Köyhdytetty uraaniheksafluoridi (muut nimet - DUF , uraanipyrstöt , eng. DUF6 [1] ) on sivutuote uraaniheksafluoridin jalostuksessa rikastetuksi uraaniksi , yhdeksi köyhdytetyn uraanin kemiallisista muodoista [2] (jopa 73-75 % ) yhdessä köyhdytetyn typpioksiduuli-uraanioksidin [3] (OZOU, jopa 25 %) ja köyhdytetyn metallisen uraanin [4] (jopa 2 %) kanssa on 1,7 kertaa vähemmän radioaktiivista kuin uraaniheksafluoridi ja luonnonuraani [5] .
Köyhdytetyn ja rikastetun uraanin käsitteet ilmestyivät lähes 150 vuotta sen jälkeen, kun Martin Klaproth löysi uraanin vuonna 1789 . Vuonna 1938 useat tiedemiehet: saksalaiset fyysikot Otto Hahn ja Fritz Strassmann [6] löysivät, ja L. Meitner ja O. Frisch sekä rinnakkain heidän kanssaan G. von Droste ja Z. Flügge perustivat teoreettisesti atomiytimen fission. 235U - isotooppi [7] . Tämä löytö oli alku uraanin atominsisäisen energian rauhanomaiselle ja sotilaalliselle käytölle [8] . Vuotta myöhemmin Yu. B. Khariton ja Ya. B. Zel'dovich osoittivat teoreettisesti ensimmäistä kertaa, että 235U:n isotoopissa olevaa luonnonuraania rikastamalla on mahdollista antaa prosessille ketjuluonne, joka luo tarvittavan olosuhteet atomiytimien jatkuvalle fissiolle [9] . Ydinketjureaktion periaate tarkoittaa, että ainakin yksi neutroni 235U:n isotoopin atomin hajoamisen aikana vangitaan toisen 235U:n atomin toimesta ja aiheuttaa vastaavasti myös sen hajoamisen. Tässä prosessissa tällaisen "kaappauksen" todennäköisyydellä on tärkeä rooli. Tämän todennäköisyyden lisäämiseksi tarvitaan murto-osalisäys 235U-isotooppia, joka on vain 0,72% luonnonuraanissa, sekä pääasiallinen 238U , joka vie 99,27% ja 234U - 0,0055%. Pieni osa luonnonuraanin 235U-isotoopin pitoisuudesta, kun sitä käytettiin primäärisenä halkeamiskelpoisena materiaalina useimmilla ydintekniikan aloilla , vaati luonnonuraanin rikastamista tätä isotooppia varten.
Ajan myötä ydinteknologioiden parantamisprosessissa löydettiin optimaalisia teknologisia ja taloudellisia ratkaisuja, jotka edellyttävät 235U:n osuuden lisäämistä eli uraanin rikastamista [10] ja näiden prosessien seurauksena vastaavan ilmaantumista. määrä köyhdytettyä uraania, jonka 235U isotooppipitoisuus on alle 0,72 %. Rikastusprosessin aikana muodostuvan köyhdytetyn uraanin 235U-pitoisuuden aste riippuu rikastuksen tarkoituksesta [11] .
