7 načina obogaćivanja uranijuma

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-15 08:10

Uran se koristi kao izvor energije u nuklearnim reaktorima i korišten je za izradu prve atomske bombe koja je bačena na Hirošimu 1945. Uran se vadi kao ruda koja se naziva smola i sastoji se od nekoliko izotopa atomske težine i nekoliko različitih nivoa radioaktivnosti. Za upotrebu u reakcijama fisije, broj izotopa ²³⁵U se mora povećati na nivo koji je spreman za fisiju u reaktoru ili bombi. Ovaj proces naziva se obogaćivanje urana i postoji nekoliko načina za to.

Korak

Metoda 1 od 7: Osnovni proces obogaćivanja

Korak 1. Odlučite za šta će se koristiti uranij

Većina iskopanog urana sadrži samo oko 0,7 posto ²³⁵U, pri čemu je većina ostatka izotop ²³⁸stabilniji U. Vrsta reakcije fisije koju želite izvršiti s uranom određuje koliko će se povećati ²³⁵Morate učiniti tako da se uran može učinkovito koristiti.

• Uran koji se koristi u većini nuklearnih motora mora biti obogaćen na 3-5 posto ²³⁵U. (Neki nuklearni reaktori, poput reaktora CANDU u Kanadi i reaktora Magnox u Velikoj Britaniji, dizajnirani su za upotrebu neobogaćenog urana.)
• Nasuprot tome, uran, koji se koristi za atomske bombe i bojeve glave, treba obogatiti na 90 posto ²³⁵U.

Korak 2. Pretvorite uranovu rudu u gas

Većina trenutno dostupnih metoda obogaćivanja urana zahtijeva pretvaranje uranove rude u plin niske temperature. Plin fluor se obično pumpa u mašinu za konverziju rude; plin uranij -oksida reagira s fluorom pri čemu nastaje uranij -heksafluorid (UF₆). Plin se zatim obrađuje kako bi se odvojili i sakupili izotopi ²³⁵U.

Korak 3. Obogatite uranij

Kasniji dijelovi ovog članka opisuju različite procese dostupne za obogaćivanje urana. Od svih procesa, dva su najčešća difuzija i centrifugiranje plina, ali se očekuje da će lasersko razdvajanje izotopa zamijeniti ta dva.

Korak 4. Zamenite UF gas₆ do uranijevog dioksida (UO₂).

Nakon obogaćivanja, uran treba pretvoriti u stabilnu čvrstu formu za upotrebu po želji.

Uranov dioksid koji se koristi kao gorivo za nuklearne reaktore pretvara se u zrna keramičke jezgre koja su omotana u metalne cijevi tako da postaju šipke visoke do 4 m

Metoda 2 od 7: Proces difuzije gasa

Korak 1. Pumpajte UF gas₆ kroz cev.

Korak 2. Pumpajte gas kroz filter ili poroznu membranu

Zbog izotopa ²³⁵U je lakši od izotopa ²³⁸U, UF₆ lakši izotopi će se difundirati kroz membranu brže od težih izotopa.

Korak 3. Ponavljajte postupak difuzije dok ne bude dovoljno ²³⁵U prikupljeno.

Ponovljena difuzija naziva se slojevita. Može proći čak 1.400 filtracija kroz poroznu membranu da se dobije dovoljno ²³⁵U za dobro obogaćivanje uranijuma.

Korak 4. Kondenzacija gasa UF gasa₆ u tečni oblik.

Nakon što je gas dovoljno obogaćen, gas se kondenzuje u tečnost, a zatim skladišti u kontejneru, gde se hladi i učvršćuje da bi se transportovao i pretvorio u zrna goriva.

Zbog velike količine filtriranja, ovaj proces je energetski intenzivan pa se zaustavlja. U Sjedinjenim Državama ostaje samo jedno postrojenje za obogaćivanje difuzijom plina, koje se nalazi u Paducahu, Kentucky

Metoda 3 od 7: Proces centrifugiranja plinom

Korak 1. Instalirajte brojne rotirajuće cilindre velike brzine

Ovaj cilindar je centrifuga. Centrifuga se instalira serijski ili paralelno.

Korak 2. Ulijte gas UF₆ u spinner.

Centrifuga koristi centripetalno ubrzanje za isporuku plina koji sadrži ²³⁸teži U do stijenke cilindra i sadrži plin ²³⁵upaljač U do središta cilindra.

Korak 3. Izdvojite odvojene plinove

Korak 4. Ponovno obradite dva odvojena plina u dvije odvojene centrifuge

Bogat gas ²³⁵U je poslan u centrifugu ²³⁵U se još više ekstrahira, dok plin koji sadrži ²³⁵Smanjeni U se dovodi u drugu centrifugu radi ekstrakcije ²³⁵Preostali U. To omogućava centrifugiranju da izvuče mnogo više ²³⁵U se može ekstrahirati procesom difuzije plina.

