Почему так мало ядерных держав⁠⁠

Часто вижу обсуждение ядерного оружия, ядерных держав, центрифуги какие-то и мне стало интересно чуть более в это вникнуть.

Итак, ЯО, обогащение Ирана урана и почему не все страны себе могут это позволить...

Есть разные степени обогащения. От 2 - 5% — энергетика. До 20% исследовательские и экспериментальных реакторах. От 20% до 90% — высокообогащённый уран. Он используется в: ядерных энергетических установки на подводных лодках и авианосцах (некоторые военные ядерные реакторы используют топливо с обогащением до 90%. Более высокое обогащение позволяет дольше не менять топливо и сделать реактор более компактным), в исследованиях и для производства бабах. U-235 — это изотоп, способный к цепной реакции. Чтобы взрыв был быстрым и мощным (а не просто нагревом, как в реакторе), нужно достичь критической массы и высокой плотности U-235. При меньшем обогащении реакция либо не пойдёт, либо будет недостаточно быстрой и сильной для взрыва.

Обогащение — это процесс увеличения концентрации U-235 в конечном продукте. Главная сложность в том, что U-235 и U-238 химически одинаковы, но чуть-чуть различаются по массе (разница в 3 нейтрона). Отделяют их друг от друга с помощью центрифуг.

Газовые центрифуги. Уран переводят в газовую форму. Который затем крутят в тысячах центрифуг, на огромных скоростях. За счёт разницы массы U-238 и U-235 происходит частичное разделение. Потом материал перекачивают в следующую каскадную ступень. Чтобы получить оружейный уран, нужно пройти сотни или тысячи ступеней. Слышал, кто-то так самогонку перегонял для повышения градуса. Вот тут тоже самое.

Раньше при слове центрифуга я представлял себе барабан от стиральной машинки. Ну и цену соответствующую... Однако для урана центрифуги стоят от 30 тысяч баксов за старые модели до 200 000+ за новые. Отличаются скоростью выполения работы тут уж как вам угодно. Новое оборудование (и соответственно более дорогое) производительнее устаревшего в 5 и более раз. В реальности работают каскады — сложные цепочки по 100–200 штук, последовательно и параллельно. Просто поставить 1000 в один ряд — не получится.

По итогу, технологическая сложность является одной из причин, почему не все страны влядеют ядерными технологиями. Центрифуги требуют сверхточной инженерии, устойчивости к перегрузкам, точного баланса, спецматериалов (например, роторы из углепластика или бериллия).

Да и мало это — 1000 штук. 1 бомба в год, ну что это такое? А ещё наука, энергетика... десятки тысяч таких аппаратов должны быть на одном заводе. Дорого, короче. Очень.

Насколько сложно обогатить уран?

Обогащение урана — это не линейный процесс. Чем выше концентрация U-235, тем легче её повысить ещё сильнее. Есть такое понятие SWU (Separative Work Unit) или ЕРР — единица работы разделения, если человеческим языком. Это главный способ оценки трудоёмкости обогащения. Чтобы получить 1 кг урана 3,5% до 60% — требуется ≈75 SWU. С 60% до 90% — требуется всего ≈15–20 SWU. То есть сделать 60% уран из природного — это 80% работы. А добить до 90% — последние 20%. Вот почему, когда Иран начал обогащать уран до 60%, все напряглись: технически до оружейного уровня оставалось. А у них они вроде как были. Есть у этой единицы и своя цена.

Стоимость 1 SWU на международном рынке колеблется от 80 долларов до 200, в зависимости от кризисов в мире, политики и дружеских отношений с некоторыми странами. Потому можно примерно прикинуть стоимость конечного продукта на выходе.

Минутка гордости за Россию. РФ унаследовала от СССР огромную ядерную инфраструктуру, которую с тех пор не просто сохранила, но и технологически обновила. Точное число центрифуг засекречено, но по оценкам (WNA, IAEA, NTI) — более 1 миллиона центрифуг по всей стране. Это больше, чем у всех остальных стран вместе взятых.

