Шпайш машт флоу! (NUC1)

Начиная цикл статей о ядерной энергии я постараюсь описать несколько моментов, которые часто проговариваются вскольз, либо вообще не упоминаются при разговоре о "ядерной альтернативе" ископаемым минеральным топливам.

Стартанём с обычных цифр и картинок, которые иногда гораздо более красноречивы, нежели абзацы убористого текста. У кого развито левое полушарие — смотрят на цифры, у кого сильнее образы, за которые отвечает правое полушарие — впечатляются графиками и красивыми картинками.

Вот это — 200 тонн тринитротолуола (TNT, двоюродный дядя которого — динамит, за деньги от продажи которого, в том числе, и была учреждена Нобелем знаменитая Нобелевская премия):



Что, неужели 200 тонн? Три вагона взрывчатки?
Да, вот цифры плотности энергии различных веществ:

Плотность энергии.

Природная смесь изотопов урана №238 (U-238) и №235 (U-235), обогащённая до реакторной степени, обладает плотностью энергии, превосходящую плотность энергии бензина в 2 000 000 раз (прописью: в два миллиона раз)

Для этого начальное содержание U-235 в природной смеси изотопов, которое обычно составляет 0,71% надо увеличить до 2-4%, то есть всего лишь в 3-5 раз.

Ну, а если сравнивать такой обогащённый уран с модными нонче Li-Ion батареями, то плотность урана по энергии окажется выше плотности энергии в аккумуляторах "всего-то" в 120 миллионов раз.
Со свинцовыми аккумуляторами даже сравнивать не буду — уж очень смешные цифры получаются.

Короче, магия больших чисел начинается.

Собственно говоря, "ядерный клуб" в мире, по факту, это гораздо более закрытая структура, нежели ЕС, НАТО или G20. В неё нельзя попасть "просто так" — по "праву рождения", как в ЛАГ или "по убеждениям", как в Движение Неприсоединения.

По факту, для входа в "ядерный клуб" приходится положить на научные, технологические, инженерные исследования, организационные и производственные проекты жизнь и усилия, как минимум, одного поколения страны.
А потом надо день за днем, год за годом, поддерживать и совершенствовать свои структуры и своих людей, которые вовлечены в процесс обеспечения присутствия страны в "ядерном клубе".

Кроме того, судя по опыту США, ЮАР или Украины — "вход в клуб — рубль, выход — копейка, второй раз билет не продаём".
То есть, единожды войдя в клуб, но не уделяя потом должного, постоянного внимания развитию всего букета ядерных технологий, второй раз обычно уже невозможно вытянуть из страны все жилы для создания сверхусилия по возврату утраченного знания. Второй раз в ядерную реку уже не пускают.

Кто сейчас состоит в "ядерном клубе"? Вот все те, кто в той или иной степени вовлечён в ядерную энергию. Вначале я произвольно расположил "оружейников", которые ещё и обзавелись своей ядерной бомбой, потом — реакторщиков, которые имеют свой действующий реактор, а потом — всех остальных, которые в той или иной степени вовлечены в использование ядерной энергии.

Сначала — группа лидеров. В полосатых купальниках плывут они вперёд, к светлому ядерному будущему:



Необходимы пояснения? Их есть у меня.

Во-первых, у нас есть "Большая ядерная семёрка" — США, Россия, Франция, Китай, Великобритания, Индия и Пакистан. Военный ядерный клуб, люди, у которых есть возможность устроить Вам персональный армагеддец прямо на заднем дворе.
Против названия каждой из стран есть количество ядерных зарядов, накопленных ими за половину ХХ и начало XXI века. Кто-то может изничтожить шарик десяток раз, кто-то только разок — роли это не играет, любой из членов "Большой семерки" может легко втоптать небольшую страну в каменный век. Это Вам не ядерные террористы — Северная Корея и Израиль, эти ребята играют по-крупному.

Все эти страны успешно наладили у себя обогащение природного урана в промышленных количествах, поставив на своей территории достаточно мощные заводы по разделению изотопов. Собственно говоря, именно на этих заводах и производятся основные объёмы промышленного ядерного топлива, поскольку страна, добывающая уран, обычно не может превратить его во что-то путное и пригодное для ЯТЦ (ядерно-топливный цикл), и продает этот природный уран кому-то в "Большой семёрке", либо ещё нескольким странам ниже по списку, у которых есть технологии разделения изотопов урана — а потом уже получает обогащенное урановое топливо назад в виде красивых топливных "таблеток", как на первой фотографии. Там где в тазике лежит 200 тонн тротила.

Собственно говоря, уже начиная с этого этапа ощущается разница в подходах между русскими и западными технологиями.

Американский (западный) ЯТЦ работает на закисьокиси урана (U₃O₈), называемой ещё "жёлтым" кеком. Вот эта субстанция, U₃O₈:


Выглядит приятно, но не куркума.

Российский же ЯТЦ изначально строился на использовании в качестве сырья другого соединения — тетрафторида урана  (UF₄):


Собственно говоря — раньше этим красили фарфор.
А вообще вот — все краски урана.

Поэтому когда мне начинают рассказывать о том, что "русские всю бомбу украли у американцев прямо в чертежах" я их отсылаю к этом малоизвестному факту. Потому что моя бабушка как раз со всей этой гадостью и работала в Днепродзерджинске, на одном из первых обогатительных предприятий советского ЯТЦ. И фарфоровая вазочка с красивой зелёной подглазурной росписью у нас стояла на видном месте в гостинном трюмо.

