От редактора: Сообщения в новостях о ядерной деятельности Ирана вновь свидетельствуют об актуальности темы обогащения урана. Этот выпуск журнала SDA призван подкрепить аргументированную дискуссию информацией и анализом о состоянии и процессе обогащения урана.

В статье описаны процесс и технологии обогащения урана, а также приведена небольшая историческая справка. В таблице кратко представлена информация о рабочем состоянии урановых обогатительных производств в различных странах мира. Проверить свои знания в области обогащения урана можно, ответив на вопросы по атомной энергетике.

Статья, таблица и тест основаны на отчете Обогащение урана: только факты к содержательной дискуссии о ядерном распространении и атомной энергии, опубликованном в октябре 2004 года IEER для Института исследований ядерной политики (Nuclear Policy Research Institute). Ссылки представлены в отчете.

Знания и возможности в области обогащения урана получили довольно широкое распространение и в атомной энергетике, и в создании ядерного оружия. Во многом этот процесс уже вышел из-под контроля. И это вызывает особое беспокойство в свете возникающих предложений, которые в ближайшие десятилетия вполне могут стимулировать более широкое применение атомной энергии в мире.

Например, для того, чтобы обеспечить топливом тысячу АЭС мощностью 1000 мгвт (распространенный пример во многих программах ядерного развития), потребуется глобальная мощность обогащения урана, которая примерно в 9-10 раз превышает производства, действующие сегодня в США. Если хотя бы один процент такой мощности был бы задействован для получения высокообогащенного урана (ВОУ), то ежегодно производились бы такие объемы ВОУ, которые позволили бы создать от 175 до 310 единиц ядерного оружия. С учетом расширенной торговли специализированными матери алами, необходимыми для возведения и эксплуатации газогенераторных центрифужных и прочих обогатительных установок, которые способны привести к увеличению производства атомной энергии, определить законность торговли и распространения якобы "мирных" технологий станет еще труднее.

Очень важно обращать внимание на государства, такие как Иран, которые в настоящее время добились успехов в своих попытках обеспечить поддержку программе создания ядерного оружия. Однако не менее важно помнить о том, насколько широко распространена технология обогащения урана и насколько может вырасти угроза, если допустить применение данных технологий в любой точке мира в стремлении расширить рамки использования атомной энергии. Другими словами, мы правильно поступаем, не игнорируя страны, которые имеют современные программы по ядерному оружию и атомной энергии, а учитывая их внушительный потенциал для распространения и менее впечатляющую репутацию в этой сфере¹. У всех пяти ядерных держав-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) - США, России, Великобритании, Франции и Китая - есть заводы по обогащению урана, которые когда-то использовались для производства оружейного ВОУ. Все пять государств также обладают полномасштабными обогатительными производствами, которые участвовали в производстве низкообогащенного урана (НОУ), применяемого в качестве топлива для промышленных ядерных реакторов.

Помимо пяти известных государств, обладающих ядерным оружием, еще только у трех стран есть урановые обогатительные предприятия, которые использовались в производстве большого количества топлива для промышленных ядерных реакторов. Однако существует ряд других стран, которые занимались технологиями обогащения, и некоторые из них замечены или подозреваются в использовании обогатительного потенциала в военных целях. В таблице кратко представлена доступная на сегодняшний день информация о рабочем состоянии урановых обогатительных производств в различных странах мира.

В Пакистане, одном из тех государств, которые создали ядерное оружие, не будучи участниками ДНЯО, есть комбинаты, где обогатили ВОУ в военных целях. Как известно, Южная Африка также произвела ядерное оружие с помощью обогащенного урана, полученного на собственных производствах. С другой стороны, Индия и Израиль создали атомные бомбы из плутония-239 (который производится в ядерных реакторах, когда нерасщепляющийся уран-238 поглощает нейтрон с малой энергией). Северная Корея, которая в январе 2003 года вышла из ДНЯО, не уведомив об этом, как положено, за три месяца, дает повод для серьезных подозрений в производстве небольшого количества ядерного оружия с применением плутония. Вопрос о возможном продолжении программы по обогащению урана в Северной Корее также остается открытым.

