Depleteret uranhexafluorid (andre navne - DUF , uranium tails , eng. DUF6 [1] ) er et biprodukt ved forarbejdning af uranhexafluorid til beriget uran , en af de kemiske former for forarmet uran [2] (op til 73-75 % ), sammen med forarmet dinitrogenoxid -uranoxid [3] (OZOU, op til 25%) og forarmet metallisk uran [4] (op til 2%), er 1,7 gange mindre radioaktivt end uranhexafluorid og naturligt uran [5] .
Begreberne forarmet og beriget uran dukkede op næsten 150 år efter Martin Klaproths opdagelse af uran i 1789 . I 1938 opdagede en række videnskabsmænd: de tyske fysikere Otto Hahn og Fritz Strassmann [6] , og L. Meitner og O. Frisch og sideløbende med dem G. von Droste og Z. Flügge underbyggede teoretisk spaltningen af atomkernen i 235U isotopen [ 7] . Denne opdagelse var begyndelsen på den fredelige og militære brug af intraatomær energi af uran [8] . Et år senere viste Yu. B. Khariton og Ya. B. Zel'dovich teoretisk for første gang, at med en lille berigelse af naturligt uran i 235U-isotopen er det muligt at give processen en kædekarakter, hvilket skaber den nødvendige betingelser for kontinuerlig fission af atomkerner [9] . Princippet om en nuklear kædereaktion indebærer, at mindst én neutron , under henfaldet af et atom i 235U- isotopen , vil blive fanget af et andet 235U-atom og følgelig også forårsage dets henfald. I denne proces spiller sandsynligheden for en sådan "fangst" en vigtig rolle. For at øge denne sandsynlighed er en brøkdel stigning i 235U-isotopen, som kun er 0,72% i naturligt uran, nødvendig, sammen med den primære 238U , som optager henholdsvis 99,27% og 234U - 0,0055%. En lille del af indholdet af 235U-isotopen i naturligt uran nødvendiggjorde, når det blev brugt som et primært fissilt materiale i de fleste områder af nuklear teknologi , berigelse af naturligt uran til denne isotop.
Over tid, i processen med at forbedre nukleare teknologier, blev der identificeret optimale teknologiske og økonomiske løsninger, der kræver en stigning i andelen af 235U, det vil sige uranberigelse [10] og, som et resultat af disse processer, fremkomsten af en tilsvarende mængde forarmet uran med et 235U isotopindhold på mindre end 0,72 %. Graden af 235U-indhold i det udtømte uran, der dannes under berigelsesprocessen, afhænger af formålet med berigelsen [11] .
I midten af 60'erne af forrige århundrede havde USA monopol på levering af uranbrændsel til vestlige atomkraftværker . I 1968 meddelte USSR , at det var parat til at acceptere ordrer om berigelse af uran [12] . Som et resultat begyndte et nyt konkurrencepræget marked at danne sig i verden, nye kommercielle berigelsesvirksomheder ( URENCO og Eurodif) begyndte at dukke op. USSR 's første kontrakt blev underskrevet i 1971 med Commissariat for Atomic Energy of France , hvor atomkraftværker aktivt blev bygget. I 1973 blev der allerede underskrevet omkring 10 langsigtede kontrakter med energiselskaber fra Italien , Tyskland , Storbritannien , Spanien , Sverige , Finland , Belgien og Schweiz [13] . I 1975 besatte USSR 9% af verdensmarkedet for uranberigelse. I slutningen af 1980'erne kom USSR også ind på det amerikanske marked. Samtidig var berigelsestjenester i USSR betydeligt billigere end vestlige (prisen på SWU i 1980'erne var mindst to gange lavere end den europæiske URENCO og Eurodif ($115-190) mod $60-65 i USSR) [14] . Toppen af eksportleverancer af tjenester til berigelse af sovjettiden i 1979-1980 var op til 5 millioner SWU om året [15] , hvilket var op til 1/3 af al sovjetisk uranberigelseskapacitet [16] . Udviklingen af berigelsesmarkedet har ført til, at der i denne periode er ophobet mere end 2 millioner tons DUHF i verden [17] .
