Urānu izmanto kā enerģijas avotu kodolreaktoros, un no tā izgatavoja pirmo atombumbu, kas tika nomesta Hirosimā 1945. gadā. Urānu iegūst kā rūdu, ko sauc par pitchblende, un tas sastāv no vairākiem atomu svara izotopiem un vairākiem dažādiem līmeņiem no radioaktivitātes. Izotopu skaits izmantošanai skaldīšanas reakcijās 235U ir jāpalielina līdz līmenim, kas ir gatavs skaldīšanai reaktorā vai bumbā. Šo procesu sauc par urāna bagātināšanu, un to var izdarīt vairākos veidos.
Solis
1. metode no 7: pamata bagātināšanas process
1. solis. Izlemiet, kādam nolūkam urāns tiks izmantots
Lielākā daļa iegūtā urāna satur tikai aptuveni 0,7 procentus 235U, un lielākā daļa atlikuma ir izotops 238stabilāka U. Sadalīšanās reakcijas veids, ko vēlaties veikt ar urānu, nosaka, cik liels pieaugums 235Jums tas jādara, lai urānu varētu efektīvi izmantot.
- Urāns, ko izmanto lielākajā daļā kodolenerģijas dzinēju, ir jāpie bagātina līdz 3-5 procentiem 235U. (Daži kodolreaktori, piemēram, CANDU reaktors Kanādā un Magnox reaktors Apvienotajā Karalistē, ir paredzēti, lai izmantotu neuzlabotu urānu.)
- Turpretī urāns, ko izmanto atombumbām un kaujas galviņām, ir jāpilnveido līdz 90 procentiem 235U.
2. solis. Pārvērtiet urāna rūdu par gāzi
Lielākajai daļai pašlaik pieejamo urāna bagātināšanas metožu ir nepieciešams urāna rūdu pārvērst par zemas temperatūras gāzi. Fluora gāzi parasti iesūknē rūdas pārveidošanas mašīnā; urāna oksīda gāze reaģē ar fluoru, veidojot urāna heksafluorīdu (UF)6). Pēc tam gāzi apstrādā, lai atdalītu un savāktu izotopus 235U.
Solis 3. Bagātiniet urānu
Šī raksta turpmākajās sadaļās ir aprakstīti dažādi urāna bagātināšanas procesi. No visiem procesiem gāzu difūzija un gāzu centrifugēšana ir divas visizplatītākās, bet paredzams, ka tās aizstās lāzera izotopu atdalīšana.
4. solis. Mainiet UF gāzi6 uz urāna dioksīdu (UO2).
Kad urāns ir bagātināts, tas jāpārvērš stabilā cietā formā, lai to izmantotu pēc vēlēšanās.
No urāna dioksīda, ko izmanto kā kodolreaktoru degvielu, tiek izgatavoti keramikas kodola graudi, kas iesaiņoti metāla caurulēs tā, lai tie kļūtu līdz 4 m augstiem stieņiem
2. metode no 7: Gāzes difūzijas process
Solis 1. Sūknējiet UF gāzes gāzi6 caur cauruli.
Solis 2. Sūknējiet gāzi caur filtru vai porainu membrānu
Izotopa dēļ 235U ir vieglāks par izotopu 238U, UF6 vieglāki izotopi izkliedēsies pa membrānu ātrāk nekā smagākie izotopi.
Solis 3. Atkārtojiet difūzijas procesu, līdz to ir pietiekami 235U savākti.
Atkārtotu difūziju sauc par stratificētu. Lai iegūtu pietiekami daudz, var paiet pat 1400 filtrācijas caur porainu membrānu 235U, lai labi bagātinātu urānu.
Solis 4. UF gāzes gāzes kondensācija6 šķidrā veidā.
Kad gāze ir pietiekami bagātināta, gāze tiek kondensēta šķidrumā, pēc tam uzglabāta traukā, kur tā atdziest un sacietē, lai to transportētu un padarītu par degvielas graudiem.
Tā kā ir nepieciešams liels filtrēšanas apjoms, šis process ir energoietilpīgs, tāpēc tiek apturēts. Amerikas Savienotajās Valstīs ir palikusi tikai viena gāzes difūzijas bagātināšanas iekārta, kas atrodas Padukā, Kentuki
3. metode no 7: Gāzes centrifūgas process
1. solis. Uzstādiet vairākus ātrgaitas rotējošus cilindrus
Šis cilindrs ir centrifūga. Centrifūga ir uzstādīta virknē vai paralēli.
Solis 2. Plūsma UF gāze6 vērpējā.
Centrifūga izmanto centripetālu paātrinājumu, lai piegādātu gāzi saturošu gāzi 238smagāks U uz balona sienu un gāzi saturošs 235vieglāks U līdz cilindra centram.
3. solis. Izņemiet atdalītās gāzes
4. solis. Apstrādājiet abas atdalītās gāzes divās atsevišķās centrifūgās
Bagāta gāze 235U tika nosūtīts uz centrifūgu, kur 235U joprojām ir vairāk ekstrahēts, bet gāze satur 235Samazināto U ievada citā centrifūgā, lai iegūtu 235Atlikušais U. Tas ļauj centrifugēt, lai iegūtu daudz vairāk 235U nekā var iegūt ar gāzes difūzijas procesu.