Viime vuosisadan 60 - luvun puoliväliin mennessä Yhdysvalloilla oli monopoli uraanipolttoaineen toimittamisessa läntisten ydinvoimaloiden tarpeisiin . Vuonna 1968 Neuvostoliitto ilmoitti olevansa valmis vastaanottamaan uraanin rikastustilauksia [12] . Tämän seurauksena maailmaan alkoi muodostua uusia kilpailullisia markkinoita , uusia kaupallisia rikastusyrityksiä ( URENCO ja Eurodif) alkoi ilmestyä. Neuvostoliiton ensimmäinen sopimus allekirjoitettiin vuonna 1971 Ranskan atomienergiakomissariaatin kanssa , jossa ydinvoimaloita rakennettiin aktiivisesti. Vuonna 1973 solmittiin jo noin 10 pitkäaikaista sopimusta energiayhtiöiden kanssa Italiasta , Saksasta , Isosta-Britanniasta , Espanjasta , Ruotsista , Suomesta , Belgiasta ja Sveitsistä [13] . Vuoteen 1975 mennessä Neuvostoliitto miehitti 9 prosenttia uraanin rikastamisen maailmanmarkkinoista. 1980-luvun lopulla Neuvostoliitto tuli myös Yhdysvaltain markkinoille. Samaan aikaan Neuvostoliiton rikastuspalvelut olivat huomattavasti halvempia kuin länsimaiset ( SWU :n hinta 1980-luvulla oli vähintään kaksi kertaa alhaisempi kuin eurooppalaisen URENCOn ja Eurodifin (115-190 dollaria) verrattuna Neuvostoliiton 60-65 dollariin) [14] . Neuvostoajan rikastuspalveluiden vientihuippu 1979-1980 oli jopa 5 miljoonaa SWU:ta vuodessa [15] , mikä oli jopa 1/3 Neuvostoliiton kaikista uraanin rikastuskapasiteeteista [16] . Rikastusmarkkinoiden kehitys on johtanut siihen, että tänä aikana maailmassa on kertynyt yli 2 miljoonaa tonnia DUHF:ää [17] .
Uraanin ja sen ominaisuuksien löytämisen alusta lähtien jotkin termit, kuten Q-metalli, depletalloy tai D-38, ovat muuttuneet tai ne ovat kokonaan menettäneet merkityksensä [18] , ja tilalle on ilmaantunut uusia. Köyhdytetty uraaniheksafluoridi, toisin kuin englanninkielinen terminologia, jolla on yhteinen käsitys (DUF6), venäjäksi on toinen usein käytetty termi - "uraanihännät". Köyhdytettyä uraaniheksafluoridia kutsutaan myös epätieteellisessä ympäristössä köyhdytetyksi uraaniksi (DU) ja köyhdytettyä uraania puolestaan uraaniheksafluoridiksi ( uraani(VI)fluoridi ) [19] . Kaikilla näillä kolmella termillä on merkittäviä eroja ei vain isotooppisessa koostumuksessa (DUHF-versiossa uraani(VI)fluoridin prosessoinnin tuotteena), vaan myös kokonaisuuden ja sen osien ymmärtämisessä. Köyhdytetty uraani kokonaisuutena, käyttötarkoituksesta riippuen, voi olla useissa kemiallisissa muodoissa: muodossa - DUHF, yleisin, jonka tiheys on 5,09 g / cm³, köyhdytetyn typpioksidin muodossa, jonka tiheys on 8,38 g/cm³ , köyhdytetyn uraanimetallin muodossa, jonka tiheys on 19,01 g/cm³ [20] .
Pääartikkeli: Uraaniheksafluoridi
Tärkeimmät erot uraaniheksafluoridin ja DUHF:n välillä ovat isotooppisen koostumuksen lisäksi ero niiden alkuperässä ja myöhemmässä tarkoituksessa ja sovelluksessa. Uraaniheksafluoridi on välituote, joka on luotu keinotekoisesti fluoraamalla uraanitetrafluoridia alkuainefluorilla [21] rikastetun uraanin saamiseksi tarvittavilla määrillä. DUHF on uraaniheksafluoridin jalostuksen jäännöstuote rikastetuksi uraaniksi. 235U:n rikastusprosessin päätyttyä alkuperäinen uraaniheksafluoridi, jolla on luonnollinen isotooppikoostumus (luonnollisen uraanin isotooppisuhteen vuoksi), muunnetaan kahdeksi muuksi prosessituotteeksi (uusien suhteiden 235U, 238U ja 234U isotooppien kanssa) rikastetuiksi. uraaniin ja DUHF:ksi.
