Наглядный пример обогащения урана.
На прошлой неделе Израиль нанёс удары по трем ключевым ядерным объектам Ирана — Натанзу, Исфахану и Фордау, в результате чего погибли несколько иранских ядерных учёных. Эти объекты находятся под серьёзной охраной и в значительной степени расположены под землёй, и поступают противоречивые сообщения о том, какой ущерб был нанесён.
Натанз и Фордоу являются заводами по обогащению урана, а Исфахан обеспечивает их сырьевыми материалами, поэтому любые повреждения этих объектов ограничивают возможности Ирана в производстве ядерного оружия.
Но что же такое обогащение урана и почему оно вызывает опасения?
Чтобы понять, что значит "обогащать" уран, необходимо немного разобраться в изотопах урана и процессе деления атомов в реакции ядерного деления.
Все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Количество протонов определяет химические свойства атомов, различая химические элементы.
Атомы имеют одинаковое количество протонов и электронов. Например, у урана 92 протоны, тогда как у углерода — шесть. Однако у одного и того же элемента могут быть разные количества нейтронов, что формирует версии элемента, называемые изотопами.
Это не имеет большого значения для химических реакций, но ядерные реакции могут различаться значительно.
Разница между ураном-238 и ураном-235
Когда мы добываем уран из земли, 99,27% из него составляет уран-238, имеющий 92 протона и 146 нейтронов. Лишь 0,72% составляет уран-235 с 92 протонами и 143 нейтронами (остальные 0,01% — другие изотопы).
Для ядерных реакторов или оружия необходимо изменить пропорции изотопов. Это связано с тем, что только уран-235 может поддерживать цепную реакцию деления: один нейтрон вызывает деление атома, что производит энергию и несколько дополнительных нейтронов, вызывая дальнейшие деления, и так далее.
Это цепное деление высвобождает колоссальное количество энергии. В ядерном оружии целью является достижение этой цепной реакции за доли секунды, что приводит к ядерному взрыву.
В гражданских ядерных энергетических установках цепная реакция контролируется. Ядерные электростанции в настоящее время производят 9% мирового энергопотребления. Другим важным гражданским использованием ядерных реакций является производство изотопов, используемых в ядерной медицине для диагностики и лечения различных заболеваний.
Что же такое обогащение урана?
Обогащение урана означает извлечение природного элемента и увеличение доли урана-235 при удалении урана-238.
Существует несколько способов осуществления этого процесса (включая новые изобретения из Австралии), но в коммерческих целях обогащение в настоящее время выполняется с помощью центрифуг. Это как раз то, что происходит на иранских объектах.
Центрифуги используют тот факт, что уран-238 примерно на 1% тяжелее урана-235. Они берут уран (в газообразной форме) и используют роторы для вращения со скоростью 50,000 до 70,000 оборотов в минуту, при этом внешние стенки центрифуг движутся со скоростью 400-500 метров в секунду.
Это работает подобно соковыжималке для салата, которая откидывает воду к краям, в то время как листья салата остаются в центре. Более тяжелый уран-238 перемещается к краям центрифуги, оставляя уран-235 посередине.
Такой процесс недостаточно эффективен, поэтому вращение выполняется многократно, накапливая процент урана-235.
Большинство гражданских ядерных реакторов используют "слабообогащенный уран", который был обогащён до уровня от 3% до 5%. Это означает, что 3–5% общего объема урана в образце теперь составляет уран-235. Этого достаточно для поддержания цепной реакции и генерации электроэнергии.
Каков уровень обогащения, необходимый для ядерного оружия?
Для того чтобы получить взрывчатую цепную реакцию, уран-235 необходимо значительно более концентрировать, чем это требуется в ядерных реакторах для производства электроэнергии или медицинских препаратов.
Технически ядерное оружие можно создать с использованием всего лишь 20% урана-235 (известного как "высокообогащённый уран"), но чем больше будет обогащение урана, тем меньше и легче может быть оружие. Страны, обладающие ядерным оружием, обычно используют уран с обогащением около 90% — "военного" класса.
Согласно данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), Иран обогатил большие объёмы урана до 60%. На самом деле перейти от обогащения 60% к 90% проще, чем достичь начального уровня в 60%. Это связано с тем, что урана-238 остается всё меньше, который необходимо удалить.
Именно поэтому Иран считается находящимся на крайнем риске производства ядерного оружия, и почему технологии центрифуг для обогащения держатся в секрете.
В конечном счете, именно те самые технологии центрифуг, которые производят топливо для гражданских реакторов, могут быть использованы для создания ядерного оружия.
Инспекторы МАГАТЭ следят за ядерными объектами по всему миру, чтобы убедиться, что страны соблюдают правила, установленные в глобальном договоре о нераспространении ядерного оружия. Пока Иран утверждает, что обогащает уран только для "мирных целей", на прошлой неделе Совет МАГАТЭ постановил, что Иран нарушает свои обязательства по этому договору.
