stringtranslate.com

Разделение изотопов лазерным возбуждением

Разделение изотопов с помощью лазерного возбуждения ( SILEX ) — это процесс обогащения урана для топлива ядерных реакторов, который также может представлять растущий риск распространения ядерного оружия. Есть сильное подозрение, что SILEX использует подавление лазерной конденсации для возбуждения колебательной моды изотопа урана-235 в гексафториде урана (UF 6 ), позволяя этой более легкой молекуле быстрее перемещаться к внешнему краю газовой струи и сопротивляться конденсации по сравнению с более тяжелый, невозбужденный 238 UF 6 . [1] Это сильно отличается от предыдущих методов лазерного обогащения, исследованных с учетом их коммерческих перспектив: один использует атомный уран (атомное разделение изотопов в парах (AVLIS)) и другой молекулярный метод, который использует лазеры для диссоциации атома фтора от 235 UF 6 (молекулярный метод). Лазерное разделение изотопов (MLIS)), позволяющее обогащенному продукту выпадать в осадок в виде твердого вещества. [1]

Хотя австралийская компания Silex Systems Limited является наиболее известным разработчиком этой технологии (в составе консорциума Global Laser Enrichment), аббревиатура SILEX на самом деле относится только к концепции физического разделения, использующей подавление конденсации, которая хорошо известна и находится в стадии разработки или уже используется. для множества приложений по всему миру. [2] От одного процесса типа SILEX к другому могут существовать небольшие различия в рабочих параметрах, расположении оборудования, лазерах и их возможностях (и называться по-другому), но концепция физического разделения остается той же, если подавление конденсации используется, особенно по сравнению с тем, что 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 необнаружимые признаки (небольшая занимаемая площадь и высокая энергоэффективность). [1]

История

Разработка различных вариантов молекулярного лазерного разделения изотопов  (MLIS) началась в 1970-х годах. Ключевым физическим процессом во всех них является инфракрасный лазер, который колебательно возбуждает только один из изотопов в газообразном гексафториде урана . Для этого требуется длина волны около 16 мкм. Традиционная MLIS затем продолжала возбуждать молекулы до диссоциации , после чего они кристаллизовались в пентафторид урана-235 .

После первоначальной эйфории исследования по лазерному разделению изотопов были по большей части прекращены в 1990-е годы, главным образом 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 методу SILEX.

В ноябре 1996 года компания Silex Systems Limited передала лицензию на свою технологию исключительно 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 приступила к реализации программы циклического тестирования. В 2007 году Silex Systems подписала эксклюзивное соглашение о коммерциализации и лицензировании с General Electric Corporation (GE), перенеся свой испытательный контур на предприятие GE в Уилмингтоне, Северная Каролина . В том же году компания GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) подписала соглашения о намерениях по предоставлению услуг по обогащению урана с Exelon и Entergy — двумя крупнейшими атомными энергетическими компаниями в США. [7] [ оригинальное исследование? ]

В 2008 году компания GEH выделила компанию Global Laser Enrichment (GLE) для коммерциализации технологии SILEX и объявила о создании первого потенциального коммерческого предприятия по обогащению урана с использованием процесса Silex. Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) одобрила поправку к лицензии, позволяющую GLE управлять испытательным циклом. Также в 2008 году корпорация Cameco , 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 будет обогащать уран до 8% 235 U, верхнего предела низкообогащенного урана . [12]

В 2014 году GLE и Silex Systems провели реструктуризацию, при этом Silex сократила свой штат вдвое. [13] В 2016 году GEH вышла из GLE, списав свои инвестиции. [13] [14]

В 2016 году Министерство энергетики США согласилось продать компании GLE около 300 000 тонн обедненного гексафторида урана для повторного обогащения (от 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 Silex Systems отказалась от планов GLE, намереваясь репатриировать технологию SILEX в Австралию. [16]

