7 načinov za obogatitev urana

2024 Avtor: Jason Gerald | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-15 08:23

Uran se uporablja kot vir energije v jedrskih reaktorjih in je bil uporabljen za izdelavo prve atomske bombe, ki je bila na Hirošimo spuščena leta 1945. Uran se pridobiva kot ruda, imenovana smola, in je sestavljena iz več izotopov atomske teže in različnih ravni. radioaktivnosti. Število izotopov za uporabo v reakcijah cepitve ²³⁵U je treba povečati na raven, ki je pripravljena za cepitev v reaktorju ali bombi. Ta postopek se imenuje obogatitev urana in obstaja več načinov za to.

Korak

Metoda 1 od 7: Osnovni proces obogatitve

Korak 1. Odločite se, za kaj se bo uporabil uran

Večina izkopanega urana vsebuje le približno 0,7 odstotka ²³⁵U, pri čemer je večina preostanek izotop ²³⁸bolj stabilen U. Vrsta fisijske reakcije, ki jo želite izvesti z uranom, določa, koliko se bo povečala ²³⁵To morate storiti, da se lahko uran učinkovito uporablja.

• Uran, ki se uporablja v večini jedrskih motorjev, je treba obogatiti na 3-5 odstotkov ²³⁵U. (Nekateri jedrski reaktorji, na primer reaktor CANDU v Kanadi in reaktor Magnox v Združenem kraljestvu, so zasnovani za uporabo neobogatenega urana.)
• Nasprotno pa je treba uran, ki se uporablja za atomske bombe in bojne glave, obogatiti na 90 odstotkov ²³⁵U.

2. korak Uranovo rudo spremenite v plin

Večina trenutno razpoložljivih metod obogatitve urana zahteva pretvorbo uranove rude v plin z nizko temperaturo. Plin fluor se običajno črpa v stroj za pretvorbo rude; plin uranovega oksida reagira s fluorom, da nastane uranov heksafluorid (UF₆). Plin se nato predela za ločevanje in zbiranje izotopov ²³⁵U.

Korak 3. Obogatite uran

Kasnejši oddelki tega članka opisujejo različne procese, ki so na voljo za obogatitev urana. Od vseh procesov sta najpogostejša dva difuzija plina in centrifugiranje plina, vendar naj bi lasersko ločevanje izotopov nadomestilo oba.

Korak 4. Zamenjajte UF plin₆ do uranovega dioksida (UO)₂).

Ko je uran obogaten, ga je treba za želeno uporabo pretvoriti v stabilno trdno obliko.

Uranov dioksid, ki se uporablja kot gorivo za jedrske reaktorje, je izdelan iz keramičnih zrn, ki so zavita v kovinske cevi, tako da postanejo palice do 4 m visoke

Metoda 2 od 7: Postopek difuzije plina

Korak 1. Črpanje plinskega plina UF₆ skozi cev.

Korak 2. Plin prečrpajte skozi filter ali porozno membrano

Zaradi izotopa ²³⁵U je lažji od izotopa ²³⁸U, UF₆ lažji izotopi se bodo skozi membrano razpršili hitreje kot težji izotopi.

Korak 3. Ponavljajte postopek razpršitve, dokler ni dovolj ²³⁵U zbrali.

Ponavljajoča se difuzija se imenuje stratificirana. Za zadostno količino lahko porabi kar 1400 filtracij skozi porozno membrano ²³⁵U za dobro obogatitev urana.

Korak 4. Kondenzacija plinskega plina UF₆ v tekočo obliko.

Ko je plin dovolj obogaten, se plin kondenzira v tekočino, nato pa shrani v posodo, kjer se ohladi in strdi, da se transportira in pretvori v zrna goriva.

Zaradi velike količine filtriranja je ta proces energetsko intenziven, zato se ustavi. V Združenih državah Amerike ostaja le ena naprava za obogatitev difuzije plina, ki se nahaja v Paducahu v Kentuckyju

Metoda 3 od 7: Postopek centrifugiranja plina

Korak 1. Namestite številne vrtljive cilindre za visoke hitrosti

Ta valj je centrifuga. Centrifuga je nameščena zaporedno ali vzporedno.

Korak 2. Pretok UF plina₆ v spinner.

Centrifuga uporablja centripetalni pospešek za dobavo plina, ki vsebuje ²³⁸težji U do stene jeklenke in vsebuje plin ²³⁵vžigalnik U na sredino valja.

Korak 3. Odstranite ločene pline

Korak 4. Dva ločena plina ponovno obdelajte v dveh ločenih centrifugah

Bogat plin ²³⁵U je bil poslan v centrifugo, kjer ²³⁵U se še vedno bolj ekstrahira, medtem ko plin vsebuje ²³⁵Zmanjšani U se dovaja v drugo centrifugo za ekstrakcijo ²³⁵Preostali U. To omogoča centrifugiranju, da ekstrahira veliko več ²³⁵U se lahko ekstrahira s postopkom difuzije plina.