Siden begyndelsen af opdagelsen af uran og dets egenskaber har nogle udtryk, såsom Q-metal, depletaloy eller D-38, gennemgået en transformation eller fuldstændig mistet deres relevans [18] , og nye er dukket op i deres sted. Forarmet uranhexafluorid har i modsætning til den engelske terminologi, der har en fælles forståelse (DUF6), på russisk et andet ofte brugt udtryk - "uranhaler". Forarmet uranhexafluorid i et uvidenskabeligt miljø kaldes også forarmet uran (DU), og forarmet uran til gengæld uranhexafluorid ( uran(VI)fluorid ) [19] . Alle disse tre udtryk har betydelige forskelle, ikke kun i isotopsammensætning (i DUHF-versionen, som et produkt af behandling af uran (VI) fluorid), men også i forståelsen af helheden og dens bestanddele. Forarmet uran, som et helhedskoncept, afhængigt af formålet, kan være i flere kemiske former: i form - DUHF, den mest almindelige, med en densitet på 5,09 g / cm³, i form af forarmet lattergas med en densitet på 8,38 g/cm³, i form af forarmet uranmetal med en massefylde på 19,01 g/cm³ [20] .
Hovedartikel: Uranhexafluorid
De vigtigste forskelle mellem uranhexafluorid og DUHF, ud over den isotopiske sammensætning, er forskellen i deres oprindelse og yderligere formål og anvendelse. Uranhexafluorid er et mellemprodukt, der er kunstigt skabt ved fluorering af urantetrafluorid med elementært fluor [21] , i de mængder, der er nødvendige for at opnå beriget uran. DUHF er et restprodukt fra forarbejdning af uranhexafluorid til beriget uran. Efter afslutningen af 235U berigelsesprocessen omdannes det originale uranhexafluorid med en naturlig isotopsammensætning (på grund af det naturlige uranisotopforhold) til to andre forarbejdningsprodukter (med nye forhold på 235U, 238U og 234U isotoper) til berigede uran og ind i DUHF.
På grund af de identiske kemiske egenskaber af forskellige uranisotoper [22] er de kemiske og fysiske egenskaber af stofferne af forarmet uranhexafluorid og uranhexafluorid med den naturlige sammensætning af isotoper, samt beriget uran, identiske, bortset fra graden af radioaktivitet. Forarmet uranhexafluorid, som den primære form for forarmet uran, kan omdannes til andre former for DU med en anden densitet. Under normale forhold er DUHF en gennemsigtig eller lysegrå krystall med en densitet på 5,09 g/cm3. Ved en temperatur under 64,1 °C og et tryk på 1,5 atmosfærer passerer fast DUHF til gasform og omvendt forbi den flydende fase. Kritisk temperatur 230,2 °C, kritisk tryk 4,61 MPa.
Radioaktiviteten af DUHF er fuldstændig bestemt af isotopsammensætningen og forholdet mellem uranisotoper (234U, 235U og 238U), da det naturlige fluor, der indgår i forbindelsen, kun har én stabil isotop 19F. Den specifikke aktivitet af naturligt uranhexafluorid (indeholdende 0,72% 235U) er 1,7× 104 Bq /g og bestemmes af 97% af 238U og 0,234U isotoper.
