A szegényített urán-hexafluorid (más elnevezések - DUF , uránfarok , eng. DUF6 [1] ) az urán-hexafluorid dúsított uránná történő feldolgozásának mellékterméke , amely a szegényített urán egyik kémiai formája [2] (73-75%-ig ). ), a szegényített dinitrogén-oxid-urán-oxiddal [3] (OZOU, legfeljebb 25%) és a szegényített fémuránnal [4] (legfeljebb 2%) együtt 1,7-szer kevésbé radioaktív, mint az urán-hexafluorid és a természetes urán [5] .
A szegényített és dúsított urán fogalma csaknem 150 évvel azután jelent meg, hogy Martin Klaproth 1789 -ben felfedezte az uránt . 1938-ban számos tudós: Otto Hahn és Fritz Strassmann német fizikusok [6] fedezték fel, L. Meitner és O. Frisch , valamint velük párhuzamosan G. von Droste és Z. Flügge elméletileg alátámasztották a 2000 -as évek atommagjának hasadását. a 235U izotóp [7] . Ez a felfedezés volt a kezdete az urán atomon belüli energiájának békés és katonai felhasználásának [8] . Egy évvel később Yu. B. Khariton és Ya. B. Zel'dovich elméletileg először mutatta meg, hogy a természetes urán enyhe dúsításával a 235U izotópban lehetséges a folyamat láncjelleget adni, megteremtve a szükséges az atommagok folyamatos hasadásának feltételei [9] . A nukleáris láncreakció elve azt jelenti, hogy a 235U izotóp atomjának bomlása során legalább egy neutront befog egy másik 235U atom, és ennek megfelelően a bomlását is előidézi. Ebben a folyamatban fontos szerepet játszik egy ilyen „elfogás” valószínűsége. Ennek a valószínűségnek a növelése érdekében a 235U izotóp töredékes növelése szükséges, amely a természetes uránban csak 0,72%, a fő 238U izotóp mellett , amely 99,27% és 234U - 0,0055% -ot foglal el. A természetes uránban lévő 235U izotóp tartalmának kis hányada, amikor a nukleáris technológia legtöbb területén elsődleges hasadóanyagként használták , szükségessé tette a természetes urán dúsítását ehhez az izotóphoz.
Az idő múlásával a nukleáris technológiák fejlesztése során olyan optimális technológiai és gazdasági megoldásokat azonosítottak, amelyek a 235U arányának növelését, vagyis az urándúsítást [10] , és ezen folyamatok eredményeként ennek megfelelő megjelenését igénylik. 0,72%-nál kisebb 235U izotóptartalmú szegényített urán mennyisége. A dúsítási folyamat során képződő szegényített urán 235U-tartalmának mértéke a dúsítás céljától függ [11] .
A múlt század 60-as éveinek közepére az Egyesült Államok monopóliummal rendelkezett a nyugati atomerőművek uránüzemanyag -ellátásában . 1968-ban a Szovjetunió bejelentette, hogy kész elfogadni az urándúsítási megbízásokat [12] . Ennek eredményeként új versenypiac kezdett kialakulni a világon, új kereskedelmi dúsító cégek ( URENCO és Eurodif) kezdtek megjelenni. A Szovjetunió első szerződését 1971-ben írták alá a francia Atomenergia- biztossággal , ahol aktívan építettek atomerőműveket. 1973-ban már körülbelül 10 hosszú távú szerződést írtak alá Olaszország , Németország , Nagy-Britannia , Spanyolország , Svédország , Finnország , Belgium és Svájc energiavállalataival [13] . 1975-re a Szovjetunió elfoglalta az urándúsítás világpiacának 9%-át. Az 1980-as évek végén a Szovjetunió is belépett az Egyesült Államok piacára. Ugyanakkor a Szovjetunióban a dúsítási szolgáltatások lényegesen olcsóbbak voltak, mint a nyugatiak (az SWU ára az 1980-as években legalább kétszer alacsonyabb volt, mint az európai URENCO és Eurodif ára (115-190 USD), szemben a Szovjetunióban 60-65 dollárral). [14] . A szovjet idők dúsítására irányuló szolgáltatások exportszállításának csúcsa 1979-1980-ra elérte az évi 5 millió SWU-t [15] , ami a szovjet összes urándúsítási kapacitás 1/3-a [16] . A dúsítási piac fejlődése több mint 2 millió tonna DUHF felhalmozódásához vezetett a világon [17] .