Eri uraani-isotooppien [22] identtisistä kemiallisista ominaisuuksista johtuen köyhdytetyn uraaniheksafluoridin ja isotooppien luonnollisen koostumuksen omaavien uraaniheksafluoridin aineiden sekä rikastetun uraanin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat identtiset, lukuun ottamatta pitoisuutta. radioaktiivisuus. Köyhdytetyn uraanin heksafluoridi, joka on köyhdytetyn uraanin ensisijainen muoto, voidaan muuttaa muiksi DU:n muodoiksi, joilla on erilainen tiheys. Normaaleissa olosuhteissa DUHF on läpinäkyviä tai vaaleanharmaita kiteitä, joiden tiheys on 5,09 g/cm3. Alle 64,1 °C:n lämpötilassa ja 1,5 ilmakehän paineessa kiinteä DUHF siirtyy kaasumaiseen muotoon ja päinvastoin ohittaen nestefaasin. Kriittinen lämpötila 230,2 °C, kriittinen paine 4,61 MPa.
DUHF :n radioaktiivisuuden määrää täysin isotooppikoostumus ja uraani-isotooppien suhde (234U, 235U ja 238U), koska yhdisteen sisältämässä luonnonfluorissa on vain yksi stabiili isotooppi 19F. Luonnonuraaniheksafluoridin (sisältää 0,72 % 235U) ominaisaktiivisuus on 1,7×104 Bq /g ja se määräytyy 97 %:sti 238U- ja .234U-isotooppien perusteella .
| Uraanin isotooppi | Massaosuus luonnonuraanissa | Puoliintumisaika , vuotta | 1 mg:n puhtaan isotoopin aktiivisuus | Osallistuminen luonnonuraanin toimintaan |
| 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 % |
Kun uraania rikastetaan, siinä kasvaa kevyiden isotooppien, 234U ja 235U, pitoisuus. Ja vaikka 234U*:lla on paljon pienemmästä massaosuudesta huolimatta suurempi vaikutus aktiivisuuteen, 235U on tavoite käytettäväksi ydinteollisuudessa. Siksi uraanin rikastumis- tai köyhtymisaste määräytyy 235U:n pitoisuuden perusteella. Riippuen 235U:n pitoisuudesta luonnollisen 0,72 %:n alapuolella, DUHF:n aktiivisuus voi olla monta kertaa pienempi kuin luonnonuraaniheksafluoridin aktiivisuus:
| Uraaniheksafluoridin tyyppi | Sisältöaste 235 U | Radioaktiivinen hajoamisnopeus, Bq/g | Aktiivisuus luonnonuraaniheksafluoridia kohtaan |
| Luonnollinen
(luonnollinen koostumus uraanin isotoopit) |
0,72 % | 1,7 × 104 | 100 % |
| tyhjentynyt | 0,45 % | 1,2 × 104 | 70 % |
| 0,2 % | 5,3 × 103 | 32 % | |
| 0,1 % | 2,7 × 103 | 16 % |
* Ominaisaktiivisuusarvot sisältävät 234U:n aktiivisuuden, joka keskittyy rikastuksen aikana, eivätkä sisällä tytärtuotteiden panosta.
