Обогащение¶

план Мультиблок «Каскад газовых центрифуг» в разработке. Физика ниже — реальная, по ней будет сбалансирован каскад.

Зачем обогащать¶

В природном уране 0,711 % делящегося изотопа U-235, остальное — U-238. Реакторам нужно больше:

Продукт	Обогащение	Для чего
Природный UF₆	0,711 %	сырьё
UF₆	2 %	ТВС РБМК
UF₆	4,4 %	ТВС ВВЭР
UF₆	20 % (HALEU)	ядерный ракетный двигатель
Обеднённый UF₆	0,1–0,35 %	хвосты → MOX для БН

Как работает центрифуга¶

UF₆ — газ. В быстро вращающемся роторе тяжёлые молекулы с U-238 отжимаются к стенке, лёгкие с U-235 собираются у оси. Одна центрифуга разделяет совсем немного — коэффициент разделения α ≈ 1,2–1,5. Поэтому центрифуги соединяют в каскад:

flowchart LR
  F[Сырьё 0,711 %] --> S0
  subgraph Обеднение
    S0[Ступень 0] --> S_1[Ступень −1] --> S_2[Ступень −2]
  end
  subgraph Обогащение
    S1[Ступень 1] --> S2[Ступень 2] --> S3[Ступень 3]
  end
  S0 -->|обогащённая фракция| S1
  S3 --> P[Продукт 4,4 %]
  S_2 --> W[Хвосты 0,25 %]

Обогащённая фракция каждой ступени идёт вверх, обеднённая — вниз.
Ступени выше точки подачи — обогатительная часть, ниже — обеднительная.
Чем выше нужное обогащение, тем больше ступеней.

Материальный баланс¶

Уран никуда не девается: всё, что вошло, выходит продуктом или хвостами.

F = P · (x_p − x_w) / (x_f − x_w) · W = F − P

где F — сырьё, P — продукт, W — хвосты, x — доли U-235.

Пример: 1 единица UF₆ 4,4 % при хвостах 0,2 % требует 8,2 единицы природного UF₆, а 7,2 уходят в хвосты. Отсюда «около 8 к 1».

Работа разделения (ЕРР)¶

Сколько «труда» центрифуг нужно, измеряют в единицах работы разделения (ЕРР, SWU):

ЕРР = P·V(x_p) + W·V(x_w) − F·V(x_f), V(x) = (2x − 1)·ln(x / (1 − x))

Каждая центрифуга выдаёт фиксированное число ЕРР в единицу времени. Значит, число центрифуг ∝ ЕРР.

Компромисс по хвостам¶

Хвосты	Сырья на 1 ед. 4,4 %	ЕРР
0,15 %	7,6	8,5
0,20 %	8,2	7,5
0,25 %	9,0	6,7
0,30 %	10,0	6,0

Мало урана, много центрифуг — гоните хвосты ниже.
Урана много, центрифуг мало — оставляйте хвосты богаче.
Хвосты не мусор: обеднённый уран — основа MOX-топлива для БН.

Калькулятор каскада

Каскад в сборке¶

Собирается из блоков Isotopic Centrifuge как мультиблок MMR.
Обогащение выбирается рецептом: 2 %, 4,4 % или 20 %. Более высокое — только из предыдущего.
Вместо модуля умножения каскад принимает модуль разделения: он уменьшает долю хвостов, то есть экономит сырьё.
Прямой рецепт Mekanism «UF₆ → делящееся топливо в изотопной центрифуге» убран — обогащать можно только каскадом.