Центрифуги России — сверхэффективные, производят до 10 SWU/год каждая, при минимальном энергопотреблении. Годовая мощность оценивается в 30–35 млн SWU/год. Для сравнения: США (+Европа) ~ 5 млн SWU/год, Китай ~12 млн SWU/год, Франция ~7,5 млн SWU/год

Россия — абсолютный мировой лидер по обогащению урана, поставляет его в десятки стран, включая Францию, Венгрию, даже США (по контрактам для реакторов). И при всём при этом полный цикл от добычи до производства АЭС и ЯО. Кроме того производство работает с большим запасом мощностей и способно в разы увеличить темп выпуска обогащенного урана...

Сколько стоит боеголовка?

Типичная бомба типа «Малыш» (которой Хиросиму бомбили) использовала около 64 кг урана, из которых ~50 кг было U-235, но современные боеголовки гораздо эффективнее. Принято считать, что от 15 до 25 кг высокообогащённого U-235 (90%) достаточно. Возьмём 25 кг оружейного урана на одну боеголовку.

Чтобы получить 25 кг урана с 90% U-235, понадобится примерно от 3 до 6 тонн природного урана (не нашёл точного количества, в разных источниках — разный объём) и около 2500–3000 SWU усилий по обогащению. Это примерно $600 000 — 770 000 только себестоимость, без доставки и систем запуска. И без учёта того, что тебя могут бомбить ещё на стадии закупки центрифуг. (вроде как в РФ себестоимость сильно ниже из-за доступности сырья, массовости производства и хороших технологий)

Но если инфраструктуры нет, то затраты на: строительство завода, закупку центрифуг, обучение персонала, защита от разведки и саботажа, логистика и всё остальное, о чём я могу только догадываться. Это миллиарды долларов, прежде чем будет получена первая боеголовка. Мне тут нейронка подсказывает, что инфраструктура по созданию ЯО будет стоить 7 — 10 миллиардов баксов, хотя, думаю, занижает. С нуля это всё делать... Казахам прайс за АЭС выставили в 10-15 млрд баксов, а тут другие масштабы... Если у кого есть другие данные, пишите в комментах)

Контроль и санкции.

Обогащение урана — это двойные технологии: то, что планировалось для науки, энергетики или медецины вполне может стать ступенькой на пути к ядерному оружию. Из-за этого большинство компонентов, технологий и знаний под контролем МАГАТЭ, США, ЕС. Которые вполне могут (и накладывают) санкции. Чем выше ступень обогащения, тем пристальнее приглядываются к тебе монополисты Атома. А ещё саботаж и кибератаки (например вирус Stuxnet против Ирана)

Короче, всё это совокупно и делает количество ядерных держав таким незначительным. Всё это и ещё одна незначительная деталь. ДНЯО — Договор о нераспространении ядерного оружия

Все признанные ядерные державы по ДНЯО (США, СССР, Британия, Франция, Китай) — испытали ядерное оружие до принятия договора в 1968 году. Остальные (Индия, Пакистан, Израиль и вышедший в 2003 из ДНЯО КНДР) — нарушители режима ДНЯО или вообще не подписывали его.

Есть мировой контролёр МАГАТЭ. Который внезапно проверяет страны на предмет развития ядерных программ. И если какая-то страна начинает на этом поприще достигать значительных открытий/скачков/рывков, то её бомбит Израиль и США подвергают атакам вирусов Stuxnet, карают санкциями... Обогащение, переработка топлива, тяжеловодные реакторы, — всё это можно использовать и для энергетики, и для ЯО. Поэтому любой интерес к таким технологиям вызывает международную истерию

Даже строительство АЭС происходит только по "лицензии", чего уж там о ЯО говорить... Практически все новые атомные электростанции в мире строятся: Россией (Росатом), Францией (EDF, Framatome), США и союзниками (Westinghouse) и Китаем (CGN, CNNC). Это гарантирует контроль над топливом, отгрузками, утилизацией и возможностью отключить поставки в случае угрозы.

Вэнс отметил, что США удалось отсрочить создание ядерного оружия в Иране
Ядерный клуб: кто входит, сколько боеголовок
Что известно об атомных проектах России за рубежом
NYT назвала точное время удара США по ядерным объектам Ирана — РБК
Новейшие центрифуги для обогащения урана запущены на Уральском электрохимическом комбинате - ТАСС
Иран обвинил США в кибератаке на ядерные объекты: Мир: Lenta.ru