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.