Az urán és tulajdonságainak felfedezésének kezdete óta egyes kifejezések, mint például a Q-metal, depletalloy vagy D-38 átalakuláson mentek keresztül, vagy teljesen elvesztették relevanciájukat [18] , és újak jelentek meg helyettük. A szegényített urán-hexafluorid, szemben az angol terminológiával (DUF6), az oroszban van egy másik gyakran használt kifejezés - "uránfarok". A szegényített urán-hexafluoridot tudománytalan környezetben szegényített uránnak (DU) is nevezik, a szegényített uránt pedig urán-hexafluoridnak ( urán(VI)fluorid ) [19] . Mindhárom fogalom nemcsak az izotóp-összetételben (DUHF-változatban, mint az urán(VI)-fluorid feldolgozásának terméke) mutat jelentős különbségeket, hanem az egész és alkotórészeinek megértésében is. A szegényített urán, mint egész koncepció, a céltól függően többféle kémiai formában lehet: DUHF formában, a leggyakoribb, 5,09 g / cm³ sűrűséggel, szegényített dinitrogén-oxid formájában , amelynek sűrűsége 8,38 g/cm³ , szegényített urán fém formájában, 19,01 g/cm³ sűrűséggel [20] .
Fő cikk: Urán-hexafluorid
A fő különbségek az urán-hexafluorid és a DUHF között az izotópos összetételen túl az eredetük, valamint a további céljuk és alkalmazásuk különbsége. Az urán-hexafluorid az urán-tetrafluorid elemi fluorral való fluorozásával mesterségesen előállított köztes termék [21] , a dúsított urán előállításához szükséges mennyiségben. A DUHF az urán-hexafluorid dúsított uránná történő feldolgozásának maradékterméke. A 235U dúsítási eljárás befejeztével az eredeti urán-hexafluorid természetes izotóp összetételű (a természetes urán izotóp aránya miatt) két másik feldolgozási termékké (új 235U, 238U és 234U izotóp arányokkal) dúsított. urán és DUHF.
A különböző uránizotópok azonos kémiai tulajdonságai miatt [22] a szegényített urán-hexafluorid és az urán-hexafluorid természetes izotóp-összetételű anyagainak, valamint a dúsított uránnak a kémiai és fizikai tulajdonságai azonosak, kivéve az uránium mértékét. radioaktivitás. A szegényített urán-hexafluorid, mint a szegényített urán elsődleges formája, más, eltérő sűrűségű DU formáivá alakítható. Normál körülmények között a DUHF átlátszó vagy világosszürke kristály, amelynek sűrűsége 5,09 g/cm3. 64,1 °C alatti hőmérsékleten és 1,5 atmoszféra nyomáson a szilárd DUHF gázhalmazállapotú formába kerül, és fordítva, megkerülve a folyékony fázist. Kritikus hőmérséklet 230,2 °C, kritikus nyomás 4,61 MPa.
A DUHF radioaktivitását teljes mértékben meghatározza az izotóp-összetétel és az uránizotópok aránya (234U, 235U és 238U), mivel a vegyületben található természetes fluornak csak egy stabil izotópja van, a 19F. A természetes urán-hexafluorid (amely 0,72% 235U-t tartalmaz) fajlagos aktivitása 1,7×10 4 Bq /g, és 97%-ban 238U és .234U izotópok határozzák meg.