Ydinenergiassa käytetään vähän rikastettua uraania (LEU) 2-5 % : n rikastusasteella (joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta, kun sitä käytetään luonnollisessa koostumuksessa 0,72 %, esimerkiksi kanadalaisissa CANDU - voimareaktoreissa ) toisin kuin aselaadussa. korkeasti rikastetun uraanin, jossa on 235 U-atomia, osuus on yli 20 % ja joissakin tapauksissa yli 90 %, saavutetaan maksimirikastuksessa. Rikastetun uraanin saamiseksi käytetään erilaisia isotooppierotusmenetelmiä, pääasiassa sentrifugointia ja aikaisemmin - kaasudiffuusiomenetelmää. Suurin osa niistä toimii kaasumaisen uraaniheksafluoridin ( UF6 ) kanssa, joka puolestaan saadaan fluoraamalla tetrafluoridia ( UF4 + F2 → UF6) tai uraanioksideja (UO 2 F2 + 2F2 → UF6 + O2) alkuainefluorilla suurella vapautumisella. lämpöä molemmissa tapauksissa. Koska uraaniheksafluoridi on ainoa uraaniyhdiste, joka siirtyy kaasumaiseen tilaan suhteellisen alhaisessa lämpötilassa, sillä on keskeinen rooli ydinpolttoainekierrossa aineena, joka soveltuu 235U- ja 238U-isotooppien erottamiseen [24] . Kun on saatu (kaasudiffuusio- tai sentrifugointimenetelmillä) uraaniheksafluoridista, jossa on luonnollinen isotooppikoostumus rikastettua uraania, loppuosa (noin 95 % kokonaismassasta) muuttuu köyhdytetyksi uraaniheksafluoridiksi (yhdeksi köyhdytetyn uraanin muodoista), joka koostuu pääasiassa 238U:sta, koska 235U:n pitoisuus on paljon alle 0,72 % (riippuen rikastusasteesta) ja 234U:ta ei käytännössä ole. Tähän mennessä maailmaan on kertynyt noin 2 miljoonaa tonnia köyhdytettyä uraania. Sen pääosa varastoidaan DUHF:n muodossa erikoisterässäiliöissä [25] [26] .
Se, miten eri maat käsittelevät köyhdytettyä uraania, riippuu niiden ydinpolttoainekiertostrategiasta. IAEA tunnustaa, että politiikan määrittely on valtion etuoikeus (käytetyn polttoaineen huollon ja radioaktiivisen jätteen huollon turvallisuutta koskevan yhteissopimuksen VII lauseke [27] ). Kun otetaan huomioon ydinpolttoainekierron teknologiset valmiudet ja konseptit jokaisessa maassa, jossa on erotuslaitokset, DUHF:a voidaan pitää arvokkaana raaka-aineresurssina tai matala-aktiivisena jätteenä. Siksi DUHF:lla ei ole yhtä laillista asemaa maailmassa. IAEA:n asiantuntijalausunnossa ISBN 92-64-195254, 2001 [28] ja OECD :n NEA :n ja IAEA:n Depleted Uranium Managementin yhteisessä raportissa 2001 DUHF tunnustetaan arvokkaaksi raaka-aineresurssiksi [23] .
| Erotustuotanto, maa | Kertynyt DUHF
(tuhat tonnia) |
Vuotuinen kasvu
DUHF-varannot (tuhat tonnia) |
Säilytyslomake
köyhdytetty uraani (DUF, typpioksiduuli, metalli) |
| USEC / DOE (USA) | 700 | kolmekymmentä | UV 6 |
| Rosatom (Venäjä) | 640 | viisitoista | UV 6 |
| EURODIF (Ranska) | 200 | kahdeksantoista | UF6 , U3O8 _ _ _ |
| BNFL (Englanti) | 44 | 0 | UV 6 |
| URENCO (Saksa, Alankomaat, Englanti) | 43 | 6 | UV 6 |
| JNFL, PNC (Japani) | 38 | 0.7 | UV 6 |
| CNNC (Kiina) | kolmekymmentä | 1.5 | UV 6 |
| SA NEC (Etelä-Afrikka) | 3 | 0 | UV 6 |
| Muu (Etelä-Amerikka) | <1.5 | 0 | - |
| Kaikki yhteensä | ≈ 1700 | ≈ 70 | UF 6 , (U 3 O 8 ) |
DUHF:n kemiallisen muuntamisen tuloksena saadaan vedetöntä fluorivetyä ja/tai sen vesiliuosta (fluorivety- tai fluorivetyhappoa ), joilla on tietty kysyntä ydinenergiaan liittymättömillä markkinoilla ja ensisijaisesti alumiiniteollisuudessa . kylmäaineiden , rikkakasvien torjunta - aineiden , lääkkeiden , korkeaoktaanisen bensiinin , muovien jne. tuotanto sekä fluorivedyn uudelleenkäyttö uraaniheksafluoridin tuotannossa [30] prosessissa, jossa uraanioksidi (U3O8) muunnetaan uraanitetrafluoridiksi ( UF4), ennen kuin fluorataan edelleen uraaniheksafluoridiksi UF6 [31] .