Уран

Только один элемент, который встречается в природе, является сырьем для создания атомных бомб. Это уран, химический знак "U"². Отличительным свойством урана, которое необходимо для производства ядерного оружия и атомной энергии, является его способность к расщеплению или делению на две более легкие фракции с помощью облучения нейтронами и к высвобождению энергии в этом процессе.

Природный уран (то есть тот, который добывается из недр земли) встречается в виде сочетания трех различных изотопов, то есть атомов с тремя различными атомными массами, обладающими фактически одинаковыми химическими, однако различными ядерными свойствами. Этими изотопами являются уран-234, уран-235 и уран-238. Уран-234 - это высокорадиоактивный микроэлемент, обнаруженный в природном уране. Уран-235 - это единственное расщепляющееся вещество, встречающееся в природе в значительном количестве. Уран-238 - этот изотоп превалирует в природном уране (99,284 % массы выборки природного урана составляет уран-238), но он не поддается расщеплению. Однако уран-238 можно разделить с помощью нейтронов с высокой энергией, высвобождая большие объемы энергии, и поэтому его нередко используют для увеличения взрывной силы термоядерных или водородных бомб.

Некоторые свойства этих трех изотопов, обнаруженных в природном уране, кратко представлены в Tаблице 1. Поскольку уран-234 составляет очень маленькую долю в общей массе природного урана и не используется в каких-либо серьезных программах, в данной статье мы подробно остановимся только на двух других изотопах - уран-235 и уран-238.

Благодаря небольшому количеству U-235, природный уран в определенных условиях может поддерживать цепную реакцию, и таким образом является топливом для определенных типов реакторов (графитовые ядерные и тяжеловодные ядерные реакторы³ - последние продает Канада в промышленном масштабе). В самом распространенном на сегодняшний день типе реактора (легководный ядерный), в котором обыкновенная вода служит охлаждающим и замедляющим средством, для поддержания реакции доля U-235 в топливе должна превышать 0,7% - уровень его содержания в природном уране.

Комплекс производственных процессов, производимых для повышения процента U-235 в установленном количестве урана называется "обогащением урана". Здесь термин "обогащение" означает повышение процента расщепляющегося изотопа U-235. В легководных ядерных реакторах обычно используют от 3 до 5 процентов обогащенного урана, то есть доля U-235 в топливе составляет от 3 до 5%, а остальная часть фактически состоит из U-238. Вещество с таким уровнем содержания U-235 называется "низкообогащенным ураном" или НОУ.

Атомные бомбы невозможно создать из природного или низкообогащенного урана. Доля U-235 слишком мала и не обеспечивает нарастающую "сверхкритическую" цепную реакцию за довольно короткое время, чтобы произвести взрыв. Для создания атомной бомбы содержание U-235 в уране должно быть как минимум около 20%. Однако бомба из урана, обогащенного в такой минимальной степени, была бы слишком объемна для доставки, поскольку потребовалось бы огромное количество урана и еще больше обычных взрывчатых веществ для его сжатия в сверхкритическую массу.

На практике уран, в котором содержится не менее 90% U-235, уже использовался для создания ядерного оружия. Вещество с таким уровнем обогащения называется высокообогащенным ураном или ВОУ. Атомная бомба, уничтожившая Хиросиму 6 августа 1945 года, была создана примерно из 60 килограмм ВОУ. Высокообогащенный уран также применяется в исследовательских и морских ядерных реакторах - на авианосцах и подводных лодках. ВОУ, предназначенный для исследовательских ядерных реакторов, может особенно заинтересовать тех, кто хотел бы совершить диверсию с использованием ядерного оружия, поскольку охраняется, как правило, хуже и зачастую находится в городах или на территории университетов. В отличие от облученного ядерного топлива для реактора, необлученный ВОУ не несет радиоактивной опасности..

Такой же процесс и производство можно использовать, обогащая уран для топлива в промышленных легководных реакторах, то есть для создания НОУ, а также получения ВОУ для атомных бомб. Таким образом, все технологии обогащения урана являются потенциальными источниками распространения ядерного оружия. Кроме того, некоторые другие способы обогащения урана выявить намного труднее, и это прибавляет дополнительные опасения, связанные с возможным существованием нелегальных программ.

