Технология SILEX: плюсы и минусы

Как ни странно, уран в том виде, в каком он встречается в природе, практически ни на что не пригоден. Во всяком случае, чтобы использовать уран в качестве ядерного топлива в атомных электростанциях, не говоря уже о применения в атомной бомбе, его нужно подвергнуть так называемому обогащению.

Дело в том, что в природе встречаются три изотопа урана с атомными массами 234, 235 и 238. Доля урана-234 столь ничтожна, что о нем и говорить не стоит, уран-235 составляет около 0,7 процента общей массы природного урана, а все остальное - то есть более 99 процентов - это уран-238. Хотя все три изотопа радиоактивны, к самостоятельной цепной ядерной реакции на тепловых нейтронах способен только уран-235, а ведь именно на этом свойстве основано применение урана в атомной промышленности. Что, собственно, и создает серьезную проблему, говорит профессор Вольфганг Занднер (Wolfgang Sandner), президент Немецкого физического общества: "Для того, чтобы использовать уран, эта доля в 0,7 процента должна быть повышена, как минимум, до 5 процентов".

Газовая диффузия и газовое центрифугирование - устаревшие технологии

Процесс увеличения доли изотопа уран-235 в общей массе урана и называется его обогащением. Вообще разделение изотопов любого элемента, не только урана, - задача очень сложная, поскольку изотопы чрезвычайно близки по своим физическим и химическим свойствам. Различия в их поведении столь малы, что один цикл разделения способен обогатить вещество лишь на сотые или даже тысячные доли процента. Это вынуждает создавать гигантские каскадные системы, чтобы повторять эти циклы снова и снова огромное количество раз.

Вообще для разделения изотопов используются разные методы числом до полудюжины, но применительно к урану до сих пор широкое распространение получили лишь две промышленные технологии - газовая диффузия и газовое центрифугирование. Сырьем для обоих методов служит гексафторид урана UF6 в газообразном состоянии.

Метод газовой диффузии основан на различии в скорости перемещения атомов более легкого и более тяжелого изотопов урана по тончайшим капиллярным трубочкам специальных пористых мембран. Степень разделения изотопов на каждой ступени процесса крайне мала, что требует десятков тысяч ступеней обогащения. Газодиффузионные обогатительные предприятия - это гигантские промышленные сооружения, занимающие огромные площади и потребляющие огромное количество энергии.

Метод газового центрифугирования использует для разделения изотопов урана центробежную силу, возникающую при быстром вращении. Сильно упрощая, можно сказать, что такая центрифуга - это что-то вроде барабана стиральной машины, установленного вертикально и работающего в режиме отжима. Хотя центрифуги разделяют изотопы несколько эффективнее, чем пористые мембраны, для достижения приемлемой степени обогащения урана требуются каскады из многих тысяч центрифуг. То есть и такие промышленные установки представляют собой сооружения весьма внушительных размеров, потребляющие внушительное количество энергии.

Преимущества новой технологии SILEX - они же и ее недостатки

Конечно, с технической и экономической точек зрения высокая энергоемкость и циклопические размеры установок по обогащению урана - это недостатки, но с точки зрения глобальной безопасности - преимущества, поскольку не позволяют террористам и государствам-изгоям строить атомную бомбу втайне от МАГАТЭ и всего человечества.

Но теперь ситуация грозит резко измениться к худшему. Недаром на прошедшей в Берлине весенней сессии Немецкого физического общества внимание шесть тысяч экспертов было уделено не столько последним достижениям в области нанотехнологий, сверхпроводимости или физики полупроводников, сколько новому методу обогащения урана. Он именуется SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation, то есть Разделение изотопов путем лазерного возбуждения) и основан на том, что атомы разных изотопов урана по-разному реагируют на лазерное излучение строго определенной частоты.

Метод был предложен и запатентован австралийскими инженерами некоторое время назад, но реализовать его на практике мешал ряд технических трудностей, преодолеть которые удалось лишь недавно. Специалисты компаний General Electric и Hitachi разработали для этого инновационный лазер, говорит профессор Занднер: "Хитрость в том, что удалось построить лазеры, способные генерировать высокоэнергетическое излучение определенной длины волны. Это инфракрасные лазеры - вообще-то их построить очень непросто, но в данном случае цели удалось достичь за счет преобразования частоты излучения обычного лазера".

Хотя многие детали новой технологии пока засекречены, кое-что известно уже сегодня. Профессор Занднер поясняет: "По словам экспертов, новая система потребляет значительно меньше энергии и занимает гораздо меньше места. Считается, что вся установка будет в 5-10 раз компактнее, чем такое же по производительности предприятие по разделению изотопов урана методом газового центрифугирования".

Задача ученых - предостеречь политиков и общественность

Иными словами, производство обогащенного урана будет впредь обходиться намного дешевле. Это-то и беспокоит многих экспертов, включая и президента Немецкого физического общества: "Опасность в том, что из-за малых размеров таких установок и их высокой энергоэффективности обнаружить там какие бы то ни было нарушения или злоупотребления будет гораздо сложнее, чем на газодиффузионных системах или на каскадах центрифуг. Риск использования установок не по назначению - будь то экстремистскими государственными режимами или преступными группировками - резко возрастает".

Мало того, что, скажем, тому же Ирану укрыть от камер разведывательных спутников небольшое предприятие будет гораздо легче, чем нынешние огромные цеха с тысячами центрифуг. Проще будет и незаметно построить такую установку, потому что ее компоненты находят широкое применение и во многих других отраслях промышленности - например, в автомобилестроении, - а значит, их закупка на мировом рынке едва ли бросится в глаза.

Это серьезная проблема, и решать ее надо срочно: строительство первой пилотной установки на основе технологии SILEX начнется в городе Уилмингтон, штат Северная Каролина, уже нынешним летом. Профессор Занднер говорит: "Здесь следует воспользоваться инструментами по контролю над вооружениями и контролю над экспортом. Следует решить, какие компоненты технологии SILEX являются ключевыми, и очень внимательно отслеживать соответствующие товаропотоки. Хотя реализовать на практике такой мониторинг очень непросто, это не повод прятать голову в песок. Мы должны сделать все возможное, чтобы такой контроль был, и чтобы он был эффективным".

Впрочем, это задача политиков, добавляет ученый. А задача физиков состоит в том, чтобы указать им и общественности на угрозы, связанные с новой технологией обогащения урана.