| Urán izotóp | Tömeghányad természetes uránban | Felezési idő , év | 1 mg tiszta izotóp aktivitása | Hozzájárulás a természetes urán tevékenységéhez |
| 238 U | 99,27% | 4,51 × 109 | 12,4 Bq | 48,8% |
| 235 U | 0,72% | 7,04 × 108 | 80 Bq | 2,4% |
| 234 U | 0,0055% | 2,45 × 105 | 231000 Bq | 48,8% |
Az urán dúsítása során megnövekszik benne a 234U és 235U könnyű izotópok tartalma. És bár a 234U* sokkal kisebb tömeghányad ellenére nagyobb mértékben járul hozzá az aktivitáshoz, a nukleáris iparban a 235U a cél. Ezért az urán dúsításának vagy kimerülésének mértékét a 235U tartalom határozza meg. A 0,72%-os természetes szint alatti 235U tartalomtól függően a DUHF aktivitása többszöröse lehet a természetes urán-hexafluorid aktivitásának:
| Az urán-hexafluorid típusa | A tartalom mértéke 235 U | Radioaktív bomlási sebesség, Bq/g | Természetes urán-hexafluoriddal szembeni aktivitás |
| Természetes
(természetes összetételű uránizotópok) |
0,72% | 1,7 × 104 | 100% |
| kimerült | 0,45% | 1,2× 104 | 70% |
| 0,2% | 5,3 × 103 | 32% | |
| 0,1% | 2,7 × 103 | 16% |
* A fajlagos aktivitási értékek tartalmazzák a 234U aktivitását, amely a dúsítás során koncentrálódik, és nem tartalmazza a leánytermékek hozzájárulását.
Az atomenergiához alacsony dúsítású uránt (LEU) használnak 2-5%-os dúsítással (néhány kivételtől eltekintve, ha 0,72%-os természetes összetételben használják, például a kanadai CANDU erőműreaktorokban ) , ellentétben a fegyveres minőségűvel. A 235 U atomot tartalmazó erősen dúsított urán több mint 20%-a, esetenként több mint 90%-a a maximális dúsításnál érhető el. A dúsított urán előállításához különféle izotóp-elválasztási módszereket alkalmaznak, elsősorban centrifugálást, és korábban - gázdiffúziós módszert. Legtöbbjük gáznemű urán-hexafluoriddal ( UF6 ) dolgozik, amelyet viszont tetrafluorid ( UF4 + F2 → UF6) vagy urán-oxidok (UO 2 F2 + 2F2 → UF6 + O2) elemi fluorral történő fluorozásával nyernek nagy kibocsátással. a hő mindkét esetben. Mivel az urán-hexafluorid az egyetlen uránvegyület, amely viszonylag alacsony hőmérsékleten gáz halmazállapotúvá válik, kulcsszerepet játszik a nukleáris üzemanyagciklusban, mint 235U és 238U izotópok szétválasztására alkalmas anyag [24] . A dúsított urán természetes izotóp-összetételű urán-hexafluoridból (gázdiffúziós vagy centrifugálási módszerekkel) történő kinyerése után a fennmaradó rész (a teljes tömeg körülbelül 95%-a) szegényített urán-hexafluoriddá alakul (mint a szegényített urán egyik formája), amely főleg 238U-ból áll, mivel a 235U tartalma jóval kevesebb, mint 0,72% (a dúsítás mértékétől függően), és gyakorlatilag nincs 234U. A mai napig a világ mintegy 2 millió tonna szegényített uránt halmozott fel. Fő részét DUHF formájában speciális acéltartályokban tárolják [25] [26] .
A szegényített urán kezelésének módja a különböző országok nukleáris üzemanyagciklus-stratégiájától függ. A NAÜ elismeri, hogy a politika meghatározása az állam előjoga (a kiégett fűtőelemek kezelésének biztonságáról és a radioaktív hulladékok kezelésének biztonságáról szóló közös egyezmény VII. cikkelye [27] ). Tekintettel a nukleáris üzemanyag-ciklus technológiai lehetőségeire és koncepcióira minden olyan országban, ahol leválasztási létesítmények vannak, a DUHF értékes nyersanyagforrásnak vagy kis aktivitású radioaktív hulladéknak tekinthető. Ezért a DUHF-nek nincs egységes jogi státusza a világon. A NAÜ szakértői véleménye, ISBN 92-64-195254, 2001 [28] , valamint az OECD NEA és a NAÜ Depleted Uranium Management, 2001 közös jelentése a DUHF-t értékes nyersanyagforrásként ismeri el [23] .