| Uran isotop | Massefraktion i naturligt uran | Halveringstid , år | Aktivitet af 1 mg ren isotop | Bidrag til aktiviteten af naturligt uran |
| 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 % |
Når uran beriges, stiger indholdet af lette isotoper, 234U og 235U, i det. Og selvom 234U*, trods en meget mindre massefraktion, yder et større bidrag til aktiviteten, er 235U målet for brug i atomindustrien. Derfor er graden af berigelse eller udtømning af uran bestemt af indholdet af 235U. Afhængigt af indholdet af 235U under det naturlige niveau på 0,72%, kan aktiviteten af DUHF være mange gange lavere end aktiviteten af naturligt uranhexafluorid:
| Type uranhexafluorid | Indholdsgrad 235 U | Radioaktivt henfaldshastighed, Bq/g | Aktivitet mod naturligt uranhexafluorid |
| Naturlig
(med naturlig sammensætning uranisotoper) |
0,72 % | 1,7× 104 | 100 % |
| udtømt | 0,45 % | 1,2× 104 | 70 % |
| 0,2 % | 5,3× 103 | 32 % | |
| 0,1 % | 2,7× 103 | 16 % |
* De specifikke aktivitetsværdier inkluderer aktiviteten af 234U, som er koncentreret under berigelse, og inkluderer ikke bidraget fra datterprodukter.
Til atomenergi anvendes lavberiget uran (LEU) med en berigelse på 2-5% (med nogle undtagelser, når det anvendes i en naturlig sammensætning på 0,72%, for eksempel i canadiske kraftreaktorer CANDU ) , i modsætning til våbenkvalitet. højt beriget uran med indholdet af 235U atomer er mere end 20%, og i nogle tilfælde mere end 90%, opnået ved den maksimale berigelse. For at opnå beriget uran anvendes forskellige metoder til isotopadskillelse, hovedsageligt centrifugering og tidligere - den gasformige diffusionsmetode. De fleste af dem arbejder med gasformigt uranhexafluorid ( UF6 ), som igen opnås ved fluorering af tetrafluorid ( UF4 + F2 → UF6) eller uranoxider (UO 2 F2 + 2F2 → UF6 + O2) med elementært fluor, med en stor frigivelse varme i begge tilfælde. Da uranhexafluorid er den eneste uranforbindelse, der går over i en gasform ved en relativt lav temperatur, spiller den en nøglerolle i det nukleare brændselskredsløb som et stof, der er egnet til at adskille 235U og 238U isotoper [24] . Efter at have opnået (ved gasdiffusion eller centrifugeringsmetoder) fra uranhexafluorid med en naturlig isotopsammensætning af beriget uran, bliver den resterende del (ca. 95% af den samlede masse) til forarmet uranhexafluorid (som en af formerne for forarmet uran), som hovedsageligt består af 238U, da indholdet af 235U er meget mindre end 0,72% (afhængigt af berigelsesgraden), og der praktisk talt ikke er 234U. Til dato har verden akkumuleret omkring 2 millioner tons forarmet uran. Dens hoveddel opbevares i form af DUHF i specielle stålbeholdere [25] [26] .
Hvordan forarmet uran håndteres af forskellige lande afhænger af deres nukleare brændselskredsløbsstrategi. IAEA anerkender, at fastlæggelse af politikker er statens prærogativ (klausul VII i den fælles konvention om sikkerhed ved håndtering af brugt brændsel og om sikkerhed ved håndtering af radioaktivt affald [27] ). I betragtning af de teknologiske muligheder og koncepter i det nukleare brændselskredsløb i hvert land, der har separationsfaciliteter, kan DUHF betragtes som en værdifuld råstofressource eller lavaktivt radioaktivt affald. Derfor er der ikke en enkelt juridisk status for DUHF i verden. IAEA-ekspertudtalelsen ISBN 92-64-195254, 2001 [28] og den fælles rapport fra OECD NEA og IAEA Management of Depleted Uranium, 2001 anerkender DUHF som en værdifuld råstofressource [23] .
