Uran jest używany jako źródło energii w reaktorach jądrowych i został użyty do wyprodukowania pierwszej bomby atomowej, która została zrzucona na Hiroszimę w 1945 roku. Uran jest wydobywany jako ruda zwana blendą smołową i składa się z kilku izotopów o masie atomowej i kilku różnych poziomach radioaktywności. Do stosowania w reakcjach rozszczepienia liczba izotopów 235U musi zostać zwiększone do poziomu, który jest gotowy do rozszczepienia w reaktorze lub bombie. Proces ten nazywa się wzbogacaniem uranu i można to zrobić na kilka sposobów.
Krok
Metoda 1 z 7: Podstawowy proces wzbogacania
Krok 1. Zdecyduj, do czego będzie używany uran
Większość wydobywanego uranu zawiera tylko około 0,7 procent 235U, przy czym większość reszty to izotop 238bardziej stabilny U. Rodzaj reakcji rozszczepienia, który chcesz wywołać z uranem, określa, jak duży jest wzrost 235Musisz to zrobić, aby uran mógł być efektywnie wykorzystany.
- Uran stosowany w większości silników jądrowych musi zostać wzbogacony do 3-5 procent 235U. (Niektóre reaktory jądrowe, takie jak reaktor CANDU w Kanadzie i reaktor Magnox w Wielkiej Brytanii, są zaprojektowane do wykorzystywania niewzbogaconego uranu.)
- Natomiast uran, który jest używany do bomb atomowych i głowic bojowych, musi zostać wzbogacony do 90 procent 235U.
Krok 2. Zamień rudę uranu w gaz
Większość obecnie dostępnych metod wzbogacania uranu wymaga przekształcenia rudy uranu w niskotemperaturowy gaz. Gaz fluorowy jest zwykle pompowany do maszyny do konwersji rudy; gazowy tlenek uranu reaguje z fluorem, tworząc sześciofluorek uranu (UF6). Gaz jest następnie przetwarzany w celu oddzielenia i zebrania izotopów 235U.
Krok 3. Wzbogać uran
W dalszej części tego artykułu opisano różne dostępne procesy wzbogacania uranu. Spośród wszystkich procesów dyfuzja gazu i wirowanie gazu są dwoma najczęstszymi, ale oczekuje się, że zastąpi je separacja laserowa izotopów.
Krok 4. Zmień gaz UF6 do dwutlenku uranu (UO2).
Wzbogacony uran musi zostać przekształcony w stabilną postać stałą do wykorzystania zgodnie z potrzebami.
Dwutlenek uranu stosowany jako paliwo do reaktorów jądrowych jest przetwarzany na ziarna ceramicznego rdzenia, które są owijane w metalowe rurki tak, że stają się prętami o wysokości do 4 m
Metoda 2 z 7: Proces dyfuzji gazu
Krok 1. Pompuj gaz UF6 przez rurę.
Krok 2. Przepompuj gaz przez filtr lub porowatą membranę
Ze względu na izotop 235U jest lżejszy niż izotop 238U, UF6 lżejsze izotopy będą dyfundować przez błonę szybciej niż izotopy cięższe.
Krok 3. Powtarzaj proces dyfuzji, aż będzie wystarczająco 235Zebrane.
Powtarzająca się dyfuzja nazywana jest uwarstwioną. Aby uzyskać wystarczającą ilość filtra, potrzeba nawet 1400 filtracji przez porowatą membranę 235U dobrze wzbogacić uran.
Krok 4. Kondensacja gazu UF6 do postaci płynnej.
Po dostatecznym wzbogaceniu, gaz kondensuje się w ciecz, a następnie przechowuje w pojemniku, gdzie schładza się i zestala, aby następnie zostać przetransportowany i przetworzony na ziarna paliwa.
Ze względu na dużą ilość wymaganego filtrowania proces ten jest energochłonny, więc zostaje zatrzymany. W Stanach Zjednoczonych pozostał tylko jeden zakład wzbogacania metodą dyfuzji gazu, zlokalizowany w Paducah w stanie Kentucky
Metoda 3 z 7: Proces wirówki gazowej
Krok 1. Zainstaluj kilka szybkoobrotowych cylindrów obrotowych
Ten cylinder to wirówka. Wirówka jest instalowana szeregowo lub równolegle.
Krok 2. Przepływ gazu UF6 do przędzarki.
Wirówka wykorzystuje przyspieszenie dośrodkowe, aby dostarczyć gaz zawierający 238cięższe U do ścianki butli i zawierające gaz 235lżejszy U do środka cylindra.
Krok 3. Wydobądź oddzielone gazy
Krok 4. Ponownie przetworzyć dwa oddzielone gazy w dwóch oddzielnych wirówkach
Bogaty gaz 235U został wysłany do wirówki, gdzie 235U jest jeszcze bardziej wydobywany, podczas gdy gaz zawierający 235Zredukowane U jest podawane do innej wirówki w celu ekstrakcji 235Pozostałe U. Dzięki temu wirowanie pozwala wydobyć znacznie więcej 235U niż można wydobyć w procesie dyfuzji gazu.