| Elválasztási termelés, ország | Felhalmozott DUHF
(ezer tonna) |
Éves növekedés
DUHF tartalékok (ezer tonna) |
Tárolási forma
kimerült uránium (DUF, dinitrogén-oxid, fém) |
| USEC / DOE (USA) | 700 | harminc | UV 6 |
| Rosatom (Oroszország) | 640 | tizenöt | UV 6 |
| EURODIF (Franciaország) | 200 | tizennyolc | UF 6 , U 3 O 8 |
| BNFL (Anglia) | 44 | 0 | UV 6 |
| URENCO (Németország, Hollandia, Anglia) | 43 | 6 | UV 6 |
| JNFL, PNC (Japán) | 38 | 0.7 | UV 6 |
| CNNC (Kína) | harminc | 1.5 | UV 6 |
| SA NEC (Dél-Afrika) | 3 | 0 | UV 6 |
| Egyéb (Dél-Amerika) | <1.5 | 0 | - |
| Teljes | ≈ 1700 | ≈ 70 | UF 6 , (U 3 O 8 ) |
A DUHF kémiai átalakítása során vízmentes hidrogén-fluorid és/vagy vizes oldata (hidrogén-fluorid vagy fluorsav ) keletkezik, amelyekre az atomenergiával nem összefüggő piacokon, és elsősorban az alumíniumiparban van kereslet. hűtőközegek , gyomirtó szerek , gyógyszerek , nagy oktánszámú benzin , műanyagok stb. gyártása , valamint a hidrogén-fluorid újrafelhasználása az urán-hexafluorid [30] előállításában az urán-oxid (U3O8) urán-tetrafluoriddá történő átalakítása során ( UF4), mielőtt további urán-hexafluoriddal UF6 fluoroznák [31] .
A DUHF feldolgozás világgyakorlatában több irányvonal létezik. Ezek egy részét félig ipari kivitelben tesztelték, más részüket ipari méretekben üzemeltették és üzemeltetik, csökkentve az uránzagy készleteit, és a vegyipart fluorsavval és ipari fluororganikus termékekkel látják el [32] [33] .
| Feldolgozási módszer | végtermékek |
| 1. Pirohidrolízis
UF 6 + H 2 O → UO 2 F 2 + 4 HF 3 UO 2 F 2 + 3 H 2 O → U 3 O 8 + 6 HF + ½ O 2 |
Triurán-oktoxid és hidrogén-fluorsav (20-f 50% HF) |
| 2. Pirohidrolízis fluidágyban (UO 2 granulátumon ) | Urán-dioxid (szemcsés) sűrűség 6 g/cm3-ig és hidrogén-fluorsav (max. 90% HF) |
| 3. Hidrogén visszanyerés
UF 6 + H 2 → UF 4 + 2 HF |
Urán-tetrafluorid és hidrogén-fluorid |
| 4. Visszanyerés szerves vegyületekkel (CHCI)
UF 6 + CHCI = CCI 2 → UF 4 + CHCIF - CCI 2 F |
Urán-tetrafluorid, hűtőközegek , beleértve az ózonbarát (X-122) |
| 5. Visszanyerés szerves vegyületekkel (CCI 4 )
UF 6 + CCI 4 → UF 4 + CF 2 CI 2 + CI 2 |
Urán-tetrafluorid és metán sorozatú hűtőközegek |
| 6. Plazma kémiai átalakítás
UF 6 + 3 H - OH → 1/3 U 3 O 8 + 6 HF + 1/6 O 2 |
Triurán-oxid (sűrűség 4,5-4,7 g/cm3) és hidrogén-fluorid |
| 7. Az UF 6 sugárzás-kémiai redukciója
UF 6 + 2 e → UF 4 + 2 F |
Urán-tetrafluorid és fluor. |
A nukleáris üzemanyagciklus-stratégiától, a technológiai lehetőségektől, a nemzetközi egyezményektől [34] és az olyan programoktól függően, mint a Fenntartható Fejlődési Célok (SDG) [35] , az ENSZ Globális Megállapodása [36] , minden ország egyénileg közelíti meg a felhalmozott szegényített urán felhasználásának kérdését. . Oroszország [37] és az USA [38] [39] számos hosszú távú programot fogadott el a DUHF-készletek biztonságos tárolására és feldolgozására azok végső ártalmatlanításáig [40] .