| Separationsproduktion, land | Akkumuleret DUHF
(tusind tons) |
Årlig vækst
DUHF reserver (tusind tons) |
Opbevaringsform
forarmet uran (DUF, dinitrogenoxid, metal) |
| USEC / DOE (USA) | 700 | tredive | UV 6 |
| Rosatom (Rusland) | 640 | femten | UV 6 |
| EURODIF (Frankrig) | 200 | atten | UF6 , U3O8 _ _ _ |
| BNFL (England) | 44 | 0 | UV 6 |
| URENCO (Tyskland, Holland, England) | 43 | 6 | UV 6 |
| JNFL, PNC (Japan) | 38 | 0,7 | UV 6 |
| CNNC (Kina) | tredive | 1.5 | UV 6 |
| SA NEC (Sydafrika) | 3 | 0 | UV 6 |
| Andet (Sydamerika) | <1,5 | 0 | - |
| i alt | ≈ 1700 | ≈ 70 | UF 6 , (U 3 O 8 ) |
Som et resultat af den kemiske omdannelse af DUHF opnås vandfrit hydrogenfluorid og/eller dets vandige opløsning (flussyre eller flussyre ), som har en vis efterspørgsel på markeder, der ikke er relateret til kerneenergi, og primært i aluminiumsindustrien , i produktion af kølemidler , herbicider , lægemidler , højoktan benzin , plast , etc., samt i genbrug af hydrogenfluorid til fremstilling af uranhexafluorid [30] i processen med at omdanne uraniumoxid (U3O8) til urantetrafluorid ( UF4), før yderligere fluorering til uranhexafluorid UF6 [31] .
Der er flere retninger i verdenspraksis for DUHF-behandling. Nogle af dem er blevet testet i en semi-industriel version, andre har været og bliver drevet i industriel skala, hvilket reducerer reserverne af uranaffald og forsyner den kemiske industri med flussyre og industrielle organofluorprodukter [32] [33] .
| Bearbejdningsmetode | slutprodukter |
| 1. Pyrohydrolyse
UF6 + H2O → UO2F2 + 4 HF _ 3 UO 2 F 2 + 3 H 2 O → U 3 O 8 + 6 HF + ½ O 2 |
Triuranoctoxid og flussyre (20-f 50% HF) |
| 2. Pyrohydrolyse i et fluidiseret leje (på UO 2 granulat ) | Urandioxid (granulær) densitet op til 6 g/cm3 og flussyre (op til 90% HF) |
| 3. Brintgenvinding
UF6 + H2 → UF4 + 2 HF |
Urantetrafluorid og hydrogenfluorid |
| 4. Genvinding gennem organiske forbindelser (CHCI)
UF 6 + CHCI = CCI 2 → UF 4 + CHCIF - CCI 2 F |
Urantetrafluorid, kølemidler , inklusive ozonvenlig (X-122) |
| 5. Genvinding gennem organiske forbindelser (CCI 4 )
UF 6 + CCI 4 → UF 4 + CF 2 CI 2 + CI 2 |
Urantetrafluorid og methan kølemidler |
| 6. Plasma kemisk omdannelse
UF 6 + 3 H - OH → 1/3 U 3 O 8 + 6 HF + 1/6 O 2 |
Triuranoxid (densitet 4,5-4,7 g/cm3) og hydrogenfluorid |
| 7. Strålingskemisk reduktion af UF 6
UF 6 + 2 e → UF 4 + 2 F |
Urantetrafluorid og fluor. |
Afhængigt af strategien for det nukleare brændselskredsløb, teknologiske kapaciteter, internationale konventioner [34] og programmer såsom Sustainable Development Goals (SDGs) [35] , UN Global Compact [36] , forholder hvert land sig individuelt til spørgsmålet om at bruge akkumuleret forarmet uran . Rusland [37] og USA [38] [39] har vedtaget en række langsigtede programmer for sikker opbevaring og behandling af DUHF-lagre indtil deres endelige bortskaffelse [40] .
