Разделение изотопов лазерным возбуждением ( SILEX ) — это процесс обогащения урана для использования в качестве топлива в ядерных реакторах, который также может представлять растущий риск распространения ядерного оружия. Существуют серьезные подозрения, что SILEX использует подавление лазерной конденсации для возбуждения колебательной моды изотопа урана-235 в гексафториде урана (UF6 ) , что позволяет этой более легкой молекуле быстрее перемещаться к внешнему краю газовой струи и противостоять конденсации по сравнению с более тяжелым, невозбужденным 238 UF6 . [1] Это сильно отличается от предыдущих методов лазерного обогащения, исследованных с точки зрения их коммерческих перспектив: один с использованием атомарного урана (лазерное разделение изотопов на атомных парах (AVLIS)) и другой молекулярный метод, который использует лазеры для диссоциации атома фтора из 235 UF6 (молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS)), что позволяет обогащенному продукту осаждаться в виде твердого вещества. [1]
Хотя австралийская компания Silex Systems Limited является наиболее известным разработчиком этой технологии (как часть консорциума Global Laser Enrichment), аббревиатура SILEX на самом деле относится только к концепции физического разделения, использующей конденсационную репрессию, которая хорошо известна и находится в стадии разработки или используется для множества приложений по всему миру. [2] Небольшие изменения в рабочих параметрах, компоновке оборудования, лазерах и их возможностях могут существовать от одного процесса типа SILEX к другому (и называться по-разному), но концепция физического разделения остается той же, если используется конденсационная репрессия, особенно по сравнению с той, которая используется AVLIS или MLIS.
Физик из Принстона Райан Снайдер предположил, что этот процесс может привести к дальнейшему распространению ядерного оружия, предоставляя новый и все более доступный технологический путь [2] [3] и необнаруживаемые сигнатуры (малая площадь покрытия и высокая энергоэффективность) [1] .
Разработка различных вариантов молекулярного лазерного разделения изотопов (MLIS) началась в 1970-х годах. Ключевым физическим процессом во всех них является инфракрасный лазер, который вибрационно возбуждает только один из изотопов в газообразном гексафториде урана . Для этого требуется длина волны около 16 мкм. Традиционный MLIS затем продолжал возбуждать молекулы до диссоциации , в результате чего они кристаллизовались в виде пентафторида урана-235 .
После первоначальной эйфории исследования по лазерному разделению изотопов были в основном заброшены в 1990-х годах, в основном потому, что они все еще требовали обширных и неопределенных научно-исследовательских работ, в то время как центрифуги достигли технологической зрелости . [4] Однако Австралия продолжила исследования по технологии SILEX.
В ноябре 1996 года компания Silex Systems Limited предоставила эксклюзивную лицензию на свою технологию корпорации United States Enrichment Corporation (USEC) для обогащения урана. [5] В 1999 году США и Австралия подписали международный договор о совместных исследованиях и разработках SILEX. [6] Однако в 2003 году USEC отказалась от проекта. [ оригинальное исследование? ]
Silex Systems завершила второй этап испытаний в 2005 году и начала свою программу Test Loop. В 2007 году Silex Systems подписала эксклюзивное соглашение о коммерциализации и лицензировании с General Electric Corporation (GE), перенеся свой испытательный контур на объект GE в Уилмингтоне, Северная Каролина . В том же году GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) подписала письма о намерениях на услуги по обогащению урана с Exelon и Entergy — двумя крупнейшими ядерными энергетическими компаниями в США. [7] [ оригинальное исследование? ]
В 2008 году GEH выделила Global Laser Enrichment (GLE) для коммерциализации технологии SILEX и объявила о первом потенциальном коммерческом предприятии по обогащению урана с использованием процесса Silex. Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) одобрила поправку к лицензии, позволяющую GLE управлять испытательным контуром. Также в 2008 году корпорация Cameco Corporation , Канада, крупнейший в мире производитель урана, присоединилась к GE и Hitachi в качестве совладельца GLE. [8]
В 2010 году были высказаны опасения, что процесс SILEX представляет угрозу глобальной ядерной безопасности. [9]
В период с 2011 по 2012 год компания GLE подала заявку и получила разрешение на строительство коммерческого завода по обогащению в Уилмингтоне. [10] [11] Завод должен был обогащать уран до 8% 235U , что является верхним пределом низкообогащенного урана . [12]
В 2014 году GLE и Silex Systems провели реструктуризацию, при этом Silex сократила численность персонала вдвое. [13] В 2016 году GEH вышла из GLE, списав свои инвестиции. [13] [14]
В 2016 году Министерство энергетики США согласилось продать около 300 000 тонн обедненного гексафторида урана компании GLE для повторного обогащения (с 0,35 до 0,7 % 235 U) с использованием процесса SILEX в течение 40 лет на предлагаемом заводе по лазерному обогащению в Падьюке, штат Кентукки . [15]
В 2018 году компания Silex Systems отказалась от своих планов относительно GLE, намереваясь репатриировать технологию SILEX в Австралию. [16]
В 2021 году Silex Systems приобрела контрольный пакет акций GLE (51%), а Cameco (49%) стала миноритарным владельцем. В соответствии с соглашением между GLE и Министерством энергетики США, GLE обогатит до естественного уровня несколько сотен килотонн обедненного урана из хвостов последнего завода по диффузионному обогащению. Этот завод работал в Падуке до 2013 года, и GLE планирует построить новый завод на том же месте. [17] [18]
Самая коротковолновая основная вибрация газообразного UF 6 составляет около 16 мкм. При комнатной температуре ее ширина (около 20 см −1 ) намного больше изотопического сдвига (0,6 см −1 ). Уширение обусловлено термически заселенными возбужденными колебательными и вращательными состояниями. Чтобы обеспечить селективное возбуждение, UF 6 , разбавленный примерно в 100 раз газом-носителем (который может быть аргоном или азотом), охлаждается примерно до 80 К путем адиабатического расширения через сопло в вакуум. Первоначально все еще происходят столкновения (которые необходимы для охлаждения). Но после прохождения примерно 10 диаметров сопла из-за расширения они настолько редки, что конденсация больше не может происходить. Избегать столкновений также необходимо для подавления любой столкновительной передачи энергии между изотопами. Такой метод молекулярного пучка используется во всех случаях, когда для селективного возбуждения необходимо сужение спектра.
