Лазерное разделение изотопов в атомной энергетике

Применение лазерного разделения изотопов

Отметим ряд исследований, демонстрирующих возможности технологии лазерного разделения изотопов для получения: изотопа гадолиния Gd, применяемого в качестве выгораемой присадки в легководородных реакторах; изотопа бора ¹⁰В, для нужд ядерной энергетики и микроэлектроники; очищенного от изотопа ⁹²Zr циркония, с целью улучшения эксплуатационных и конструктивных характеристик ядерных реакторов; изотопа неодима Nd, для детекторов нейтрино; изотопически чистого кремния Si для микроэлектроники; изотопически чистых кристаллов и нитей (изотопы ⁴⁰Са) в экспериментах по квантовым компьютерам; углерода ¹³С, эрбия Er и иттербия ⁶⁸Yb для медицинских целей.

Экономические проблемы

Типичный реактор на лёгкой воде вырабатывает 10⁹ Вт энергии. Это требует переработки 600 тонн руды U₃O₈ для первой заправки и затем 200 тонн ежегодно для дозаправки. Топливо обогащается до содержания в 3 % ²³⁵U при естественном содержании 0,75 %. После обогащения остаётся обеднённый UF₆ с содержанием ²³⁵U в 0,2–0,3 %.

В промышленности развиты два типа обогащения: газодиффузионное и газоцентрифуговое. Газовая диффузия требует затрат 5 МэВ на атом ²³⁵U, технология центрифугового разделения — 0,3 МэВ на атом. Стоимость разделения составляет 5 млн долларов на 1 тонну ²³⁵U. Оценим энергетические затраты лазерного метода. Для разделения 1 атома требуется порядка 10 эВ, что с учётом КПД лазеров, затрат на химическую обработку и содержания ²³⁵U в природной руде даёт значение около 1 кэВ на атом. При этом очень высокая селективность, присущая лазерному методу позволила бы сократить потребности в новой руде на 40 %.

Второй путь — использование природного урана в реакторах с тяжёлой водой. В этом случае возникает не менее сложная задача получения тяжёлой воды, так как природное содержание дейтерия составляет 1 атом на 5000 атомов водорода.