Обогащение урана

Поскольку все изотопы урана обладают фактически одинаковыми химическими свойствами, повышение доли урана-235 в выборке зависит от разницы атомных масс изотопов (которым присвоены следующие номера: 234, 235 и 238). U-238 тяжелее U-235 чуть более одного процента. Если уран обратить в газообразное состояние, тогда молекулы, содержащие более легкий U-235, в среднем будут двигаться с большей скоростью (при заданной температуре) по сравнению с более тяжелыми молекулами, содержащими U-238.

В ходе обычного процесса обогащения, поток преобразованного в газ природного урана, содержащего U-235 и U-238, делится на два потока благодаря небольшой разнице в массах этих двух изотопов. Один поток становится богаче ураном-235 ("обогащенный" поток урана), при этом другой становится беднее этим изотопом ("обедненный" поток урана, где термин "обедненный" означает более низкий процент U-235 по отношению к природному урану). Более подробная информация о процессах обогащения представлена ниже, в главе "Технологии обогащения"⁴.

Мощность урановой обогатительной установки по повышению процента U-235 представлена в единицах, которые называются килограммом Единицы разделительной работы (ЕРР) (Separative Work Units - SWU, по-английски произносятся "свуз"). В предприятиях производственного уровня мощности установок, как правило, составляют от нескольких сот до нескольких тысяч метрических тонн ЕРР (MTЕРР) в год. (1 MTЕРР = 1000 ЕРР.) Единица разделительной работы - это комплексная единица, которая зависит как от доли U-235, которую хотят получить в обогащенном потоке, так и от того, сколько U-235 из исходного вещества остается в потоке, обедненном данным изотопом. Единицу ЕРР (SWU) можно рассматривать как количество усилий, которые необходимо приложить для достижения установленной степени обогащения. Чем меньше U-235 из исходного вещества следует оставить в обедненном уране, тем больше ЕРР необходимо для достижения желаемой степени обогащения⁵.

Количество ЕРР, обеспечиваемое обогатительной установкой, напрямую зависит от объема энергии, потребляемой этой установкой. Две самые распространенные технологии обогащения на сегодняшний день, о которых подробно написано ниже, значительно отличаются в своем энергопотреблении. Для современных газодиффузионных установок, как правило, требуется от 2400 до 2500 киловатт-час (кВ-ч) электроэнергии на ЕРР, тогда как газогенераторные центрифужные установки потребляют только 50-60 кВ-ч электроэнергии на ЕРР.

Для того чтобы обеспечить типовой легководный ядерный реактор мощностью 1000 мегаватт электроэнергии, использующий обогащенный уран в качестве топлива, потребуется примерно от 100 000 до 120 000 объема услуг по обогащению урана в ЕРР в год. Если бы такое обогащение было обеспечено за счет газодиффузионной установки (по примеру функционирующей сегодня в городе Падьюка, штат Кентукки, США), тогда на процесс обогащения ушло бы примерно 3-4% от объема электроэнергии, генерированного данным реактором⁶. С другой стороны, если бы обогащение топливного урана было проведено в газогенераторных центрифугах (которые действуют сегодня во многих регионах мира), тогда на процесс обогащения ушло бы менее 0,1% от объема электроэнергии, генерированного ядерной установкой за год.

Помимо килограмма ЕРР, стоит рассмотреть еще один важный параметр. Это масса природного урана, которая необходима для получения желаемой массы обогащенного урана. Как и с количеством ЕРР требуемое количество исходного материала также будет зависеть от желаемой степени обогащения, а также от количества U-235, которое остается в обедненном уране. Требуемое количество природного урана будет сокращаться при уменьшении доли U-235, которую необходимо оставить в обедненном уране.

К примеру, при обогащении НОУ для легководного ядерного реактора в обогащенном потоке обычно содержится 3,6% U-235 (по сравнению с 0,7% в природном уране), а в обедненном потоке содержится от 0,2 до 0,3 процента U-235. Для выработки одного килограмма такого НОУ потребуется примерно 8 килограмм природного урана и 4,5 ЕРР, если допустимая доля U-235 в обедненном урановом потоке составляет 0,3%. С другой стороны, если в обедненном потоке останется только 0,2% U-235, тогда потребуется всего лишь 6,7 килограмма природного урана, однако - около 5,7 ЕРР для обогащения.