В 2021 году Silex Systems приобрела контрольный пакет акций (51%) GLE, а Cameco (49%) стала миноритарным владельцем. По соглашению между GLE и Министерством энергетики США, GLE дообогатит до естественного уровня несколько сотен килотонн хвостов обедненного урана с последней установки по диффузионному обогащению. Этот завод работал в Падуке до 2013 года, и GLE планирует построить на том же месте свой новый завод. [17] [18]

Процесс

Инфракрасные спектры поглощения двух изотопов UF 6 при 300 и 80 К.
Схема лазерного изотопного обогащения Silex
Схема ступени установки разделения изотопов для обогащения урана лазером. Инфракрасный лазер с длиной волны ок. Длина волны 16 мкм с высокой частотой повторения излучается на смесь газа-носителя UF6, которая вытекает со сверхзвуковой скоростью из сопла Лаваля. Возбужденный компонент удаляется от оси молекулярного пучка быстрее, чем невозбужденный поток хвостов, отделяемый на скиммере.

Самая коротковолновая фундаментальная вибрация газообразного UF 6 составляет около 16 мкм. При комнатной температуре его ширина (около 20 см -1 ) намного больше изотопного 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. Изначально еще есть столкновения (которые необходимы для охлаждения). Но, пройдя около 10 диаметров сопла, из-за расширения они становятся настолько редкими, что конденсация уже не может происходить. Избегание 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.

В 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 образуется из-за значительно меньшей плотности UF6 по сравнению с G.) Если 235 UF 6 избирательно возбуждается при 628,3 см -1 , то эта молекула не агрегирует с G, тогда как невозбужденный более тяжелый 238 UF 6 агрегирует. Из-за более высокой тепловой скорости свободные молекулы покидают ось молекулярного пучка быстрее, чем кластеры. Таким образом, последние обогащаются той частью, которая проходит через сопло скиммера вниз по потоку, тогда как непрошедшая фракция обогащается 235 UF 6 . Коэффициент обогащения тем лучше, чем больше передаваемая фракция (т.е. чем меньше обеднение и меньше фракция). То есть SILEX использует разделительную насадку, модифицированную лазером и позволяющую избирательно подавлять образование кластеров («конденсацию»).

Для этого CO 2 лазеру необходимо не менее 20 МВт. При комбинационном сдвиге 354,3 см -1 и волновом числе CO 2 -лазера 982,1 см -1 (линия 10R30) получается 627,8 см -1 . Это лишь близко к Q-ветви 235 UF 6 (центр 628,3 см -1 , ширина 0,01 см -1 [19] ) и еще ближе к Q-ветви 238 UF 6 . GLE не сообщает, как они делают необходимую доводку. CO 2 -лазеры высокого давления могут вызвать дополнительные проблемы с частотой повторения импульсов. Для обычных (атмосферного давления) CO 2 -лазеров и со стимулированным комбинационным сдвигом уровень техники составляет 2–4 кГц. [20] Чтобы не оставлять необлученными большие части молекулярного пучка, необходима частота не менее 20 кГц (по Уренко несколько десятков кГц [21] ), если только не используются импульсные сопла. Сами форсунки должны иметь щелевидную форму, чтобы обеспечить достаточную длину всасывания.

GLE сообщает, что они достигают коэффициента разделения 2–20, причем более высокие значения, вероятно, связаны с меньшим истощением (которое не приводится). Этого достаточно для обогащения природного урана (0,72 % 235 U) до реакторного уровня ( > 3 % 235 U). В пионерских работах группы Ван ден Берга были получены лишь гораздо меньшие обогащения SF 6 . [22]

Используя другие лазеры с подходящими длинами волн, SILEX также можно использовать для изотопного обогащения других элементов, таких как хлор , молибден , углерод и кремний .

