1.14. Гексафторид урана
Обычно ядерные реакторы и ядерные бомбы у нас как-то ассоциируются с триумфом воли физиков, но для того, чтобы физики смогли бы, нет, не раскрутить шарик наоборот на пари, а «приручить» атом, они должны были иметь дело с обогащенным ураном, а для обогащения урана используется вещество, получение которого без химиков невозможно – гексафторид урана (UF6).
Разделение двух нуклидов, относящихся к одному химическому элементу, вообще является задачей не из легких – на качественном уровне химические свойства изотопов идентичны; физические способы разделения изотопной смеси усложняются по мере того, как уменьшается различие масс двух нуклидов, и ещё в большей степени усложняются, если один из нуклидов (в особенности тот, который нам нужен) содержится в количестве, меньшем, чем 1 % от общего состава изотопной смеси.
Что же такое «нуклид» и «изотопы»? Нуклид – вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.
Например, водород представлен такими нуклидами, как протий (ядро состоит из одного протона), дейтерий или «тяжелый водород» (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).
Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов), называются «изотопами». Так вот, строго говоря, применение термина «изотоп» в единственном числе вместо термина нуклид неверно, однако широко распространено.
Для процесса деления атомного ядра, применяющегося для извлечения энергии что для ядерного оружия, что для атомной электростанции, необходим такой нуклид, как уран-235 (его ядро состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, 0,72 % от общего содержания в изотопной смеси урана, период полураспада – 7,04108 лет). Соответственно, остальные 99,27 % атомов урана в земной коре представлены менее активным ураном-238 (его ядро состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, период полураспада – 4,47•109 лет). Есть ещё и нуклид уран-234, но при его изотопной распространенности 0,0055 % никакого практического значения этот нуклид не имеет (по крайней мере – пока). Для применения в гражданской энергетике уран должен быть обогащен до 3–4 % содержания урана-235, оружейный уран должен содержать не менее 90 % урана-235.
Каким образом можно увеличить содержание урана-235 в его смеси с ураном-238, в то время как массы этих нуклидов различаются менее чем на 1 % и «нужного» нуклида в этой смеси мало? К счастью – с большим трудом. Сомнительное счастье заключается в том, что в отличие от относительной простоты получения химического оружия (которое иногда называют «ядерной бомбой для бедных стран» – зарин, который распыляла в 1995 году в токийском метро «Аум Синреке», был синтезирован сектантами самостоятельно) сложности, возникающие при обогащении урана, в какой-то степени способствуют нераспространению ядерного оружия. В то же самое время сложности, возникающие при обогащении урана, затрудняют развитие атомной энергетики, которой после Чернобыля и Фукусимы хоть и боятся, но, тем не менее, у неё нет реальной альтернативы для человечества.
И всё же разделение происходит, и происходит на основании исключительно различий в физических свойствах двух нуклидов. Основа метода такова: когда мы нагреваем материал до температуры кипения, его кристаллическая решетка разрушается, частицы вещества переходят в газовую фазу, более тяжелая частица переходит в газовую фазу с большим трудом и для её переноса в газ требуется больше энергии. Другими словами, уран-235 должен закипать при температуре чуть меньшей, чем уран-238.
Это хорошо на словах – температура кипения металлического урана приближается к 4000 °C, соответственно промышленная работа с газообразным ураном просто непрактична – для перевода урана в газ потребуется огромное количество энергии, не говоря уже про затраты на аппаратно-технологическое оформление такого процесса. Тут-то и вступают в дело химики и замечательное вещество – гексафторид урана, которое может переходить в газообразное состояние при вполне умеренных для промышленности температурах. При комнатной температуре гексафторид урана твердый, а при нормальном атмосферном давлении и достижении температуры 56,4 °C гексафторид урана, минуя жидкое агрегатное состояние, становится газом (этот процесс называется «сублимацией» и характерен, например, ещё для кристаллического йода или нафталина). Нагрев до 64 °C и сжатие примерно до 10 атмосфер позволяют получить жидкий гексафторид урана – все эти условия фазовых переходов (переходов из твердого состояния в жидкое и/или газообразное) позволяют довольно сильно облегчить промышленную работу по обогащению урана с применением UF6.
Помимо удачных физических свойств преимуществом гексафторида урана является то, что входящий в его состав фтор представляет собой моноизотопный элемент, в природе состоящий только из одного нуклида – фтора-19 (9 протонов и 10 нейтронов). Это означает, что все атомы фтора, входящие в состав UF6 имеют одинаковую массу, и массы гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 различаются только массой атома урана.