Для получения одного килограмма высокообогащенного урана (то есть урана, содержащего 90% U-235), потребуется более 193 ЕРР и почти 219 килограммов природного урана при условии, что в обедненном уране останется 0,3% U-235. Если допустимая доля U-235 в обедненном уране составит 0, 2%, потребуется почти 228 ЕРР и более 176 килограмм природного урана.

В Таблице 2 представлена краткая информация о затратах (на природный уран и услуги по его обогащению), которые требуются для получения одного килограмма НОУ и одного килограмма ВОУ с долей U-235, составляющей 0,2% и 0,3% в обедненном урановом потоке.

С учетом того, что требуемый объем природного урана и ЕРР в процессе обогащения меняются в противоположном направлении для установленной степени обогащения, природный уран дешев, а услуги по его обогащению дороги, владельцы обогатительных установок согласятся на "выброс" большей доли U-235 в обедненный поток (то есть, им будет выгоднее использовать больше природного урана и меньше ЕРР). С другой стороны, если природный уран дороже услуг по его обогащению, тогда владельцы установок выберут обратный вариант.

Для того чтобы обогатить уран для атомной бомбы, эквивалентной той, что США сбросили на Хиросиму (это примерно 60 кг ВОУ), потребовалось бы от 10,6 до 13,1 метрических тонн природного урана, а также от 11 600 до 13 700 ЕРР для обогащения. Однако для создания более сложных видов ядерного оружия потребовалось бы намного меньше половины этого количества. Для современного типа урановых бомб обычно требуется только 20-25 килограмм ВОУ.

Если вместо природного урана в качестве исходного вещества для выработки ВОУ использовался бы низкообогащенный уран (содержащий 3,6% U-235), тогда для получения одного килограмма высокообогащенного урана потребовалось бы лишь 70-78 ЕРР и 26-27 килограмм исходного вещества. Это значит, что для получения ВОУ, необходимого для создания эквивалента бомбы, сброшенной на Хиросиму, потребовалось бы обогатить всего лишь 1,6 тонны НОУ, то есть меньше одной десятой от общего количества НОУ, необходимого для ежегодного снабжения топливом одного ядерного реактора мощностью 1000 мгвт. Таким образом, примерно две трети совокупного объема услуг по обогащению урана, необходимого для получения оружейного ВОУ, участвует в обогащении урана из природного урана (0,7% U-235) в НОУ (3,6% U-235). При этом только около одной трети совокупного объема услуг участвует в обогащении НОУ с окончательной переработкой его в ВОУ (90% U-235), как показано на схеме.

Таким образом, запасы низкообогащенного урана, если их поддерживать в состоянии, удобном для обогащения (то есть таком, как гексафторид урана), могут стать исходным веществом для более легкого и быстрого получения высокообогащенного урана, применяемого для создания ядерного оружия. Это одна из самых опасных сторон широкого распространения технологий обогащения в рамках распространения ядерной энергетики.

ПРИРОДНЫЙ УРАН

Две трети совокупного объема услуг по обогащению урана, необходимого для получения оружейного высокообогащенного урана (ВОУ), участвует в обогащении урана из природного урана (0,7% U-235) в низкообогащенный уран, НОУ (3,6% U-235).

®

НОУ

Около одной трети совокупного объема услуг участвует в обогащении НОУ с окончательной переработкой его в ВОУ (90% U-235).

®

ВОУ

Технологии обогащения

Широкое применение получили четыре технологии обогащения урана. Три из них - газовая диффузия, газовое центрифугирование и форсунка / аэродинамическое разделение - основаны на конверсии урана в газ гексафторид урана (UF₆). Четвертый метод - электромагнитное разделение - основан на использовании ионизированного уранового газа, получаемого из твердого тетрахлорида урана (UCL₄).

Газовая диффузия

Процесс газовой диффузии использовался для обогащения почти всего низко- и высокообогащенного урана, который производился в США. Впервые этот метод был разработан в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта и был частично применен при обогащении урана для бомбы, сброшенной на Хиросиму. Все пять известных ядерных держав-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) в тот или иной период времени ввели в эксплуатацию газодиффузионные установки, однако на сегодняшний день такие объекты продолжают функционировать только в США и Франции. Для процесса диффузии необходимо закачать уран, находящийся в газообразном состоянии, через большое количество пористых барьеров. Это очень энергоемкий процесс.

