7 viisi uraani rikastamiseks

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-15 08:13

Uraani kasutatakse energiaallikana tuumareaktorites ja sellest valmistati esimene aatompomm, mis heideti Hiroshimale 1945. aastal. Uraani kaevandatakse maakina, mida nimetatakse pitchblende'ks ning see koosneb mitmest aatommassi ja mitmel erineval tasemel isotoobist radioaktiivsusest. Kasutamiseks lõhustumisreaktsioonides isotoopide arv ²³⁵U tuleb suurendada tasemele, mis on reaktoris või pommis lõhustumiseks valmis. Seda protsessi nimetatakse uraani rikastamiseks ja selleks on mitmeid viise.

Samm

Meetod 1 /7: põhiline rikastamisprotsess

Samm 1. Otsustage, milleks uraani kasutatakse

Enamik kaevandatud uraani sisaldab vaid umbes 0,7 protsenti ²³⁵U, kusjuures enamik ülejäänud on isotoop ²³⁸stabiilsem U. Lõhustumisreaktsiooni tüüp, mida soovite uraani abil teha, määrab, kui palju see suureneb ²³⁵Peate seda tegema, et uraani saaks tõhusalt kasutada.

• Enamikus tuumaelektrijaamades kasutatavat uraani tuleb rikastada 3-5 protsendini ²³⁵U. (Mõned tuumareaktorid, näiteks CANDU reaktor Kanadas ja Magnoxi reaktor Ühendkuningriigis, on mõeldud rikastamata uraani kasutamiseks.)
• Seevastu uraani, mida kasutatakse aatomipommide ja lõhkepeade jaoks, tuleb rikastada 90 protsendini ²³⁵U.

Samm 2. Muutke uraanimaak gaasiks

Enamik praegu kättesaadavaid uraani rikastamise meetodeid nõuab uraanimaaki muundamist madala temperatuuriga gaasiks. Fluori gaas pumbatakse tavaliselt maagi muundamise masinasse; gaasioraanoksiid reageerib fluoriga, et saada uraanheksafluoriid (UF)₆). Seejärel töödeldakse gaasi isotoopide eraldamiseks ja kogumiseks ²³⁵U.

Etapp 3. Uraani rikastamine

Selle artikli hilisemates osades kirjeldatakse erinevaid uraani rikastamise protsesse. Kõigist protsessidest on kaks kõige tavalisemat gaasi difusioon ja gaasi tsentrifuugimine, kuid eeldatakse, et need kaks asendavad laser -isotoopide eraldamise.

Samm 4. Vahetage UF gaasi₆ uraandioksiidiks (UO₂).

Kui uraan on rikastatud, tuleb see vastavalt soovile muuta stabiilseks tahkeks vormiks.

Tuumareaktorite kütusena kasutatavast uraandioksiidist valmistatakse keraamilised südamiku terad, mis pakitakse metalltorudesse nii, et need muutuvad kuni 4 m kõrgusteks vardadeks

Meetod 2/7: gaasi difusiooniprotsess

Samm 1. Pump UF gaasi₆ toru kaudu.

Etapp 2. Pumpake gaas läbi filtri või poorse membraani

Isotoobi tõttu ²³⁵U on isotoobist kergem ²³⁸U, UF₆ kergemad isotoobid hajuvad läbi membraani kiiremini kui raskemad isotoobid.

Samm 3. Korrake difusiooniprotsessi, kuni seda on piisavalt ²³⁵U kogutud.

Korduvat difusiooni nimetatakse kihiliseks. Piisava koguse saamiseks võib kuluda kuni 1400 filtrit läbi poorse membraani ²³⁵U rikastada uraani hästi.

Samm 4. UF -gaasi kondenseerumine₆ vedelal kujul.

Kui gaas on piisavalt rikastatud, kondenseeritakse gaas vedelaks, seejärel hoitakse anumas, kus see jahtub ja tahkub, et transportida ja sellest kütuseterad saada.

Suure filtreerimismahu tõttu on see protsess energiamahukas ja seetõttu peatatakse. Ameerika Ühendriikides on alles vaid üks gaaside difusiooni rikastamise tehas, mis asub Kentucky osariigis Paducahis

Meetod 3/7: gaasitsentrifuugiprotsess

Samm 1. Paigaldage hulk kiireid pöörlevaid silindreid

See silinder on tsentrifuug. Tsentrifuug paigaldatakse järjestikku või paralleelselt.

Etapp 2. UF -gaasi vool₆ vurri sisse.

Tsentrifuug kasutab gaasi väljastamiseks tsentripetaalset kiirendust ²³⁸raskem U ballooni seinale ja gaasi sisaldav ²³⁵kergem U silindri keskele.

Etapp 3. Eraldage eraldatud gaasid

Samm 4. Töötle kaks eraldatud gaasi kahes eraldi tsentrifuugis

Rikas gaas ²³⁵U saadeti tsentrifuugi, kus ²³⁵U on ikka rohkem ekstraheeritud, samas kui gaasi sisaldav ²³⁵Vähendatud U sisestatakse ekstraheerimiseks teise tsentrifuugi ²³⁵Ülejäänud U. See võimaldab tsentrifuugimisel saada palju rohkem ²³⁵U kui on võimalik gaasi difusiooniprotsessiga ekstraheerida.