Получают гексафторид урана, окисляя тетрафторид урана UF4 элементарным фтором, а вот получение тетрафторида урана из урановых руд может быть осуществлено различными путями: в ядерно-топливном цикле, разработанном в СССР и применяющемся в РФ, полученные из урановых руд оксиды урана обрабатывают элементарным фтором F2, а в американском – эти же оксиды обрабатывают фтороводородом. Учитывая коррозионную активность и токсичность как фтора, так и фтороводорода, понятно, что получение гексафторида урана нельзя организовать в гараже или на производстве без соответствующих материалов.
Гексафторид урана и сам отличается высокой коррозионной активностью. Однако с рядом металлов (к счастью – с неэкзотическими железом и никелем) гексафторид урана может реагировать с образованием защитного слоя фторида металла, что позволяет хранить гексафторид урана в стальных емкостях. Для получения и хранения гексафторида урана, а также работы с ним необходима абсолютно сухая атмосфера – уже следовыми количествами воды гексафторид урана гидролизуется до дифторида уранила (UO2F2) и фтороводорода, а фтороводород может разъедать и инструментальную сталь, и стекло, он токсичен, может поражать кожу и кости, так что для рабочих контактов с гексафторидом урана нужны и смелость, и осторожность, и мастерство.
Даже при обогащении, основанном не на применении газообразного урана, а газообразного гексафторида урана, работа по обогащению урана остается технологически сложной. Гексафторид урана подают в массивные газовые центрифуги, скорость вращения которых составляет 100 000 оборотов в минуту, при этом более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 движутся к внешним стенкам центрифуги, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 остаются ближе к центру. Нагревание дна центрифуги и охлаждение её верхней части в итоге способствуют тому, что более легкие молекулы, содержащие целевой нуклид урана, движутся к верху центрифуги, а более тяжелые – к её дну, и происходит разделение изотопной смеси.
Из-за того что различие массы между молекулами гексафторида урана-238 и гексафторида урана-235 ещё меньше, чем различие массы между ураном-235 и ураом-238, даже для получения малообогащенного реакторного урана требуется многократное повторение цикла центрифугирования. На заводах по обогащению урана обычно работают сотни или даже тысячи центрифуг, объединённые в каскады, при этом все центрифуги в каскадах должны постоянно работать без ремонта в течение нескольких лет. Такие каскады при мощности одной установки в 100 кВт, потребляют электроэнергию от 580 000 до 816 000 кВт/ч. Для получения одного килограмма боевого обогащённого урана-235 необходимо переработать 220 кг природного урана-238. На бомбу, сброшенную на Хиросиму, потребовалось 60 кг боевого обогащённого урана-235, которые были получены из 13 т природной смеси урана-238 и урана-235, при этом было использовано 7 тысяч центрифуг, занимавших площадь, равную площади пяти футбольных полей. Заводы по обогащению урана, работающие на основании существующих технологий, практически невозможно скрыть, причём количество и технические характеристики центрифуг позволяют определить, для чего обогащают уран – для реактора атомной станции или для ядерного оружия.
Однако появившемуся ещё во время Второй мировой методу обогащения урана центрифугированием есть физические альтернативы (в которых, правда, всё равно ключевым игроком является гексафторид урана). В начале 1990-х австралийская компания SILEX разработала технологию обогащения урана путём облучения молекул гексафторида урана лазером. Лазерное излучение с определенной частотой способно селективно возбуждать и ионизировать только гексафторид урана-235, не воздействуя на гексафторид урана-238. Возбужденные и ионизированные молекулы гексафторида урана-235 легко отделяются от сохранивших все свои электроны молекул гексафторида урана-238 с помощью электромагнитного поля. Несколько таких лазерных камер способны заменить тысячи центрифуг. От введения в строй установки по лазерному обогащению до создания урановой бомбы пушечного типа (и даже плутониевой имплозивного типа) могут пройти считаные годы, даже в не самой технологически развитой стране.
Американское физическое общество уже подало петицию в Комитет по ядерной безопасности и лицензированию, предлагая строго соблюдать правила выдачи лицензий, чтобы оградить распространение этой технологии. Это связано с тем, что лазерная технология обогащения урана не сильно отличается от стандартного использования лазеров в лаборатории любой мало-мальски научно и технологически развитой страны. Небольшая площадь таких установок (по оценкам, в разы меньше заводов, использующих центрифуги) позволит вести обогащение в компактном сооружении, и отследить это будет очень трудно.
Но тем не менее – обогащаем ли мы уран лазером или центрифугами, нужен ли этот уран для разрешения энергетического кризиса или для создания кризиса политического, для получения урана не обойтись без умелых и опытных (или безрассудных) химиков, способных синтезировать и сохранить достаточное количество гексафторида урана.