Для того чтобы превратить уран в газообразное состояние, при котором он может участвовать в процессе газовой диффузии, осуществляют конверсию природного урана в гексафторид урана (UF₆). Молекулы гексафторида урана, содержащие атомы U-235, будучи немного легче, станут двигаться через каждый барьер с несколько более высокой степенью разделения, нежели те, которые содержат атомы U-238. Для визуализации этого процесса можно привести пример продувания песка через множество решет. Более мелкие песчинки будут преимущественно проходить через каждое решето и, таким образом, после каждой ступени отсеивания они будут составлять несколько более высокий процент от общего объема песчинок, по сравнению с тем процентом, который они имели на предыдущей ступени просеивания. Схема одной из таких ступеней просеивания в газодиффузионной установке представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1: Схема одной ступени обогащения в газодиффузионной установке. Более темные цвета представляют молекулы UF₆, которые содержат более тяжелые атомы U-238, тогда как более светлыми цветами изображены газовые молекулы, содержащие более легкие атомы U-235. После каждой ступени газ, который переходит к низконапорной стороне барьера (т.е. стороне выхода потока) имеет более высокий процент U-235, по сравнению с тем, который был на предыдущей ступени. (Данная схема основана на диаграмме, которая любезно предоставлена Американской корпорацией по обогащению урана (USEC)

Разница в массах, а значит и скоростях молекул UF₆, содержащих U-235 и U-238, невелика. Таким образом, чтобы обогатить большие промышленные или военные объемы урана, необходимы тысячи ступеней обогащения. В газодиффузионной установке ступени построены в "каскады", которые позволяют на каждой ступени приращивать обогащение, полученное на предыдущих ступенях, а также более эффективно использовать обедненный урановый поток. Чтобы понять масштаб такого производства, нужно знать, что на момент строительства газодиффузионного завода, возведенного в начале 1940-х годов в городе Ок-Ридж, штат Теннеси, США, это был крупнейший промышленный объект в мире.

Наиболее сложной задачей при возведении газодиффузионной установки является производство проницаемых барьеров, которые необходимы для работы диффузоров. Материал для таких барьеров должен быть высокопрочным и способным поддерживать одинаковый диаметр пор в течение нескольких лет работы установки. Это очень сложная задача при использовании газа гексафторида урана, который обладает высококоррозионным свойством. Толщина типичных барьеров составляет всего 5 миллиметров (менее 0,2 дюйма), а их отверстия лишь в 30-300 раз больше диаметра одного атома урана.

Помимо того, что в ходе работы установки требуются большие объемы электроэнергии, компрессоры в газодиффузионных производствах также генерируют много тепла, которое нужно рассеивать. В американских установках теплоотдача происходит с помощью истощающих озон хлорфторуглеродов (CFCs), таких как охладитель CFC-114 (нередко его называют фреон или фреон-114). Производство, ввоз, а также применение CFC было серьезно ограничено в 1987 году Монреальским протоколом о веществах, которые истощают озоновый слой (Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer) и который США выполняют посредством поправок 1990 года к Закону о контроле над загрязнением воздуха (Clean Air Act).

В результате таких мер производство фреона в США было прекращено в 1995 году. С 1991 по 2002 годы выбросы этого вещества в атмосферу со стороны крупных потребителей в США сократились почти на 60%. Однако выбросы газодиффузионного завода в городе Падьюка (штат Кентукки, США) остались фактически на том же уровне за данный период, сократившись всего на 7% с 1989 по 2002 годы. В 2002 году Падьюкский обогатительный завод выбросил в атмосферу более 197,3 метрических тонны фреона через негерметичные трубы и прочее оборудование. Только с одного этого объекта в атмосферу попало свыше 55% всех выбросов этого истощающего озоновый слой CFC со всех крупных производств США за 2002 год.