Gaasitsentrifuugiprotsess töötati esmakordselt välja 1940. aastatel, kuid seda hakati märkimisväärselt kasutama alles 1960. aastatel, mil selle võime teostada väiksema energiaga uraani rikastamise protsesse muutus oluliseks. Praegu asub Ameerika Ühendriikides asuv gaasitsentrifuugitehas Eunice'is New Mexicos. Seevastu Venemaal on praegu neli seda tüüpi tehast, Jaapanis ja Hiinas kaks, Ühendkuningriigis, Hollandis ja Saksamaal aga üks

Meetod 4/7: Aerodünaamilise eraldamise protsess

Samm 1. Looge kitsaste statsionaarsete silindrite seeria

Etapp 2. Süstige UF -gaasi₆ silindrisse suurel kiirusel.

Gaasi juhitakse ballooni viisil, mis paneb gaasi pöörlema nagu tsüklon, tekitades seega teatud tüüpi eraldumise ²³⁵U ja ²³⁸sama U kui pöörleva tsentrifuugi protsessis.

Üks Lõuna -Aafrikas välja töötatud meetod on gaasi süstimine balloonidesse kõrvuti. Seda meetodit katsetatakse praegu kergemate isotoopidega, näiteks räniga

Meetod 5/7: vedeliku termilise difusiooni protsess

1. samm. Vedelda UF -gaasi₆ surve all.

Samm 2. Tehke paar kontsentraattoru

Toru peab olema piisavalt kõrge, sest kõrgem toru võimaldab rohkem isotoope eraldada ²³⁵U ja ²³⁸U.

Samm 3. Katke toru veekihiga

See jahutab toru väliskülge.

Samm 4. Pump UF₆ vedelikku torude vahel.

Samm 5. Kuumutage sisemist toru auruga

Kuumus põhjustab UF -is konvektsioonivoolu₆ mis isotoobi ligi tõmbab ²³⁵Tulemasin U kuumema sisetoru poole ja surub isotoobi ²³⁸raskem U jahedama välimise toru poole.

Seda protsessi uuriti 1940. aastal Manhattani projekti raames, kuid sellest loobuti arengu varases staadiumis, kui töötati välja tõhusamad gaaside difusiooniprotsessid

Meetod 6/7: elektromagnetilise isotoopide eraldamise protsess

Etapp 1. UF -gaasi ioniseerimine₆.

Etapp 2. Viige gaas läbi tugeva magnetvälja

Etapp 3. Eraldage ioniseeritud uraani isotoobid magnetvälja läbimisel maha jäänud jälgede põhjal

Ioon ²³⁵U jätab jälje erineva kaarega kui ioon ²³⁸U. Ioone saab eraldada uraani rikastamiseks.

Seda meetodit kasutati 1945. aastal Hiroshimale heidetud aatomipommi uraani töötlemiseks ning see on ka rikastamismeetod, mida Iraagi kasutas oma tuumarelvaprogrammis 1992. aastal. See meetod nõuab 10 korda rohkem energiat kui gaasiline difusioon, mistõttu on see programmi jaoks ebapraktiline laiaulatuslik rikastamine

Meetod 7/7: isotoopide laseride eraldamise protsess

Samm 1. Seadke laser kindlale värvile

Laserkiir peab olema täielikult ühe kindla lainepikkusega (ühevärviline). See lainepikkus on suunatud ainult aatomitele ²³⁵U ja lase aatomil ²³⁸Teid see ei mõjuta.

Samm 2. Sära uraanile laserkiir

Erinevalt teistest uraani rikastamise protsessidest ei pea te kasutama uraanheksafluoriidgaasi, kuigi enamik laserprotsesse seda teeb. Uraani allikana saate kasutada ka uraani ja rauasulameid, mida kasutatakse aatomiaurude laser -isotoopide eraldamise (AVLIS) protsessis.

Etapp 3. Uraani aatomite ekstraheerimine ergastatud elektronidega

Sellest saab aatom ²³⁵U.

Näpunäiteid

Mõned riigid töötlevad kasutatud tuumkütust uuesti, et saada lõhustumisprotsessi käigus tekkinud uraani ja plutooniumi. Uuesti töödeldud uraan tuleb isotoobist eemaldada ²³²U ja ²³⁶U moodustub lõhustumisel ja kui see on rikastatud, tuleb seda rikastada kõrgema kvaliteediga kui värsket uraani, sest ²³⁶U neelab neutroneid, pärssides sellega lõhustumisprotsessi. Seetõttu tuleb ümbertöödeldud uraani hoida esmakordselt äsja rikastatud uraanist eraldi.

Hoiatus

• Uraan kiirgab ainult nõrka radioaktiivsust; UF -gaasiks töötlemisel₆, see muutub mürgiseks keemiliseks aineks, mis veega reageerides moodustab söövitava vesinikfluoriidhappe. (Seda hapet nimetatakse tavaliselt söövitushappeks, kuna seda kasutatakse klaasi söövitamiseks.) Seetõttu nõuavad uraani rikastamise tehased samu kaitsemeetmeid nagu fluoriga töötavad keemiatehased, mille hulka kuulub ka UF -gaasi hoidmine.₆ viibige enamiku ajast madalal rõhul ja kasutage täiendavat ohutust piirkondades, kus on vaja kõrget rõhku.
• Ümbertöödeldud uraani tuleb hoida paksudes aedikutes, sest ²³²Selles olev U laguneb elementideks, mis kiirgavad tugevat gammakiirgust.
• Rikastatud uraani saab tavaliselt töödelda ainult üks kord.