Проблемы распространения

По сравнению с современными технологиями обогащения SILEX обеспечивает более высокое обогащение. Следовательно, для получения урана бомбового качества (> 90% 235 U) необходимо меньше ступеней . По данным GLE, каждый этап требует всего 25% площади традиционных методов. Следовательно, правительствам-изгоям будет легче скрыть предприятие по производству урана для бомбы. [9] Привлекательность еще больше усиливается заявлениями GLE о том, что завод SILEX построить быстрее и дешевле, а также потребляет значительно меньше энергии. Поэтому ученые неоднократно выражали обеспокоенность тем, что SILEX может открыть легкий путь к ядерному оружию. [1] [23]

Классификация безопасности

В июне 2001 года Министерство энергетики США засекретило «определенную частную информацию, касающуюся инновационного процесса разделения изотопов для обогащения урана». В соответствии с Законом об атомной энергии вся информация, специально не рассекреченная, классифицируется как данные с ограниченным доступом, независимо от того, находится ли она в частном или публичном доступе. Это резко отличается от постановления о классификации национальной безопасности , в котором говорится, что классификация может быть присвоена только информации, «принадлежащей, произведенной или для или находящейся под контролем правительства Соединенных Штатов». Это единственный известный случай применения Закона об атомной энергии таким образом. [24] [25]