Из-за того, что с 1995 г. фреон в США не производится Американская корпорация по обогащению урана (USEC)⁷ в настоящее время ищет теплоноситель, который не содержит CFC. Но любые другие охладители все равно будут иметь тепловой улавливающий потенциал, и таким образом, даже если они не будут представлять опасность для озонового слоя, они все равно останутся потенциально опасными с точки зрения глобального потепления и изменения климата.

Характерная особенность газодиффузионных установок - большое выделение тепла - позволяет выявить те из них, функционирование которых значительно превышает 100 MTЕРР в год. Однако подобная информация, скорее всего, будет значима лишь для выявления деятельности на известных установках, но не на нелегальных объектах, поскольку существует много других промышленных процессов с выделением больших объемов тепла. Следовательно, несмотря на то что такие обогатительные урановые производства, как газодиффузионные установки практически невозможно скрыть из-за их размеров, потребности в электроэнергии и тепловыделения, все-таки крайне сложно выявить какой-либо объект на расстоянии, не имея доступа к экологическим выборкам на прилегающих территориях (например, образцы почвы), которые могут убедительно указывать на присутствие обогащенного урана.

Газовое центрифугирование

В настоящее время газовое центрифугирование - основной метод обогащения урана в мире. Эта технология обсуждалась в США в рамках Манхэттенского проекта, однако для полномасштабного производства дальнейшее развитие получили такие методы, как газовая диффузия и электромагнитное разделение. Позднее метод центрифугирования был разработан в России группой специалистов под руководством австрийских и немецких ученых, попавших в плен во время второй мировой войны. Со временем руководитель научной группы в России был освобожден. Сначала он привез эту технологию в США, а затем в Европу, где приступил к внедрению этого метода для обогащения промышленного ядерного топлива.

Центрифугирование - это распространенный метод, применяемый в различных целях, например, при отделении плазмы от более тяжелых красных клеток крови. Цикл вращения в стиральной машине работает по аналогичному центрифужному принципу. В процессе обогащения газообразный гексафторид урана подают в быстро вращающиеся цилиндры. Для достижения максимальной степени обогащения на каждой ступени современные центрифуги способны вращаться со скоростью, приближенной к скорости звука. Именно по этой причине управлять процессом центрифугирования крайне сложно, поскольку при высокой степени вращения необходимо, чтобы центрифуга была прочна, практически идеально сбалансирована и готова к эксплуатации в таком виде в течение многих лет без остановки на техническое обслуживание.

Внутри вращающейся центрифуги более тяжелые молекулы, содержащие атомы U-238, преимущественно движутся по направлению к внешней стороне цилиндра, а более легкие молекулы, содержащие U-235, остаются ближе к центральной оси. Затем газ в этом цилиндре начинает циркулировать снизу вверх, продвигая обедненный уран, который находится ближе к внешней стенке, по направлению к верхней части, а газ, обогащенный U-235 - от центра по направлению к нижней части. Затем два потока, один обогащенный, а другой обедненный, можно извлечь из центрифуги и ввести на соседние ступени для формирования каскада, который описан выше, с диффузорами в газодиффузионных установках. Схема подобной центрифуги представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2: Схема профиля газогенераторной центрифуги. Вращающийся цилиндр форсирует более тяжелые атомы U-238 по направлению к внешней части центрифуги, при этом оставляет более легкие атомы U-235 ближе к центру. Поток, который вращается снизу вверх, позволяет разделить обогащенный и обедненный потоки и отправить их через трубки на последующие ступени (Рисунок основан на схеме, любезно предоставленной Европейским ядерным обществом (European Nuclear Society).

Подобно газодиффузионному процессу, обогащение урана с помощью газового центрифугирования требует от тысяч до десятков тысяч стадий, чтобы обогатить большие объемы урана в промышленных или военных целях. Кроме того, подобно газодиффузионным установкам, в центрифужных необходимо использовать специальные материалы для предотвращения коррозии, которую вызывает гексафторид урана и который, вступив в реакцию с влагой, может образовать высококоррозионный газ из фтористоводородной кислоты. Одним из наиболее важных преимуществ газового центрифугирования перед газодиффузионным процессом является то, что при достижении одинаковой степени обогащения на данный процесс уходит в 40-50 раз меньше электроэнергии. Использование центрифуг также помогает сократить объем использованного тепла, которое генерируется при сжатии газа UF₆ , и таким образом уменьшить количество требуемых для этого охладителей, таких как фреон.