Az ENSZ fenntartható fejlesztési céljai értelmében az atomenergiának nemcsak a megfizethető, megbízható, fenntartható és korszerű energiaforrásokhoz való hozzáférés biztosításában van jelentős szerepe (7. cél [41] ), hanem más célok elérésében is, többek között a a szegénység , az éhezés és a tiszta víz hiányának felszámolása, a gazdasági növekedés és az ipari innováció [42] [43] . Számos ország, például Oroszország [44] [45] , Franciaország, az Egyesült Államok [46] , Kína, amelyet vezető atomenergia-üzemeltetőik képviselnek, elkötelezte magát a fenntartható fejlődési célok elérése mellett [47] . E célok elérése érdekében technológiákat alkalmaznak mind a kiégett fűtőelemek újrahasznosításában [48] [49] [50] , mind a felhalmozott DUHF [51] [52] [53] [54] [2] feldolgozásában .
A radioaktív anyagok szállítására vonatkozó nemzetközi szabályokat 1961 óta a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) szabályozza [55] [56] , és azokat a Nemzetközi Polgári Repülési Szervezet (ICAO), a Nemzetközi Tengerészeti Szervezet (IMO), regionális közlekedési szervezetek [57] [58 ] [59] .
A szegényített urán-hexafluoridot normál körülmények között szilárd formában szállítják és tárolják zárt, körülbelül 1 cm falvastagságú fémtartályokban, amelyeket extrém mechanikai és korrozív hatásokra terveztek [30] [60] . Például a legelterjedtebb „Y48” [61] [62] szállító- és tárolókonténerek legfeljebb 12,5 tonna DUHF-t tartalmaznak szilárd formában. Ugyanakkor a DUHF-t ezekből a tartályokból a gyárban folyékony formában, melegítés közben speciális autoklávokban be- és kirakodják [63] .
Fő cikk: Urán-hexafluorid Veszély.
Az alacsony radioaktivitás miatt a DUHF fő egészségügyi hatása a szervezet működésére gyakorolt kémiai hatásaihoz kapcsolódik. A kémiai hatások jelentik a fő veszélyt az operációs rendszer feldolgozásával kapcsolatos létesítményekben. Az urán- és fluoridvegyületek, például a hidrogén-fluorid (HF) mérgezőek alacsony szintű vegyi expozíció esetén. Amikor a kimerült UF 6 érintkezésbe kerül a légköri nedvességgel, HF-et és gáznemű uranil-fluoridot képez. Az urán nehézfém, amely lenyelés esetén mérgező lehet a vesére. A HF egy maró sav, amely belélegezve nagyon veszélyes lehet; ez a fő veszély az ilyen iparágakban [64] .
Sok országban az oldható uránvegyületekre vonatkozó foglalkozási expozíciós határértékek 3 µg urán/g veseszövet maximális koncentrációjához kapcsolódnak. Bármilyen, a vesére gyakorolt hatás ezekben az irányelvekben csekélynek és átmenetinek minősül. Az ezekre a korlátozásokra épülő jelenlegi gyakorlat megfelelő védelmet biztosít az urániparban dolgozók számára. Annak biztosítása érdekében, hogy a vesékben ezt a koncentrációt ne lépjék túl, a jogszabályok az oldható urán hosszú távú (8 óra) koncentrációját a munkahelyi levegőben 0,2 mg/köbméterre, rövid távú (15 perc) 0,6 mg/köbméterre korlátozzák [5] ] .
1984 augusztusában a Mont-Louis elsüllyedt a La Manche csatornában (az Északi-tenger bejáratánál ) 30 teli és 22 üres DUHF-konténerrel a fedélzetén. 30 urán-hexafluoridos 48-Y tartályt és a 22 üres 30-B tartályból 16-ot találtak. 30 tartály vizsgálata egy esetben az elzárószelepben kismértékű szivárgást mutatott ki. 217 mintát vettek, 752 különböző elemzésnek vetették alá, és magukon a tartályokon 146 dózisszintet mértek. Sem radioaktív (természetes urán vagy újrafelhasználható urán), sem fizikai-kémiai anyagok (fluor vagy fluorsav [65] [66] ) szivárgásának nem volt jele. A Washingtonpost anyaga szerint ez az incidens nem veszélyes, mivel a szállított urán természetes állapotban van, 235U izotóptartalma 0,72% vagy annál kisebb. Egy részét 0,9%-ig dúsították [67] .