Как обогащается уран?

Обогащение урана — ключевой шаг в создании ядерного оружия. В ядерных реакторах и бомбах работает только определённый тип урана. Извлечение этого типа урана из более распространённого сорта требует больших инженерных навыков. Несмотря на то, что технология разработана несколько десятилетий назад, трудность не только в том, чтобы отделить уран, но и в самом строительстве и эксплуатации оборудования, необходимого для выполнения этой задачи.

Атомы урана, как и атомы каждого элемента, встречаются в природе в разновидностях, называемых изотопами. (Каждый изотоп имеет различное количество нейтронов в своем ядре.) Уран-235, изотоп, составляющий менее 1 процента всего природного урана, обеспечивает топливо для ядерных реакторов и ядерных бомб, тогда как уран-238 — изотоп который составляет 99 процентов природного урана, не имеет ядерного использования.
Ключом к их разделению является то свойство, что атомы урана-235 весят немного меньше, чем атомы урана-238.

Чтобы отделить небольшое количество урана-235, присутствующего в каждом естественном образце урановой руды, инженеры сначала используют химическую реакцию для превращения урана в газ, затем газ помещают в центрифужные трубки — цилиндрические трубки размером с человека или больше. Каждая трубка вращается на своей оси с невероятно высокой скоростью, вытягивая более тяжёлые молекулы газа урана-238 в центр трубки, оставляя более лёгкие молекулы газа урана-235 ближе к краям трубки, где их можно отсоединить.

Каждый раз, когда газ центрифугируется, из смеси удаляется лишь небольшое количество газа урана-238, поэтому трубы используются последовательно. Каждая центрифуга вытягивает немного урана-238, а затем пропускает слегка очищенную газовую смесь на следующую трубку, пока многие сотни тысяч спинов газа, оставшиеся в трубе, почти полностью не составят уран-235.

После разделения газообразного урана-235 через многие этапы центрифуги инженеры используют другую химическую реакцию, чтобы превратить газовый уран снова в твёрдый металл. Затем этот металл должен быть сформирован для использования в реакторах или бомбах.
Поскольку каждый шаг очищает газовую смесь урана только в небольшом количестве, нужны центрифуги с наивысшим уровнем эффективности. В противном случае производство даже небольшого количества чистого урана-235 становится чрезмерно дорогостоящим.

Проектирование и изготовление этих центрифужных пробирок требует уровня инвестиций и технических ноу-хау, которые недоступны многим странам. Оборудование требуют специальных типов стали и композитов, чтобы выдерживать экстремальные давления вращения. Трубы должны быть абсолютно цилиндрическими и изготавливаться специализированными машинами, которые тоже трудно создать.

Чтобы попытаться отделить уран в перспективе, возьмите пример строительства бомбы, которую Соединенные Штаты сбросили на Хиросиму. Для США потребовалось 137 фунтов (62 килограмма) урана-235, чтобы создать бомубу (Simon & Schuster, 1995).

Разделение этих 137 фунтов из почти 4 тонн урановой руды произошло в крупнейшем в мире здании и потребовало затрат 10 процентов всей электроэнергии страны. Для создания атомной бомбы, в 1944 году потребовалось 20 000 человек, чтобы построить структуру, и 12 000 человек для эксплуатации объекта, что стоило более $ 500 миллионов (это около 7,2 млрд. долларов в 2018 году).

Так охлаждаются гранулы урана после прохождения через печь на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске, Казахстан, в 2007 году.