Postopek plinske centrifuge je bil prvič razvit v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, vendar je bil uporabljen šele v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je postala pomembna njegova sposobnost izvajanja procesov obogatitve urana z nizko energijo. Trenutno je obrat za proizvodnjo plinske centrifuge v ZDA v mestu Eunice v Novi Mehiki. Nasprotno pa ima Rusija trenutno štiri tovarne te vrste, Japonska in Kitajska imata po dve, Združeno kraljestvo, Nizozemska in Nemčija pa po eno

Metoda 4 od 7: Postopek aerodinamičnega ločevanja

Korak 1. Ustvarite niz ozkih, stacionarnih valjev

Korak 2. Vbrizgajte plinski plin UF₆ z veliko hitrostjo v valj.

Plin se v valj vžge na način, ki povzroči, da se plin vrti kot ciklon, kar povzroči vrsto ločevanja ²³⁵U in ²³⁸isti U kot pri postopku rotacijske centrifuge.

Ena od metod, razvita v Južni Afriki, je vbrizgavanje plina v jeklenke drug ob drugem. Ta metoda se trenutno preizkuša z lažjimi izotopi, kot so tisti v siliciju

Metoda 5 od 7: Postopek tekoče termične difuzije

Korak 1. Utekočinite UF plin₆ pod pritiskom.

Korak 2. Naredite par cevi za koncentrat

Cev mora biti dovolj visoka, ker višja cev omogoča večjo ločitev izotopov ²³⁵U in ²³⁸U.

Korak 3. Cev premažite s plastjo vode

To bo ohladilo zunanjost cevi.

Korak 4. Črpalka UF₆ tekočina med cevmi.

Korak 5. Notranjo cev segrejte s paro

Toplota bo povzročila konvekcijske tokove v UF₆ ki bo pritegnil izotop ²³⁵Vžigalnik U proti vroči notranji cevi in potisne izotop ²³⁸težji U proti hladnejši zunanji cevi.

Ta proces so leta 1940 raziskovali v okviru projekta Manhattan, vendar so ga opustili v zgodnji fazi razvoja, ko so bili razviti učinkovitejši procesi difuzije plina

Metoda 6 od 7: Postopek ločevanja elektromagnetnih izotopov

Korak 1. Ionizacija UF plina₆.

Korak 2. Plin prenesite skozi močno magnetno polje

Korak 3. Ločite izotope ioniziranega urana na podlagi sledi, ki ostanejo pri prehodu skozi magnetno polje

Ion ²³⁵U pušča sled z drugačnim lokom kot ion ²³⁸U. Ione lahko izoliramo za obogatitev urana.

Ta metoda je bila uporabljena za predelavo urana za atomsko bombo, ki je bila leta 1945 padla na Hirošimo, in je tudi metoda obogatitve, ki jo je Irak uporabil v svojem programu jedrskega orožja leta 1992. Ta metoda zahteva 10 -krat več energije kot difuzija plina, zato je za program nepraktična. obsežna obogatitev

Metoda 7 od 7: Postopek ločevanja laserskih izotopov

Korak 1. Laser nastavite na določeno barvo

Laserski žarek mora biti v celoti ene posebne valovne dolžine (enobarvni). Ta valovna dolžina bo ciljala samo na atome ²³⁵U, in pusti atom ²³⁸U niso prizadeti.

Korak 2. Osvetlite laserski žarek na uran

Za razliko od drugih postopkov obogatitve urana vam ni treba uporabljati plina uranovega heksafluorida, čeprav večina laserskih postopkov to počne. Kot vir urana lahko uporabite tudi uran in železove zlitine, ki se uporabljajo v postopku ločevanja izotopov z atomsko paro (AVLIS).

Korak 3. Ekstrakcija atomov urana z vzbujenimi elektroni

To bo atom ²³⁵U.

Nasveti

Nekatere države predelajo izrabljeno jedrsko gorivo, da pridobijo uran in plutonij v njem, ki je nastal med cepitvijo. Predelani uran je treba odstraniti iz izotopa ²³²U in ²³⁶U se tvori med cepitvijo in če je obogaten, ga je treba obogatiti z višjo stopnjo od "svežega" urana, ker ²³⁶U absorbira nevtrone in tako zavira proces cepitve. Zato je treba predelani uran hraniti ločeno od urana, ki je bil prvič na novo obogaten.

Opozorilo

• Uran oddaja le šibko radioaktivnost; pri predelavi v UF plin₆, postane strupena kemična snov, ki reagira z vodo in tvori jedko fluorovodikovo kislino. (Ta kislina se običajno imenuje "jedkajoča kislina", ker se uporablja za jedkanje stekla.) Zato naprave za obogatitev urana zahtevajo enake zaščitne ukrepe kot kemične naprave, ki delujejo s fluorom, kar vključuje zadrževanje plina UF v zalivu.₆ večino časa ostanite pod nizkim tlakom in uporabite dodatno stopnjo zadrževanja na območjih, kjer je potreben visok tlak.
• Predelan uran je treba hraniti v debelih ohišjih, ker ²³²U v njem se razgradi v elemente, ki oddajajo močno gama sevanje.
• Obogateni uran je običajno mogoče predelati le enkrat.