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, a sastoji se od nekoliko izotopa atomske težine i nekoliko različitih razina radioaktivnosti. Za uporabu u reakcijama fisije, broj izotopa 235U se mora povećati na razinu koja je spremna za fisiju u reaktoru ili bombi. Taj se proces naziva obogaćivanje urana i postoji nekoliko načina za to.
Korak
Metoda 1 od 7: Osnovni proces obogaćivanja
Korak 1. Odlučite za što će se koristiti uran
Većina miniranog urana sadrži samo oko 0,7 posto 235U, pri čemu je većina ostatka izotop 238stabilniji U. Vrsta reakcije fisije koju želite ostvariti s uranom određuje koliko će se povećati 235U morate učiniti kako bi se uran mogao učinkovito koristiti.
- Uran koji se koristi u većini motora s nuklearnom energijom mora biti obogaćen na 3-5 posto 235U. (Neki nuklearni reaktori, poput reaktora CANDU u Kanadi i reaktora Magnox u Ujedinjenom Kraljevstvu, projektirani 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 plin
Većina trenutno dostupnih metoda obogaćivanja urana zahtijeva pretvaranje uranove rude u plin niske temperature. Plin fluor obično se pumpa u stroj za pretvorbu rude; plin uranij -oksida reagira s fluorom pri čemu nastaje uran -heksafluorid (UF6). Plin se zatim obrađuje za odvajanje i skupljanje izotopa 235U.
Korak 3. Obogatite uran
Kasniji dijelovi ovog članka opisuju različite procese dostupne za obogaćivanje urana. Od svih procesa, dva su najčešća difuzija plina i centrifugiranje plina, no očekuje se da će lasersko razdvajanje izotopa zamijeniti ta dva.
Korak 4. Promijenite UF plin6 do uranovog dioksida (UO2).
Nakon obogaćivanja, uran se mora pretvoriti u stabilan čvrsti oblik za upotrebu po želji.
Uranov dioksid koji se koristi kao gorivo za nuklearne reaktore izrađen je od zrna jezgre keramike koja su omotana u metalne cijevi tako da postaju šipke visoke do 4 m
Metoda 2 od 7: Proces difuzije plina
Korak 1. Pumpajte UF plin6 kroz cijev.
Korak 2. Pumpajte plin kroz filter ili poroznu membranu
Zbog izotopa 235U je lakši od izotopa 238U, UF6 lakši izotopi brže će se difundirati kroz membranu od težih izotopa.
Korak 3. Ponavljajte postupak difuzije dok ne bude dovoljno 235U prikupljeni.
Ponovljena difuzija naziva se slojevita. Može proći čak 1400 filtracija kroz poroznu membranu da se dobije dovoljno 235U za dobro obogaćivanje urana.
Korak 4. Kondenzacija plinskog plina UF6 u tekući oblik.
Nakon što je plin dovoljno obogaćen, plin se kondenzira u tekućinu, zatim skladišti u spremniku, gdje se hladi i skrutnjava za transport i pretvaranje 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 u Kentuckyju
Metoda 3 od 7: Proces centrifugiranja plinom
Korak 1. Ugradite brojne rotirajuće cilindre velike brzine
Ovaj cilindar je centrifuga. Centrifuga se postavlja serijski ili paralelno.
Korak 2. Protok UF plina6 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 plin 235U je poslan u centrifugu gdje 235U se još više ekstrahira, dok plin koji sadrži 235Smanjeni U se dovodi u drugu centrifugu radi ekstrakcije 235Preostali U. To omogućuje centrifugiranju da ekstrahira mnogo više 235U nego što se može ekstrahirati postupkom difuzije plina.
Postupak plinske centrifuge prvi je put razvijen 1940 -ih, ali nije stavljen u značajnu uporabu sve do 1960 -ih, kada je njegova sposobnost izvođenja procesa obogaćivanja urana s manjom energijom postala važna. Trenutno se postrojenje za proces plinske centrifuge 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 plin6 u cilindar velikom brzinom.
Plin se ispušta u cilindar na način koji uzrokuje rotiranje plina poput ciklona, stvarajući tako vrstu odvajanja 235U i 238isti U kao u procesu rotacijske centrifuge.
Jedna od metoda razvijena u Južnoj Africi je ubrizgavanje plina u boce jedan pored drugog. Ova se metoda trenutno testira s lakšim izotopima poput onih koji se nalaze u siliciju
Metoda 5 od 7: Postupak toplinske difuzije tekućine
Korak 1. Ukapnite UF plin6 pod pritiskom.
Korak 2. Napravite par cijevi za koncentrat
Cijev mora biti dovoljno visoka, jer viša cijev omogućuje više odvajanja izotopa 235U i 238U.
Korak 3. Premažite cijev slojem vode
Ovo će ohladiti vanjsku stranu cijevi.
Korak 4. Pumpa UF6 tekućina između cijevi.
Korak 5. Zagrijte unutarnju cijev parom
Toplina će uzrokovati konvekcijske struje u UF6 koji će privući izotop 235Upaljač U prema toplijoj unutarnjoj cijevi i gura izotop 238teži U prema hladnijoj vanjskoj cijevi.
Ovaj je proces istraživan 1940. u sklopu Manhattanskog projekta, ali je napušten u ranoj fazi razvoja kada su razvijeni učinkovitiji procesi difuzije plina
Metoda 6 od 7: Postupak razdvajanja elektromagnetskih izotopa
Korak 1. Ionizacija UF plina6.
Korak 2. Propustite plin kroz jako magnetsko polje
Korak 3. Odvojite izotope ioniziranog urana na temelju tragova ostavljenih 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 ga čini nepraktičnim za program veliko obogaćivanje
Metoda 7 od 7: Postupak odvajanja laserskih izotopa
Korak 1. Postavite laser na određenu boju
Laserska zraka mora biti u potpunosti jedne određene valne duljine (jednobojna). Ova će valna duljina ciljati samo atome 235U, i neka atom 238U nisu pogođeni.
Korak 2. Sijajte lasersku zraku na uran
Za razliku od drugih procesa obogaćivanja urana, ne morate koristiti plin uranij -heksafluorid, iako to čini većina laserskih procesa. Također možete upotrijebiti uran i slitine željeza kao izvor urana, koji se koristi u procesu laserske separacije izotopa laserom (AVLIS).
Korak 3. Ekstrakcija atoma urana pobuđenim elektronima
To će biti atom 235U.
Savjeti
Neke zemlje prerađuju istrošeno nuklearno gorivo kako bi oporavile uran i plutonij koji je nastao tijekom procesa fisije. Prerađeni uran mora se ukloniti iz izotopa 232U i 236U nastaje tijekom cijepanja, 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. plin6, postaje otrovna kemijska tvar koja u reakciji s vodom stvara korozivnu fluorovodičnu kiselinu. (Ova se kiselina 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 ostati većinu vremena pod niskim tlakom i koristiti dodatnu razinu zadržavanja u područjima gdje je potreban visoki tlak.
- Prerađeni uran mora se skladištiti u debelim kućištima, jer 232U u njemu se raspada na elemente koji emitiraju jako gama zračenje.
- Obogaćeni uran obično se može ponovno preraditi samo jednom.