При использовании SILEX давление и диаметр сопла выбираются достаточно большими, чтобы обеспечить достаточное количество столкновений сразу после сопла, чтобы обеспечить образование кластеров (UF6•G) с газом-носителем G. (Кластеры UF6 • UF6 практически не образуются из-за гораздо более низкой плотности UF6 по сравнению с G.) Если 235 UF6 селективно возбуждается при 628,3 см −1 , то эта молекула не агрегируется с G, тогда как невозбужденный более тяжелый 238 UF6 агрегирует. Из-за своей более высокой тепловой скорости свободные молекулы покидают ось молекулярного пучка быстрее, чем кластеры. Последние, таким образом, обогащаются в части, передаваемой соплом скиммера ниже по потоку, тогда как непрошедшая фракция обогащается 235 UF6 . Коэффициент обогащения тем лучше, чем больше прошедшая фракция (т. е. чем меньше истощение и чем меньше разрез). То есть, SILEX использует разделительное сопло, модифицированное лазером и использующее избирательное подавление образования кластеров («конденсацию»).
Для этого CO 2 -лазеру требуется не менее 20 МВт. При рамановском сдвиге 354,3 см −1 и волновом числе CO 2 -лазера 982,1 см −1 (линия 10R30) получаем 627,8 см −1 . Это всего лишь близко к Q-ветви 235 UF 6 (центр на 628,3 см −1 , ширина 0,01 см −1 [19] ) и еще ближе к Q-ветви 238 UF 6 . GLE не сообщает, как они выполняют необходимую тонкую настройку. Высоконапорные CO 2 -лазеры вызвали бы дополнительные проблемы с частотой повторения импульсов. С обычными (атмосферного давления) CO 2 -лазерами и со стимулированным рамановским сдвигом состояние технологии составляет 2–4 кГц. [20] Чтобы не оставлять большие части молекулярного пучка необлученными, необходимо не менее 20 кГц (по данным Urenco несколько десятков кГц [21] ), если только не используются импульсные сопла. Сами сопла должны иметь щелевую форму, чтобы обеспечить достаточную длину поглощения.
GLE сообщает, что они достигают коэффициентов разделения 2–20, более высокие значения, вероятно, связаны с худшим истощением (которое не указано). Этого достаточно для обогащения природного урана (0,72 % 235 U) до реакторного качества ( > 3% 235 U). Пионерские работы группы Ван ден Берга дали только гораздо меньшие обогащения с SF 6 . [22]
Используя другие лазеры с подходящими длинами волн, SILEX можно также использовать для изотопного обогащения других элементов, таких как хлор , молибден , углерод и кремний .
По сравнению с текущими технологиями обогащения, SILEX обеспечивает более высокое обогащение. Следовательно, для достижения урана бомбового качества (> 90% 235 U) требуется меньше стадий. Согласно GLE, каждая стадия требует всего лишь 25% пространства обычных методов. Следовательно, это облегчит правительствам-изгоям возможность скрыть производственный объект для бомбового урана. [9] Привлекательность еще больше усиливается утверждениями GLE о том, что завод SILEX быстрее и дешевле построить, и он потребляет значительно меньше энергии. Поэтому ученые неоднократно выражали свою обеспокоенность тем, что SILEX может создать легкий путь к ядерному оружию. [1] [23]
В июне 2001 года Министерство энергетики США засекретило «определенную информацию, полученную в частном порядке, касающуюся инновационного процесса разделения изотопов для обогащения урана». Согласно Закону об атомной энергии , вся информация, которая специально не рассекречена, классифицируется как данные ограниченного доступа, независимо от того, находится ли она в частном или публичном распоряжении. Это резко отличается от указа о классификации информации в целях национальной безопасности , в котором говорится, что классификация может быть назначена только информации, «принадлежащей, произведенной или для или находящейся под контролем правительства Соединенных Штатов». Это единственный известный случай использования Закона об атомной энергии таким образом. [24] [25]
В драме Australian Broadcasting Corporation 2014 года « Кодекс » в качестве основного сюжетного приема используется «лазерное обогащение урана». Главная героиня Софи Уолш утверждает, что технология будет меньше, менее энергоемкой и более сложной в управлении, как только станет жизнеспособной альтернативой нынешним методам обогащения. Г-жа Уолш также утверждает, что разработка технологии затянулась, и что существуют значительные правительственные интересы в сохранении секретности и секретного статуса технологии.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )