7 načina obogaćivanja urana

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-15 08:16

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.