид урану (завантаження 49 кг). Тепло такого ядерного реактора передавалося за рахунок теплопровідності матеріалів термоелектричного перетворювача, розташованому на зовнішній поверхні реактора, і далі ребрах випромінювача (ел. Потужність установки 0,8 кВт). В цьому ж році на Уралі була введена в лад Белоярская атомна електростанція ім. І.В. Курчатова, на якій вперше в світі був здійснений ядерний перегрів пара безпосередньо в реакторі. У 1965 році в СРСР вступила в лад атомна електростанція з киплячим реактором водо-водяного типу потужністю 50 000 кВт, а в 1968 році був здійснений фізичний пуск атомного реактора на швидких нейтронах БОР-60 потужністю 60000 кВт (НДІ Атомних реакторів, м Димитровград) . В даний час основними реакторами російських АЕС є ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор) і РБМК (реактор великої потужності канальний). Реактор - це серце атомної електростанції. У його активній зоні підтримується ланцюгова реакція поділу ядер урану.
Табл. 1. Збагачення урану
На цьому тлі вивчається можливість залучення у виробництво ядерного палива мінерально-сировинної бази як оброблюваних родовищ Стрельцовской рудного поля, так і інших, раніше розвіданих - Гірського, Орловського, Березового і інших, розташованих в Читинській області.
Табл. 2. Сумарні потреби в урані Росії і країн, які забезпечуються російськими ТВЕЛ на період до 2050 р
Для забезпечення гарантованих поставок урану і стримування цін на урановий концентрат необхідно в короткі терміни провести модернізацію і розширення наявних рудників для збільшення видобутку уранових руд і терміново приступати до дослідження існуючих досі «білих плям» на геологічній карті світу. Так само необхідно враховувати і запаси урану, що містяться в світовому океані, так як нинішні розвідані родовища гарантують світу достатню поставку урану тільки ... на найближчі 70-80 років.
Мал. 2. Злитки природного урану
У велике життя
Основні російські підприємства-виробники урану: «Уральський електрохімічний комбінат» (м Новоуральськ), «Електрохімічний завод» (м Зеленогорськ), «Ангарський електролізний хімічний комбінат» (м Ангарськ), «Сибірський хімічний комбінат» (м Сіверськ) , «Чепецький механічний завод» (м Глазов).
Руда за існуючою в даний час в Росії технологічному ланцюжку переробляється спочатку в концентрат (сольовий або оксидний), потім направляється на екстракційно-сорбційний афінаж (з отриманням двоокису високої чистоти) і подальше фторування (з отриманням тетрафторида урану (UF4)). Після чого тетрафторид урану переводять в гексафторид урану (UF6) шляхом фторування в полум'яному реакторі (за допомогою елементарного фтору). Далі здійснюється ізотопне поділ UF6 - відокремлюються легкі ізотопи 235 і 234, а 238 - концентрується. Після ізотопного розділення UF6 (у вигляді газу або рідини) переводиться в реакторі шляхом гідролізу, відновлення (воднем) і термообробки в діоксид урану керамічного сорти (UO2). Потім UO2 надходить на пресування і спікання в керамічні безпористі таблетки, які потім як ядерне пальне заряджають в твели (тепловиділяючі елементи) ядерних реакторів. Збагачення урану ізотопом уран-235 для отримання ядерного палива здійснюється методом газової термодифузії, або відцентровим методом, заснованим на відмінності мас урану-235 і урану-238. У процесах поділу уран використовується у вигляді летючого гексафториду урану (UF6). Росія розробила свою власну ноу-хау, суппереффектівную центрифужную технологію, відмінну від технологій інших уранпроізводящіх країн (наприклад, французи досі збагачують уран на дифузійних лініях), завдяки якій збагачувати уран дешевше і простіше. Ще за часів СРСР для поділу ізотопів урану була впроваджена унікальна технологія з використанням центрифуг, що обертаються з величезною швидкістю. Міцний і легкий сплав алюмінію з цирконієм, розроблений академіком І.М. Фріндландером, дозволив зробити велику кількість центрифуг, за допомогою яких вироблявся уран, збагачений ізотопами U-235. Це був найдешевший спосіб збагачення. Американський супутник-розвідник, який сфотографував цех з центрифугами на Уралі, що не виявив на його кришці водяного басейну охолодження, і в США негайно зробили висновок, що російські вчені розробили нову технологію збагачення урану, що використовується для атомної зброї. Російська технологія до цих пір є конкурентоспроможною. Тому Росія
сьогодні займає лідируючі позиції на ринку «енергетичного» урану і контролює сорок відсотків світового ринку низькозбагаченого урану. Крім цього, Росія виробляє «енергетичний» уран і шляхом розведення (збіднення) збройового урану природним ураном. Натомість поставляється в США низькозбагаченого енергетичного урану, виробленого зі збагаченого урану, Росія отримує від США гроші і природний уран. А це важливо, в світлі обмеженості числа російських родовищ урану. Розроблені російськими фахівцями універсальні російські технології отримання порошку діоксиду урану керамічного сорти дозволяють використовувати в якості сировини будь-урансодержащие матеріали: гексафторид урану, оксиди урану, плаву уранілнітрату (регенероване сировину), обороти паливних виробництв, в тому числі що містять гадоліній і ербій, а також будь-які урансодержащие скрапи і матеріал твелів.
Мал. 3. Схема функціонування реактора ВВЕР-1000
Почому нині таланти?
Мал. 4. Вироби зі збідненого урану для народного господарства
Ядерна енергетика досі є провідною галуззю економіки. На її частку припадає 25% в енергобалансах сімнадцяти держав світу, однак, потрібно відзначити невирішені ще остаточно проблеми переробки та зберігання відпрацьованого в реакторах урану. Ці проблеми багато в чому ускладнюють поки широкого поширення атомної енергетики і викликають справедливі нарікання з боку екологів.
* ЕРР - одиниця роботи поділу (це енергія, яку треба затратити для перетворення стандартного природного урану в 1 кг стандартного енергетичного (низькозбагаченого) урану в стандартних умовах). Вартість одного ЕРР в світі коливається від 70 до 120 доларів.