Gāzes centrifūgas process pirmo reizi tika izstrādāts pagājušā gadsimta četrdesmitajos gados, bet tika būtiski izmantots tikai pagājušā gadsimta 60. gados, kad tā spēja veikt urāna bagātināšanas procesus ar mazāku enerģiju kļuva svarīga. Pašlaik gāzes centrifūgas procesa rūpnīca ASV atrodas Eunice, Ņūmeksikā. Turpretī Krievijā pašlaik ir četras šāda veida rūpnīcas, Japānā un Ķīnā - pa divām, bet Apvienotajai Karalistei, Nīderlandei un Vācijai - pa vienai
4. metode no 7: Aerodinamiskās atdalīšanas process
Solis 1. Izveidojiet šauru, stacionāru cilindru sēriju
2. solis. Ievadiet UF gāzes gāzi6 cilindrā ar lielu ātrumu.
Gāzi cilindrā izdala tādā veidā, kas izraisa gāzes rotāciju kā ciklons, tādējādi radot atdalīšanas veidu 235U un 238tāds pats U kā rotējošās centrifūgas procesā.
Viena Dienvidāfrikā izstrādāta metode ir gāzes ievadīšana balonos blakus. Šī metode pašlaik tiek pārbaudīta ar vieglākiem izotopiem, piemēram, tiem, kas atrodami silīcijā
5. metode no 7: Šķidruma termiskās difūzijas process
Solis 1. Sašķidriniet UF gāzi6 zem spiediena.
2. solis. Izveidojiet pāris koncentrāta caurules
Caurulei jābūt pietiekami augstai, jo augstāka caurule ļauj vairāk atdalīt izotopus 235U un 238U.
Solis 3. Pārklājiet cauruli ar ūdens slāni
Tas atdzesēs caurules ārpusi.
Solis 4. Sūknējiet UF6 šķidrums starp caurulēm.
Solis 5. Sildiet iekšējo cauruli ar tvaiku
Siltums izraisīs konvekcijas strāvas UF6 kas piesaistīs izotopu 235Šķiltavas U virzienā uz karstāku iekšējo cauruli un nospiež izotopu 238smagākā U virzienā uz vēsāku ārējo cauruli.
Šis process tika pētīts 1940. gadā Manhetenas projekta ietvaros, bet tika atmests agrīnā attīstības stadijā, kad tika izstrādāti efektīvāki gāzu difūzijas procesi
6. metode no 7: elektromagnētiskā izotopu atdalīšanas process
1. solis. UF gāzes gāzu jonizācija6.
Solis 2. Izlaidiet gāzi caur spēcīgu magnētisko lauku
3. solis. Atdaliet jonizētā urāna izotopus, pamatojoties uz pēdām, kas palikušas aiz magnētiskā lauka
Jons 235U atstāj taku ar citu loku nekā jons 238U. Jonus var izolēt, lai bagātinātu urānu.
Šo metodi izmantoja urāna apstrādei atombumbai, kas tika nomesta Hirosimā 1945. gadā, un tā ir arī bagātināšanas metode, ko Irāka izmantoja savā kodolieroču programmā 1992. gadā. Šī metode prasa 10 reizes vairāk enerģijas nekā gāzveida difūzija, padarot to nepraktisku šai programmai. plaša mēroga bagātināšana
7. metode no 7: lāzera izotopu atdalīšanas process
Solis 1. Iestatiet lāzeru uz noteiktu krāsu
Lāzera staram jābūt pilnībā viena viļņa garuma (vienkrāsainam). Šis viļņa garums būs vērsts tikai uz atomiem 235U, un ļaujiet atomam 238U netiek ietekmēta.
2. solis. Uzspīdiet uz urāna lāzera staru
Atšķirībā no citiem urāna bagātināšanas procesiem jums nav jāizmanto urāna heksafluorīda gāze, lai gan lielākā daļa lāzera procesu tiek izmantoti. Kā urāna avotu varat izmantot arī urānu un dzelzs sakausējumus, ko izmanto atomu tvaika lāzera izotopu atdalīšanas (AVLIS) procesā.
Solis 3. Urāna atomu ieguve ar ierosinātiem elektroniem
Tas būs atoms 235U.
Padomi
Dažas valstis pārstrādā izlietoto kodoldegvielu, lai atgūtu tajā esošo urānu un plutoniju, kas izveidojās skaldīšanas procesā. Pārstrādāts urāns ir jānoņem no izotopa 232U un 236U veidojas skaldīšanas laikā, un, ja tas ir bagātināts, tas ir jāpie bagātina ar augstāku pakāpi nekā “svaigs” urāns, jo 236U absorbē neitronus, tādējādi kavējot dalīšanās procesu. Tāpēc pārstrādātais urāns jāuzglabā atsevišķi no urāna, kas pirmo reizi tika bagātināts.
Brīdinājums
- Urāns izstaro tikai vāju radioaktivitāti; tomēr, pārstrādājot UF gāzē6, tā kļūst par toksisku ķīmisku vielu, kas reaģē ar ūdeni, veidojot kodīgu fluorūdeņražskābi. (Šo skābi parasti sauc par “kodināšanas skābi”, jo to izmanto stikla kodināšanai.) Tāpēc urāna bagātināšanas iekārtām ir vajadzīgi tādi paši aizsardzības pasākumi kā ķīmiskajām rūpnīcām, kas strādā ar fluoru, tostarp UF gāzu novēršana.6 lielāko daļu laika uzturieties zemā spiedienā un izmantojiet papildu izolācijas līmeni vietās, kur nepieciešams augsts spiediens.
- Pārstrādāts urāns jāuzglabā biezos iežogojumos, jo 232Tajā esošais U sadalās elementos, kas izstaro spēcīgu gamma starojumu.
- Bagātināto urānu parasti var pārstrādāt tikai vienu reizi.