Собственно говоря, на жёлтом кеке и тетрафториде урана и заканчивается обычная жизнь природного урана и начинается уже то, за чем пристально следит МАГАТЭ — разделение изотопов.
Для этого и жёлтый кек и тетрафторид урана превращают в газ — гексафторид урана (UF₆), который уже легко, за счёт мельчайшей разности в весе изотопов (всего 3 нейтрона на каждое ядро!) разделяется в очень сложных обогащающих установках — газовых центрифугах и газовых диффузорах. В настоящее время около 35% обогащения делается на диффузорах, а 65% — на центрифугах.

Тут список стран, в общем-то, как я сказал, немного шире, чем "Большая семёрка", но всё равно сжат донельзя — за обогащение изотопов без спроса и без должного контроля со стороны МАГАТЭ бьют по рукам, и больно. Собственно говоря, вопросы к Северной Корее, Израилю и Ирану часто возникают именно по этому поводу. Хотя — рано или поздно при должном упорстве и наглости, понятное дело, бомбу себе делают все желающие.

Вот эти счастливчики-обогатители: Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Нидерланды, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония.
Кроме того, совместное предприятие по обогащению с Францией имеют Бельгия, Италия и Испания.
Таким образом, в "Изотопном клубе" у нас состоят — более или менее официально — 15 стран, и ещё 3 страны ассоциированы с этим клубом.

Две страны из "Изотопного клуба" — Израиль и Северная Корея, судя по всему, в настоящее время потихоньку клепают делящийся материал под свои военные программы (забив болт на мирный атом, о чём я расскажу ниже), ещё три страны — Аргентина, Бразилия и Иран — находятся в "предпороговом" состоянии, имея собственные программы по разделению изотопов, но используя их пока исключительно на цели мирного атома, а ещё две страны — Германия и Япония, под нажимом своего "обезьяннего" лобби ("Назад, в пастораль!") сказали нет наркотикам атомной генерации.

Однако, для того, чтобы понять, кто чего стоит в "Изотопном клубе" — приведу данные из вот этого отчёта:


На долю России приходится 40% от мировых мощностей по разделению изотопов, на долю США — 20%, на долю Франции приходится 15% мощностей, на объединённую долю Германии-Великобритании-Бельгии — ещё 22% мощностей по обогащению.

Все остальные обогатители, включая Японию, имеют не более 3% от мировых мощностей по обогащению. На ядрен-батон может быть и хватит, а вот на создание своего замкнутого ЯТЦ — уже нет.

Поэтому, как говорится "шпайш машт флоу" — нет харвестеров центрифуг — нет обогащённого урана.

Собственно говоря, а почему сошёлся свет на центрифугах? И зачем отдельно вот таким значком (*) в таблице World Nuclear Association выделено газодиффузное обогащение? А ответ прост — энергия, энергия и ещё раз энергия.
Газодиффузное обогащение изначально создавалось под запросы военных.

Американским военным, собственно говоря, на энергетические затраты по разделению изотопов было элементарно наплевать — им был нужен оружейный, высокообогащённый уран (для реакторов подводных лодок — это несколько десятков процентов обогащения, для атомной бомбы — не менее 75%, а для реакторов, напомню — всего 2-4%!), причём быстро! Нефти и энергии было полно, о затратах никто не думал, вот и построили быстро газодиффузные заводы.

На протяжении нескольких десятков лет технологии изотопного обогащения урана в СССР и в странах Запада развивались абсолютно изолированно, хотя все начинали с газодиффузионной технологии. Из публикаций косвенных данных СССР было известно, какая промышленная технология используется Западом.
Но в конце 1940-х годов у страны катастрофически не хватало энергии и советские учёные вынуждены были искать альтернативы газодиффузному способу. В дальнейшем по понятным причинам условий Холодной войны газовая диффузия и центрифугование стали каждая развиваться по отдельности — диффузия на Западе, а центрифуги — в СССР.

Поэтому Запад узнал об успехах СССР лишь в 1990-е годы, когда в рамках контроля за процессом разоружения обе страны частично раскрыли информацию. Тогда и выяснилось, что Россия обладает значительно более производительным и экономичным процессом. Ликвидировать этот разрыв западные компании и страны не смогли до сих пор.

В итоге газодиффузное обогащение оказалось более чем в 20 раз энергозатратным, нежели обогащение на центрифугах.

Кстати, дополнительную пикантность ситуации придаёт то, что один из создателей первых советских центрифуг — немец Конрад Циппе впоследствии уехал на Запад, сотрудничал с англо-голландским концерном Urenco и разработал другую модель центрифуги и для них. Именно центрифуги Urenco сумел контрабандой сначала приобрести Пакистан, а потом и через Пакистан — Иран.

Поэтому, два из трех основных конкурентов России на мировом рынке услуг по обогащению урана, наиболее мощные компании — французская компания Areva (частично) и американская USEC (полностью), до сих пор используют чрезвычайно энергозатратную газодиффузионную технологию. Центробежной же технологией в "западном" исполнении совместно владеют европейские компании Urenco и Areva, но только последнее поколение их центрифуг возможно сможет хоть как-то конкурировать с российскими по уровню энергопотребления.

Завод Urenco в США недавно наконец-то пущен в промышленную эксплуатацию. 20 августа 2012 года первая очередь новых центрифуг Urenco была загружена гексафторидом урана.
Мощность завода Urenco составляет 1,5 млн. единиц работы разделения (ЕРР) в год. Или 7% от мощности существующих обогатительных предприятий России.

Россия же планирует до 2015 года увеличить мощности своих предприятий по разделению изотопов на 10 миллионов ЕРР в год.
И разделять за год 33 миллиона ЕРР. Или — контролировать 48% мирового рынка работы по разделению изотопов.



Шпайш машт флоу.

Who controls the spice, controls the Universe!