I henhold til FN's SDG'er har atomenergi en væsentlig rolle at spille, ikke kun med hensyn til at give adgang til overkommelige, pålidelige, bæredygtige og moderne energikilder (mål 7 [41] ), men også i at bidrage til opnåelsen af andre mål, herunder støtte til eliminering af fattigdom , sult og mangel på rent vand, økonomisk vækst og industriinnovation [ 42] [43] . En række lande, såsom Rusland [44] [45] , Frankrig, USA [46] , Kina, repræsenteret af deres førende atomkraftoperatører, har forpligtet sig til at nå bæredygtige udviklingsmål [47] . For at nå disse mål anvendes teknologier både til genanvendelse af brugt brændsel [48] [49] [50] og i behandlingen af akkumuleret DUHF [51] [52] [53] [54] [2] .
Internationale regler for transport af radioaktive materialer har været reguleret af Det Internationale Atomenergiagentur (IAEA) siden 1961 [55] [56] og implementeret i reglerne for Den Internationale Civile Luftfartsorganisation (ICAO), Den Internationale Søfartsorganisation (IMO), regionale transportorganisationer [57] [58 ] [59] .
Forarmet uranhexafluorid transporteres og opbevares under normale forhold i fast form i forseglede metalbeholdere med en vægtykkelse på omkring 1 cm, designet til ekstreme mekaniske og ætsende effekter [30] [60] . For eksempel indeholder de mest almindelige for transport- og opbevaringsbeholdere "Y48" [61] [62] op til 12,5 tons DUHF i fast form. Samtidig læsses og losses DUHF fra disse beholdere på fabrikken i flydende form i specielle autoklaver ved opvarmning [63] .
Hovedartikel: Uranhexafluorid Fare.
På grund af lav radioaktivitet er den største sundhedspåvirkning af DUHF relateret til dets kemiske virkninger på kropsfunktioner. Kemisk påvirkning er den største fare ved de faciliteter, der er forbundet med OS-behandling. Uran og fluorforbindelser såsom hydrogenfluorid (HF) er giftige ved lave niveauer af kemisk eksponering. Når udtømt UF 6 kommer i kontakt med atmosfærisk fugt, reagerer det og danner HF og gasformigt uranylfluorid. Uran er et tungmetal, der kan være giftigt for nyrerne, hvis det indtages. HF er en ætsende syre, der kan være meget farlig, hvis den indåndes; det er den største fare i sådanne industrier [64] .
I mange lande er erhvervsmæssige eksponeringsgrænser for opløselige uranforbindelser forbundet med en maksimal koncentration på 3 µg uran pr. gram nyrevæv. Enhver påvirkning af nyrerne inden for disse retningslinjer betragtes som mindre og forbigående. Den nuværende praksis, der bygger på disse restriktioner, giver tilstrækkelig beskyttelse for arbejdere i uranindustrien. For at sikre, at denne koncentration i nyrerne ikke overskrides, begrænser lovgivningen langtidskoncentrationer (8 timer) af opløseligt uran i luften på arbejdspladsen til 0,2 mg pr. kubikmeter og kortvarig (15 minutter) til 0,6 mg pr. kubikmeter [5 ] .
I august 1984 sank Mont-Louis i Den Engelske Kanal (ved indsejlingen til Nordsøen ) med 30 fulde og 22 tomme containere med DUHF om bord. Der blev fundet 30 beholdere af 48-Y med uranhexafluorid og 16 af de 22 tomme beholdere af 30-B. Undersøgelse af 30 beholdere afslørede i et tilfælde en lille utæthed i afspærringsventilen. Der blev udtaget 217 prøver, underkastet 752 forskellige analyser, og 146 dosisniveauer blev målt på selve beholderne. Der var ingen tegn på lækage af hverken radioaktivt (naturligt uran eller genanvendeligt uran) eller fysisk-kemiske stoffer (fluor eller flussyre [65] [66] ). Ifølge materialerne fra Washingtonpost er denne hændelse ikke farlig, da det uran, der transporteres, er i sin naturlige tilstand med et isotopindhold på 235U på 0,72% eller mindre. Noget af det blev beriget op til 0,9 % [67] .