Возможно ли обогатить уран в домашних (лабораторных) условиях?


Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый уран. . В природном уране содержится три изотопа урана: 238U (массовая доля 99,2745 %), 235U (доля 0,72 %) и 234U (доля 0,0055 %).
Изотоп 238U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого 235U. В настоящее время 235U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана. . Цепная ядерная реакция подразумевает, что хотя бы один нейтрон из образованных распадом атома урана будет захвачен другим атомом и, соответственно, вызовет его распад. В первом приближении это означает, что нейтрон должен «наткнуться» на атом 235U раньше, чем покинет пределы реактора. Значит, конструкция с ураном должна быть достаточно компактной, чтобы вероятность найти следующий атом урана для нейтрона была достаточно высока.
Но по мере работы реактора 235U постепенно выгорает, что уменьшает вероятность встречи нейтрона и атома 235U, что вынуждает закладывать в реакторах определённый запас этой вероятности. Соответственно, низкая доля 235U в ядерном топливе вызывает необходимость в: . В процессе совершенствования ядерных технологий были найдены экономически и технологически оптимальные решения, требующие повышения содержания 235U в топливе, то есть обогащения урана. . В ядерном оружии задача обогащения практически такая же: требуется, чтобы за предельно короткое время ядерного взрыва максимальное число атомов 235U нашли свой нейтрон, распались и выделили энергию. Для этого нужна предельно возможная объёмная плотность атомов 235U, достижимая при предельном обогащении. .

Природный уран с содержанием 235U 0,72 % находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1). . Уран с содержанием 235U до 20 % называют низкообогащённым (англ. Low enriched uranium, LEU). Уран с обогащением 2-5 % в настоящее время широко используется в энергетических реакторах по всему миру. Уран с обогащением до 20 % используется в исследовательских и экспериментальных реакторах. . Уран с содержанием 235U свыше 20 % называют высокообогащённым (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным.
На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90 %. Высокообогащённый уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (то есть с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах. . В отвалах обогатительных производств остаётся обеднённый уран с содержанием 235U 0,1-0,3 %. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обеднённого урана. В будущем предполагается использование обеднённого урана в реакторах на быстрых нейтронах, где не поддерживающий цепную реакцию Уран-238 может трансмутировать в Плутоний-239, поддерживающий цепную реакцию.
Полученное MOX-топливо может быть использовано в традиционных энергетических реакторах на тепловых нейтронах. . Известно много методов разделения изотопов[1]. Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге, то тяжёлые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем лёгкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы.
В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжёлые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с лёгким изотопом урана более подвижны чем тяжёлые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6.