Proces plinske centrifuge prvi je put razvijen 1940 -ih, ali nije stavljen u značajnu upotrebu tek 1960 -ih, kada je njegova sposobnost izvođenja procesa obogaćivanja urana s manjom energijom postala važna. Trenutno se postrojenje za proces centrifugiranja plinom u Sjedinjenim Državama nalazi u Euniceu u Novom Meksiku. Nasuprot tome, Rusija trenutno ima četiri tvornice ovog tipa, Japan i Kina imaju po dvije, dok Ujedinjeno Kraljevstvo, Nizozemska i Njemačka imaju po jednu

Metoda 4 od 7: Proces aerodinamičkog odvajanja

Korak 1. Napravite niz uskih, nepomičnih cilindara

Korak 2. Ubrizgajte UF gas₆ u cilindar velikom brzinom.

Plin se ispušta u cilindar na način koji uzrokuje rotiranje plina poput ciklona, stvarajući tako jednu vrstu odvajanja ²³⁵U i ²³⁸isti U kao u procesu rotacione centrifuge.

Jedna metoda razvijena u Južnoj Africi je ubrizgavanje gasa u boce jedan pored drugog. Ova metoda se trenutno testira s lakšim izotopima poput onih koji se nalaze u silicijumu

Metoda 5 od 7: Proces toplinske difuzije tekućine

Korak 1. Ukapnite UF gas₆ pod pritiskom.

Korak 2. Napravite par cijevi za koncentrat

Cijev mora biti dovoljno visoka, jer viša cijev omogućava više odvajanja izotopa ²³⁵U i ²³⁸U.

Korak 3. Premažite cijev slojem vode

Ovo će ohladiti vanjsku stranu cijevi.

Korak 4. Pumpa UF₆ tečnost između cevi.

Korak 5. Zagrijte unutrašnju cijev parom

Toplina će uzrokovati konvekcijske struje u UF -u₆ koji će privući izotop ²³⁵Upaljač U prema toplijoj unutrašnjoj cijevi i gura izotop ²³⁸teži U prema hladnijoj vanjskoj cijevi.

Ovaj proces je istraživan 1940. godine kao dio Manhattan projekta, ali je napušten u ranoj fazi razvoja kada su razvijeni efikasniji procesi difuzije plina

Metoda 6 od 7: Proces razdvajanja elektromagnetskih izotopa

Korak 1. Jonizacija UF gasa₆.

Korak 2. Propustite gas kroz jako magnetsko polje

Korak 3. Odvojite izotope ioniziranog urana na temelju tragova koji ostaju pri prolasku kroz magnetsko polje

Ion ²³⁵U ostavlja trag s drugačijim lukom od iona ²³⁸U. Ioni se mogu izolirati radi obogaćivanja urana.

Ova metoda je korištena za obradu urana za atomsku bombu bačenu na Hirošimu 1945. godine, a također je metoda obogaćivanja koju je Irak koristio u svom programu nuklearnog oružja 1992. Ova metoda zahtijeva 10 puta više energije od difuzije plina, što je čini nepraktičnom za program veliko obogaćivanje

Metoda 7 od 7: Proces razdvajanja laserskih izotopa

Korak 1. Postavite laser na određenu boju

Laserski snop mora biti u potpunosti jedne određene valne duljine (monokromatski). Ova valna duljina će ciljati samo atome ²³⁵U, i pusti atom ²³⁸U nisu pogođeni.

Korak 2. Osvijetlite laserski zrak na uran

Za razliku od drugih procesa obogaćivanja urana, ne morate koristiti gas uranijum heksafluorid, iako većina laserskih procesa to radi. Kao izvor urana možete koristiti i uran i legure željeza, koji se koristi u procesu separacije izotopa laserskim atomima (AVLIS).

Korak 3. Ekstrakcija atoma urana uz pobuđene elektrone

To će biti atom ²³⁵U.

Savjeti

Neke zemlje prerađuju istrošeno nuklearno gorivo kako bi oporavile uran i plutonij u njemu nastalo tijekom procesa fisije. Prerađeni uran mora se ukloniti iz izotopa ²³²U i ²³⁶U nastaje tijekom fisije, a ako se obogati, mora biti obogaćen višim stupnjem od "svježeg" urana jer ²³⁶U apsorbira neutrone čime se inhibira proces fisije. Stoga se prerađeni uran mora skladištiti odvojeno od urana koji je prvi put tek obogaćen.

Upozorenje

• Uran emitira samo slabu radioaktivnost; međutim, kada se prerađuje u UF gas₆, postaje otrovna kemijska tvar koja u reakciji s vodom stvara korozivnu fluorovodičnu kiselinu. (Ova kiselina se obično naziva "kiselina za jetkanje" jer se koristi za nagrizanje stakla.) Stoga, postrojenja za obogaćivanje urana zahtijevaju iste zaštitne mjere kao i kemijska postrojenja koja rade s fluorom, što uključuje zadržavanje UF plina na odstojanju.₆ ostanite pod niskim pritiskom većinu vremena i koristite dodatni nivo zadržavanja u područjima gdje je potreban visok pritisak.
• Prerađeni uran mora se skladištiti u debelim kućištima, jer ²³²U u njemu se razlaže na elemente koji emituju jako gama zračenje.
• Obogaćeni uran obično se može ponovno preraditi samo jednom.