Популярная культура

В драме Австралийской радиовещательной корпорации 2014 года «Код» в качестве основного сюжета используется «Лазерное обогащение урана». Главная героиня-женщина Софи Уолш заявляет, что технология будет меньше, менее энергоемкой и ее будет труднее контролировать, если она станет жизнеспособной альтернативой нынешним методам обогащения. Г-жа Уолш также заявляет, что разработка технологии затянулась и что существуют значительные правительственные интересы в сохранении секретности и секретного статуса технологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd Снайдер, Райан (3 мая 2016 г.). «Оценка распространения технологии лазерного обогащения урана третьего поколения». Наука и глобальная безопасность . 24 (2): 68–91. Бибкод : 2016S&GS...24...68S. дои : 10.1080/08929882.2016.1184528 . ISSN  0892-9882.
  2. ^ Аб Снайдер, Райан (18 мая 2021 г.). «Риски распространения лазерного обогащения урана». Национальная академия наук.
  3. ^ В. Эберхардт (DESY), В. Фусс (MPQ), Ф. Ленер (DESY) и Р. Снайдер (IFSH) (04.11.2019). «ЛСЭ и лазерное разделение изотопов». Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) и европейский XFEL.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Шнайдер, КР (март 1995 г.). ЛИС: Вид из Уренко (PDF) . 6- й международный. Симп. на Адв. Нукл. Energy Research (Мито, Япония; 23–25 марта 1994 г.). Токио: Японский научно-исследовательский институт атомной энергии . стр. 280–289 – через ИНИС .
  5. ^ «Silex Systems Ltd: Новая лазерная технология для обогащения урана». Sustainable Energy & Anti-Uranium Service Inc. Архивировано из оригинала 14 мая 2007 г. Проверено 21 апреля 2006 г.
  6. ^ «Соглашение о сотрудничестве между правительством Австралии и правительством Соединенных Штатов Америки в отношении технологии разделения изотопов урана путем лазерного возбуждения (Соглашение SILEX), согласованный протокол и обмен нотами (Вашингтон, 28 октября 1999 г.). АТС 19 от 2000 года». Австралазийский институт правовой информации, Австралийская библиотека договоров. Проверено 15 апреля 2017 г.
  7. ^ «Крупнейшие ядерные операторы в Соединенных Штатах». Инвестопедия США. 28 марта 2011 г. Архивировано из оригинала 07.11.2012 . Проверено 28 августа 2012 г.
  8. ^ «Cameco присоединяется к предприятию GE Hitachi по обогащению» . Камеко. 20 июня 2008 г. Архивировано из оригинала 9 августа 2012 г. Проверено 28 августа 2012 г.
  9. ^ Аб Макмертри, Крейг (13 апреля 2010 г.). «Австралийский лазер «угрожает ядерной безопасности»». АВС онлайн . Архивировано из оригинала 29 августа 2012 г. Проверено 28 августа 2012 г.
  10. ^ Броуд, Уильям Дж. (20 августа 2011 г.). «Лазерные достижения в области ядерного топлива вызывают страх перед террором». Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 03.11.2012 . Проверено 28 августа 2012 г.
  11. ^ Объявление Комиссии по ядерному регулированию |date=2012-09-19| http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML1226/ML12263A046.pdf
  12. ^ «Лазеры указывают на будущее обогащения урана» . Gizmag.com. 6 ноября 2013 года . Проверено 6 ноября 2013 г.
  13. ^ Аб Патель, Сонал (1 июня 2016 г.). «GE-Hitachi выходит из предприятия по обогащению на основе ядерных лазеров». ВЛАСТЬ . Проверено 1 апреля 2017 г.
  14. ↑ Ясухара, Акико (31 марта 2017 г.). «Банкротство подразделения Toshiba в США ослабляет ядерные амбиции Японии». Джапан Таймс . Проверено 1 апреля 2017 г.
  15. ^ «Министерство энергетики США продает обедненный уран для лазерного обогащения» . Мировые ядерные новости. 11 ноября 2016 г. Проверено 15 ноября 2016 г.
  16. ^ «Silex Systems выходит из реструктуризации GLE» . Мировые ядерные новости. 13 июня 2018 года . Проверено 14 июня 2018 г.
  17. ↑ Silex приступает к обогащению запасов урана, AuManufacturing, 19 января 2021 г.
  18. ^ «Глобальное лазерное обогащение | Силекс» .
  19. ^ Таками, Мичио; Ояма, Тосиюки; Ватанабэ, Цунао; Намба, Сусуму; Накане, Рёхей (1 февраля 1984 г.). «Инфракрасная абсорбционная спектроскопия холодной струи: полоса ν 3 UF 6». Японский журнал прикладной физики . 23 (2А): Л88. дои :10.1143/JJAP.23.L88. ISSN  0021-4922. S2CID  93245695.
  20. ^ Ронандер, Эйнар; Ровер, Эрих Г. (4 мая 1993 г.). Фотакис, Костас; Калпузос, Костас; Папазоглу, Теодор Г. (ред.). «Мультикиловаттная лазерная система ТЭА-СО2 для молекулярного лазерного разделения изотопов». 9-й международный симпозиум по газовым и химическим лазерам. 1810 . Ираклион, Греция: 49–52. Бибкод : 1993SPIE.1810...49R. дои : 10.1117/12.144664. S2CID  94250559. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  21. ^ кр, Шнайдер (1995). «ЛИС: Вид из Уренко».
  22. ^ Зеллвегер, Ж.-М.; Филиппоз, Ж.-М.; Мелинон, П.; Моно, Р.; ван ден Берг, Х. (19 марта 1984 г.). «Изотопно-селективная конденсация и газодинамическое разделение изотопов с помощью инфракрасного лазера». Письма о физических отзывах . 52 (12): 1055. Бибкод : 1984PhRvL..52.1055Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.52.1055 . ISSN  0031-9007.
  23. ^ Бурестон, Джек; Фергюсон, Чарльз Д. (01 марта 2005 г.). «Лазерное обогащение: тревога разлуки». Бюллетень ученых-атомщиков . 61 (2): 14–18. дои : 10.2968/061002005. ISSN  0096-3402.
  24. ↑ Стивен Афтергуд (26 июня 2001 г.). «Министерство энергетики классифицирует частную информацию» . Секретные новости, Федерация американских ученых . Проверено 23 августа 2007 г.
  25. ↑ Стивен Афтергуд (23 августа 2007 г.). «Взгляд на процесс обогащения урана SILEX». Секретные новости, Федерация американских ученых . Проверено 23 августа 2007 г.

Внешние ссылки