Proces wirowania gazowego został po raz pierwszy opracowany w latach 40. XX wieku, ale został wdrożony w znaczącym stopniu dopiero w latach 60., kiedy istotna stała się jego zdolność do przeprowadzania procesów wzbogacania uranu o niższej energii. Obecnie zakład przetwórstwa wirówek gazowych w Stanach Zjednoczonych znajduje się w Eunice w stanie Nowy Meksyk. Z kolei Rosja ma obecnie cztery tego typu fabryki, Japonia i Chiny po dwie, a Wielka Brytania, Holandia i Niemcy po jednej
Metoda 4 z 7: Proces separacji aerodynamicznej
Krok 1. Utwórz serię wąskich, nieruchomych cylindrów
Krok 2. Wstrzyknij gaz UF6 do cylindra z dużą prędkością.
Gaz jest wystrzeliwany do butli w sposób, który powoduje, że gaz obraca się jak cyklon, tworząc w ten sposób rodzaj separacji 235U i 238takie same U jak w procesie wirowania obrotowego.
Jedną z metod opracowanych w RPA jest wstrzykiwanie gazu do butli obok siebie. Ta metoda jest obecnie testowana z lżejszymi izotopami, takimi jak te znajdujące się w krzemie
Metoda 5 z 7: Proces dyfuzji termicznej cieczy
Krok 1. Skroplenie gazu UF6 pod presją.
Krok 2. Zrób parę rur koncentratu
Rura musi być wystarczająco wysoka, ponieważ wyższa rura umożliwia większą separację izotopów 235U i 238U.
Krok 3. Pokryj rurę warstwą wody
To ochłodzi zewnętrzną część rury.
Krok 4. Pompa UF6 ciecz między rurami.
Krok 5. Podgrzej dętkę parą
Ciepło spowoduje prądy konwekcyjne w UF6 który przyciągnie izotop 235Lżejsze U w kierunku cieplejszej dętki i popycha izotop 238cięższe U w kierunku chłodniejszej rury zewnętrznej.
Proces ten został zbadany w 1940 roku w ramach Projektu Manhattan, ale został porzucony na wczesnym etapie rozwoju, gdy opracowano bardziej wydajne procesy dyfuzji gazu
Metoda 6 z 7: Proces elektromagnetycznej separacji izotopów
Krok 1. Jonizacja gazu ultrafioletowego6.
Krok 2. Przepuść gaz przez silne pole magnetyczne
Krok 3. Oddziel izotopy zjonizowanego uranu na podstawie śladów pozostawionych podczas przechodzenia przez pole magnetyczne
Jon 235U pozostawia ślad o innym łuku niż jon 238U. Jony można wyizolować w celu wzbogacenia uranu.
Metoda ta została wykorzystana do przetwarzania uranu do bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę w 1945 roku i jest również metodą wzbogacania wykorzystywaną przez Irak w programie broni jądrowej w 1992 roku. Metoda ta wymaga 10 razy więcej energii niż dyfuzja gazowa, co czyni ją niepraktyczną dla programu wzbogacanie na dużą skalę
Metoda 7 z 7: Proces laserowej separacji izotopów
Krok 1. Ustaw laser na określony kolor
Wiązka lasera musi mieć całkowicie jedną konkretną długość fali (monochromatyczna). Ta długość fali będzie celować tylko w atomy 235U i niech atom 238Nie dotyczy to Ciebie.
Krok 2. Skieruj wiązkę lasera na uran
W przeciwieństwie do innych procesów wzbogacania uranu, nie musisz używać sześciofluorku uranu, chociaż większość procesów laserowych to robi. Jako źródło uranu można również użyć uranu i stopów żelaza, które są wykorzystywane w procesie separacji izotopów za pomocą lasera atomowego (AVLIS).
Krok 3. Ekstrakcja atomów uranu wzbudzonymi elektronami
To będzie atom 235U.
Porady
Niektóre kraje przetwarzają zużyte paliwo jądrowe w celu odzyskania zawartego w nim uranu i plutonu, który powstał podczas procesu rozszczepienia. Przetworzony uran należy usunąć z izotopu 232U i 236U powstaje podczas rozszczepienia, a jeśli jest wzbogacony, musi być wzbogacony do wyższej jakości niż „świeży” uran, ponieważ 236U pochłania neutrony, hamując w ten sposób proces rozszczepienia. Dlatego przetworzony uran należy przechowywać oddzielnie od uranu, który został po raz pierwszy wzbogacony.
Ostrzeżenie
- Uran emituje tylko słabą radioaktywność; jednak po przetworzeniu na UF.gaz6, staje się toksyczną substancją chemiczną, która reaguje z wodą tworząc żrący kwas fluorowodorowy. (Kwas ten jest powszechnie nazywany „kwasem do wytrawiania”, ponieważ jest używany do wytrawiania szkła.) Dlatego zakłady wzbogacania uranu wymagają takich samych środków ochronnych, jak zakłady chemiczne pracujące z fluorem, które obejmują utrzymywanie UF gazowego na dystans.6 pozostań pod niskim ciśnieniem przez większość czasu i stosuj dodatkowy poziom zabezpieczenia w obszarach, w których wymagane jest wysokie ciśnienie.
- Przetworzony uran należy przechowywać w grubych obudowach, ponieważ 232U w nim rozkłada się na pierwiastki, które emitują silne promieniowanie gamma.
- Wzbogacony uran może być zwykle powtórnie przetwarzany tylko raz.
