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.