DUHF-käsittelyn maailmankäytännössä on useita suuntauksia. Joitakin niistä on testattu puoliteollisessa versiossa, toisia on käytetty ja käytetään teollisessa mittakaavassa, mikä vähentää uraanirikastushiekkavarastoja ja toimittaa kemianteollisuudelle fluorivetyhappoa ja teollisia organofluorituotteita [32] [33] .
| Käsittelymenetelmä | lopputuotteet |
| 1. Pyrohydrolyysi
UF 6 + H 2O → UO 2 F 2 + 4 HF 3 UO 2 F 2 + 3 H 2 O → U 3 O 8 + 6 HF + ½ O 2 |
Triuraanioktoksidi ja fluorivetyhappo (20-f 50 % HF) |
| 2. Pyrohydrolyysi leijukerroksessa (UO 2 -rakeiden päällä ) | Uraanidioksidin (rakeinen) tiheys enintään 6 g/cm3 ja fluorivetyhappo (jopa 90 % HF) |
| 3. Vedyn talteenotto
UF 6 + H 2 → UF 4 + 2 HF |
Uraanitetrafluoridi ja fluorivety |
| 4. Talteenotto orgaanisten yhdisteiden kautta (CHCI)
UF 6 + CHCI = CCI 2 → UF 4 + CHCIF - CCI 2 F |
Uraanitetrafluoridi, kylmäaineet , mukaan lukien otsoniystävällinen (X-122) |
| 5. Talteenotto orgaanisten yhdisteiden kautta (CCI 4 )
UF 6 + CCI 4 → UF 4 + CF 2 CI 2 + CI 2 |
Uraanitetrafluoridi- ja metaanisarjan kylmäaineet |
| 6. Plasman kemiallinen muuntaminen
UF 6 + 3 H - OH → 1/3 U 3 O 8 + 6 HF + 1/6 O 2 |
Triuraanioksidi (tiheys 4,5-4,7 g/cm3) ja fluorivety |
| 7. UF 6 :n säteilykemiallinen pelkistys
UF 6 + 2 e → UF 4 + 2 F |
Uraanitetrafluoridi ja fluori. |
Ydinpolttoainekiertostrategiasta, teknologisista valmiuksistaan, kansainvälisistä sopimuksista [34] ja ohjelmista, kuten kestävän kehityksen tavoitteista (SDG) [35] ja YK:n maailmanlaajuisesta sopimuksesta [36] riippuen , kukin maa lähestyy erikseen kertyneen köyhdytetyn uraanin käyttöä. . Venäjä [37] ja Yhdysvallat [38] [39] ovat hyväksyneet joukon pitkän aikavälin ohjelmia DUHF-varastojen turvalliseksi varastoimiseksi ja käsittelyksi niiden lopulliseen hävittämiseen asti [40] .
YK : n kestävän kehityksen tavoitteiden mukaisesti ydinenergialla on merkittävä rooli kohtuuhintaisten, luotettavien, kestävien ja nykyaikaisten energialähteiden saatavuuden tarjoamisen lisäksi (tavoite 7 [41] ), vaan myös muiden tavoitteiden saavuttamisen edistämisessä, mukaan lukien ydinvoiman tukeminen. köyhyyden , nälän ja puhtaan veden puutteen poistaminen, talouskasvu ja teollisuuden innovaatiot [42] [43] . Useat maat, kuten Venäjä [44] [45] , Ranska, Yhdysvallat [46] ja Kiina, joita edustavat niiden johtavat ydinvoimaoperaattorit, ovat sitoutuneet saavuttamaan kestävän kehityksen tavoitteet [47] . Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tekniikoita käytetään sekä käytetyn polttoaineen [48] [49] [50] että kertyneen DUHF:n [51] [52] [53] [54] [2] käsittelyssä .