Несмотря на большую мощность разделения на каждой стадии по сравнению с газодиффузионным процессом, здесь, как правило, требуется намного меньше урана, который можно пропустить через каждую стадию в центрифуге за определенное время. Обычные современные центрифуги способны достигать примерно от 2 до 4 ЕРР ежегодно. Поэтому для обогащения достаточного объема оружейного ВОУ в год, который можно использовать при создании ядерного оружия, эквивалентного сброшенному на Хиросиму, потребуется от 3000 до 7000 центрифуг. Подобное производство способно потреблять от 580 000 до 816 000 кВ-ч электроэнергии, которую может обеспечить установка мощностью менее 100 киловатт. При создании современных видов оружия эти цифры могут сократиться до 1000-3000 центрифуг и 193 000-340 000 кВ-ч.

Ожидается, что степень обогащения на каждой стадии в современных моделях центрифуг в десять раз превысит ту, что обеспечивают центрифуги, действующие в настоящее время. Это способно еще больше сократить затраты на производство ВОУ. Как сообщают источники, продажа старой модели европейской центрифуги в такие страны, как Ливия, Иран и Северная Корея через сеть, возглавляемую компанией A.Q. Khan, которая раньше руководила программой ядерного оружия в Пакистане, вызывает особое беспокойство с точки зрения ядерного распространения, поскольку центрифуги обладают меньшими габаритами и энергопотреблением в процессе обогащения.

Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов урана (EMIS)

Электромагнитный метод разделения радиоактивных изотопов - это третий тип обогащения урана, который широко применялся в прошлом. Установка по электромагнитному разделению была разработана в рамках Манхэттенского проекта в городе Ок-Ридж, штат Теннеси. Этот метод применяли для обогащения природного урана и последующего обогащения урана, первоначально переработанном на газодиффузионном заводе, который также находился на комбинате в Ок-Ридже. Использование этой установки было приостановлено сразу после войны из-за ее дороговизны и низкой производительности.

Ирак создал эту технологию в 1980-х годах в рамках своей программы по производству ВОУ из-за ее относительной простоты. Однако она производила лишь небольшие объемы среднеобогащенного урана (только выше 20%).

Процесс электромагнитного разделения основан на том, что, двигаясь в магнитном поле, заряженная частица следует по криволинейной траектории, радиус которой зависит от массы частицы. Более тяжелые частицы будут проходить более широкий цикл по сравнению с более легкими частицами при условии, что эти частицы одинаково заряжены и двигаются с одинаковой скоростью.

В процессе обогащения тетрахлорид урана ионизируют в плазму урана, то есть нагревают твердое соединение UCL₄, и образуется газ, который затем облучают электронами для получения свободных атомов урана, которые потеряли электроны и становятся положительно заряженными. Затем ионы урана ускоряют и пропускают через сильное магнитное поле. После прохождения половины цикла, пучок ионизированных атомов урана разделяется на обедненную часть, расположенную ближе к внешней стенке, и на обогащенную U-235 часть, которая расположена ближе к внутренней стенке.

Из-за большого энергопотребления при создании сильного магнитного поля, а также низкого темпа отбора исходного уранового вещества, к тому же более медленного и менее удобного функционирования такой установки, метод электромагнитного разделения неперспективен для обогатительных заводов промышленного масштаба, в особенности, в свете действующих на сегодняшний день высокоразвитых моделей газогенераторных центрифуг.

Форсунка / Аэродинамическая сепарация

Последний процесс обогащения урана, который получил широкое применение, называется аэродинамической сепарацией. Сначала этот способ был разработан в Германии и использован правительством Южной Африки во времена апартеида на заводе, который предположительно возвели для обеспечения низкообогащенным ураном южноафриканские промышленные АЭС, а также для получения небольшого количества высокообогащенного урана с целью обеспечения топливом исследовательского ядерного реактора. На самом деле этот обогатительный завод также поставлял примерно 400 килограммов урана, обогащенного более чем на 80% для военных целей. В начале 1990-х годов президент Южной Африки Фредерик де Клерк объявил о прекращении всей военной ядерной деятельности и уничтожении всех существующих бомб. Эти задачи были выполнены через полтора года - сразу после того, как Южная Африка стала участницей ДНЯО и перед тем, как начали действовать проверки и гарантии Международного агентства по атомной энергии.

