Австралийская компания Separation of Isotopes by Laser Excitation (SILEX) завершила восьмимесячные испытания лазерной установки для обогащения урана. Теперь готовая система будет развернута в пилотном коммерческом центре США. Разбираемся, что это за технология и почему она до сих пор не применяется в атомной энергетике.
Как обогащают уран
Для создания ядерного оружия и реакторов сегодня используется уран-235 — изотоп урана. Этот тяжелый радиоактивный металл в природе встречается в виде смеси двух изотопов, поэтому для практического применения U-235 нужно отделить от U-238. В результате такого разделения получается обогащенный уран с высоким содержанием нужного изотопа и обедненный, в котором урана-235 меньше.
Однако обогатить химический элемент не так просто: уран-238 составляет основную долю в соединении — около 99,3%, а доля «полезного» изотопа — всего 0,7%. Физики предложили несколько решений этой проблемы, однако сегодня для обогащения урана в основном используются центрифуги.
Центрифуга состоит из герметичного кожуха, внутри которого вращается ротор. В него подается газ гексафторид урана — смесь радиоактивного металла со фтором. За счет центробежной силы этот газ начинается разделяться на «тяжелые» и «легкие» частицы. За счет подогрева крышки ротора внутри центрифуги возникает противоток газа, и молекулы из разных фракций группируются сверху и снизу аппарата. При этом вверху и внизу кожуха установлены трубки-заборники. В нижнюю попадает обедненное вещество, а в верхнюю — обогащенная смесь с более высоким содержанием атомов урана-235. Она попадает в следующую центрифугу и так до тех пор, пока содержание изотопа не достигнет нужного значения.
Сегодня обогащением урана занимаются всего 14 стран, и все они известны. Дело в том, что промышленное производство требует строительства большой системы из центрифуг. Создание каскада из цилиндров сложно сохранить в тайне: процесс требует больших затрат на сверхпрочные материалы, найма редких специалистов, выделения площадей под систему. Все это позволяет обществу следить за распространением опасной технологии. Другое дело — методика лазерного обогащения.
Лазерное обогащение
Несмотря на химическое сходство изотопов урана, их атомные энергетические уровни все же немного отличаются. Эта особенность используется для разделения элементов с помощью лазера: в этом случае гексафторид урана подвергается импульсному лазерному излучению с длиной волны 16 микрометров. Такое колебание возбуждает только атомы 235-го урана, почти никак не влияя на более стабильный уран-238. В результате ионизированные частицы удаляются из смеси магнитным полем.
Технология лазерного обогащения урана появилась еще в 90-х годах. Тогда она казалась невыгодной с экономической точки зрения, и многие изобретатели отказались от идеи лазерного получения изотопа. Однако сдались не все: в Австралии Хорст Струве и Майкл Голдсуорси продолжили развивать научную мысль и в какой-то момент добились результата. В 2006 году к энтузиастам подключилась американская компания General Electric. Она пообещал организовать промышленное лазерное производство урана-235 на территории США и ежегодно производить топливо для 60 крупных реакторов.
Однако вместе с картиной дешевой и доступной ядерной энергетикой, перед обществом открылась пугающая перспектива легкого и бесконтрольного создания ядерного оружия. Дело в том, что в отличие от сложных и масштабных каскадов центрифуг, сделать лазерную установку для обогащения урана можно тайно: для этого не требуются редкие профессионалы и дорогостоящие материалы. Поэтому когда в 2009 году General Electric стал проводить первые эксперименты с новой системой, сторонники контроля над вооружениями попросили Конгресс США еще раз взвесить все риски и пересмотреть лицензирование технологии.
Тогда выдачу коммерческой лицензии на лазерную установку приостановили и отправили конструкцию на улучшение. Теперь энтузиасты вновь вернулись к этому вопросу. General Electric уже отказалась от своих прав на разработку и на сегодняшний день технологию продвигают компании Silex Systems и Cameco. После восьми месяцев испытаний аппарат для лазерного обогащения готовят к отправке на объект GLE в США. Система будет установлена до конца года. Ожидается, что первые коммерческие операции могут начаться уже в 2027 году.