Kansainvälinen atomienergiajärjestö (IAEA) on säännellyt radioaktiivisten aineiden kuljetusta koskevia kansainvälisiä sääntöjä vuodesta 1961 [55] [56] , ja ne on pantu täytäntöön Kansainvälisen siviili-ilmailujärjestön (ICAO), Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) säännöissä, alueelliset liikennejärjestöt [57] [58 ] [59] .
Köyhdytetty uraaniheksafluoridi kuljetetaan ja varastoidaan normaaleissa olosuhteissa kiinteässä muodossa suljetuissa metallisäiliöissä, joiden seinämän paksuus on noin 1 cm ja jotka on suunniteltu kestämään äärimmäisiä mekaanisia ja syövyttäviä vaikutuksia [30] [60] . Esimerkiksi yleisimmät kuljetus- ja varastosäiliöt “Y48” [61] [62] sisältävät jopa 12,5 tonnia DUHF:a kiinteässä muodossa. Samaan aikaan DUHF lastataan ja puretaan näistä säiliöistä tehtaalla nestemäisessä muodossa erityisissä autoklaaveissa kuumennettaessa [63] .
Pääartikkeli: Uraaniheksafluoridi Vaara.
Matalasta radioaktiivisuudesta johtuen DUHF:n tärkein terveysvaikutus liittyy sen kemiallisiin vaikutuksiin kehon toimintoihin. Kemiallinen vaikutus on suurin riski käyttöjärjestelmän käsittelyyn liittyvissä tiloissa. Uraani- ja fluoridiyhdisteet, kuten fluorivety (HF), ovat myrkyllisiä alhaisilla kemikaalialtistuksilla. Kun köyhdytetty UF 6 joutuu kosketuksiin ilmankosteuden kanssa, se reagoi muodostaen HF:a ja kaasumaista uranyylifluoridia. Uraani on raskasmetalli, joka voi olla myrkyllistä munuaisille nieltynä. HF on syövyttävä happo, joka voi olla erittäin vaarallista hengitettynä; se on suurin vaara näillä aloilla [64] .
Monissa maissa liukoisten uraaniyhdisteiden työperäisen altistuksen raja-arvot liittyvät maksimipitoisuuteen 3 µg uraania grammaa kohden munuaiskudosta. Kaikki näiden ohjeiden mukaiset vaikutukset munuaisiin katsotaan vähäisiksi ja väliaikaisiksi. Nykyinen näihin rajoituksiin rakennettu käytäntö tarjoaa riittävän suojan uraaniteollisuuden työntekijöille. Jotta tämä munuaisten pitoisuus ei ylity, lainsäädäntö rajoittaa pitkäaikaiset (8 tuntia) liukoisen uraanin pitoisuudet työpaikan ilmassa 0,2 mg:aan kuutiometrissä ja lyhytaikaiset (15 minuuttia) 0,6 mg:aan kuutiometrissä [5 ] .
Elokuussa 1984 Mont-Louis upposi Englannin kanaalissa ( Pohjanmeren suulla ) 30 täyttä ja 22 tyhjää DUHF-konttia aluksella. Löytyi 30 uraaniheksafluoridia sisältävää 48-Y-säiliötä ja 16 22 tyhjästä 30-B-säiliöstä. 30 säiliön tarkastelu paljasti yhdessä tapauksessa pienen vuodon sulkuventtiilissä. Näytteitä otettiin 217, niille tehtiin 752 erilaista analyysiä ja itse säiliöistä mitattiin 146 annostasoa. Radioaktiivisen (luonnonuraani tai uudelleenkäytettävä uraani) tai fysikaalis-kemiallisten aineiden (fluori tai fluorivetyhappo) vuotamisesta ei ollut merkkejä [65] [66] ). Washingtonpostin materiaalien mukaan tämä tapaus ei ole vaarallinen, koska kuljetettava uraani on luonnollisessa tilassaan, jonka isotooppipitoisuus 235U on 0,72 % tai vähemmän. Osa siitä oli rikastettu 0,9 %:iin [67] .