Аэродинамическая сепарация изотопов (куда входят форсунка и спиральная волна) достигает обогащения аналогичным образом, как и метод газового центрифугирования, в том смысле, что газ форсируют по криволинейной траектории, которая движет более тяжелые молекулы, содержащие U-238, по направлению к внешней стенке, а более легкие молекулы, содержащие U-235, остаются ближе к внутренней. В форсуночных установках, газ гексафторид урана вытесняется под давлением за счет гелия или водородного газа для увеличения скорости газового потока. Затем это соединение пропускают через множество маленьких трубочек круглого сечения, которые отделяют внутренний обогащенный поток от внешнего обедненного потока.

Форсунка / аэродинамическая сепарация относится к числу менее экономичных из всех применяемых технологий обогащения, особенно с учетом наличия технических сложностей производства разделительных форсунок и большого энергопотребления при сжатии UF₆ и смеси газа-носителя. Как и в газодиффузионных установках, в ходе работы установки по аэродинамической сепарации также происходит генерирование больших объемов тепла, которые в свою очередь требуют большого количества таких как фреон охладителей.

Другие технологии

Существует ряд других способов обогащения урана. Это AVLIS - технология лазерного разделения изотопов в атомарной форме, MLIS - молекулярный метод лазерного разделения изотопов, CRISLA - химическая реакция через избирательную изотопную лазерную активацию, а также химическое и ионное обогащение, которые также были разработаны, однако в основном пока находятся в стадии испытаний или демонстрации и не применялись для обогащения урана в промышленных или военных целях.

Такие процессы, как AVLIS, CRISLA и MLIS используют незначительную разницу в атомных свойствах U-235 и U-238 для того, чтобы с помощью мощных лазеров преимущественно возбуждать или ионизировать один изотоп над другим. В методе AVLIS используют урановый металл в качестве исходного вещества, а также электростатические поля для отделения положительно заряженных ионов U-235 от незаряженных атомов U-238. В технологиях MLIS и CRISLA в качестве исходного вещества применяют гексафторид урана, соединенный с другими технологическими газами, а также используют два различных лазера с тем, чтобы возбудить, а затем химически изменить молекулы гексафторида урана, содержащие U-235, которые затем можно отделить от других молекул, содержащих U-238, не подвергшихся воздействию лазера. Технология AVLIS была разработана Американской корпорацией по обогащению урана для промышленного применения, однако в конце 1990-х годов от нее отказались из-за ее нерентабельности. При этом в других странах также прекратили применять все известные производственные программы с технологиями AVLIS и MLIS. Однако небольшая работа все же идет на предполагаемых исследовательских объектах, где применяют данные технологии по изотопному разделению урана, а также других радионуклидов, включая плутоний.

Существует также метод обогащения, который использует небольшую разницу в химических свойствах изотопов для отделения U-235 от U-238. Это так называемые химический и ионный процессы обогащения, которые были разработаны в рамках программ правительства Франции и Японии. С помощью специальных растворов уран можно разделить на обогащенную часть, которая содержится в одном потоке растворителя, и обедненную часть, содержащуюся в другом потоке растворителя, который не смешивается с первым - так же как масло и вода. Эта технология обогащения была применена в Ираке. На сегодняшний день все известные программы, включающие и этот способ, закрыты, как минимум, с начала 1990-х годов.

Все эти технологии обогащения демонстрировались не очень широко, хотя некоторые из них, такие как AVLIS, ушли значительно дальше в своей разработке, что способно повысить их до уровня применения на производственных объектах. Потенциальное применение подобных альтернативных технологий при обогащении урана в нелегальных программах продолжает вызывать опасения, в особенности, если вопрос рентабельности установки не стоит остро, и она предназначена лишь для получения довольно небольшого количества ВОУ, необходимого для одной - двух бомб в год. Однако на сегодняшний день основной технологией промышленного обогащения урана в перспективе для атомной энергетики и потенциального распространения ядерного оружия остается газовое центрифугирование.