Uraniul este folosit ca sursă de energie în reactoarele nucleare și a fost folosit pentru a produce prima bombă atomică, care a fost aruncată pe Hiroshima în 1945. Uraniul este exploatat sub formă de minereu numit pitchblende și este compus din mai mulți izotopi cu greutate atomică și mai multe niveluri diferite. de radioactivitate. Pentru utilizare în reacțiile de fisiune, numărul de izotopi 235U trebuie mărit la un nivel care este pregătit pentru fisiune în reactor sau bombă. Acest proces se numește îmbogățirea uraniului și există mai multe modalități de a face acest lucru.
Etapa
Metoda 1 din 7: Proces de bază de îmbogățire
Pasul 1. Decideți pentru ce va fi utilizat uraniul
Majoritatea uraniului extras conține doar aproximativ 0,7% 235U, cea mai mare parte a restului fiind izotopul 238mai stabil U. Tipul de reacție de fisiune pe care doriți să îl faceți cu uraniu determină creșterea 235U trebuie să facă astfel încât uraniul să poată fi utilizat în mod eficient.
- Uraniul utilizat în majoritatea motoarelor nucleare trebuie îmbogățit cu 3-5% 235U. (Unele reactoare nucleare, cum ar fi reactorul CANDU din Canada și reactorul Magnox din Regatul Unit, sunt proiectate pentru a utiliza uraniu neîmbogățit.)
- În schimb, uraniul, care este folosit pentru bombele atomice și focoase, trebuie să fie îmbogățit cu 90% 235U.
Pasul 2. Transformați minereul de uraniu în gaz
Majoritatea metodelor disponibile în prezent pentru îmbogățirea uraniului necesită transformarea minereului de uraniu într-un gaz cu temperatură scăzută. Fluorul gazos este de obicei pompat în mașina de conversie a minereului; oxidul de uraniu gazos reacționează cu fluorul pentru a produce hexafluorură de uraniu (UF6). Gazul este apoi procesat pentru a separa și colecta izotopii 235U.
Pasul 3. Îmbogățiți uraniu
Secțiunile ulterioare ale acestui articol descriu diferitele procese disponibile pentru îmbogățirea uraniului. Dintre toate procesele, difuzia gazelor și centrifugarea gazelor sunt cele mai frecvente două, dar se așteaptă ca separarea izotopului cu laser să le înlocuiască pe cele două.
Pasul 4. Schimbați gazul UF6 la dioxid de uraniu (UO2).
Odată îmbogățit, uraniul trebuie transformat într-o formă solidă stabilă pentru a fi utilizată după dorință.
Dioxidul de uraniu utilizat ca combustibil pentru reactoarele nucleare este transformat în boabe ceramice care sunt înfășurate în tuburi metalice, astfel încât acestea să devină tije de până la 4 m înălțime
Metoda 2 din 7: Procesul de difuzie a gazului
Pasul 1. Pompa gaz UF6 prin conductă.
Pasul 2. Pompați gazul printr-un filtru sau membrană poroasă
Datorită izotopului 235U este mai ușor decât izotopul 238U, UF6 izotopii mai ușori se vor difuza prin membrană mai rapid decât izotopii mai grei.
Pasul 3. Repetați procesul de difuzie până când este suficient 235Ai colectat.
Difuzia repetată se numește stratificată. Poate dura până la 1.400 de filtrări printr-o membrană poroasă pentru a obține suficient 235U pentru a îmbogăți bine uraniul.
Pasul 4. Condensarea gazului UF gazos6 sub formă lichidă.
Odată ce gazul a fost suficient de îmbogățit, gazul este condensat într-un lichid, apoi depozitat într-un recipient, unde se răcește și se solidifică pentru a fi transportat și transformat în boabe de combustibil.
Datorită cantității mari de filtrare necesare, acest proces consumă multă energie, deci este oprit. În Statele Unite, mai rămâne o singură fabrică de îmbogățire prin difuzie a gazelor, situată în Paducah, Kentucky
Metoda 3 din 7: Procesul de centrifugare cu gaz
Pasul 1. Instalați un număr de cilindri rotativi de mare viteză
Acest cilindru este o centrifugă. Centrifuga este instalată în serie sau paralel.
Pasul 2. Debit UF. Gaz6 în spinner.
Centrifuga folosește accelerația centripetă pentru a furniza un gaz care conține 238U mai greu față de peretele cilindrului și conținând gaz 235bricheta U până la centrul cilindrului.
Pasul 3. Extrageți gazele separate
Pasul 4. Reprocesați cele două gaze separate în două centrifuge separate
Gaz bogat 235U a fost trimis la o centrifugă unde 235U este încă mai extras, în timp ce gazul conține 235U redus este introdus într-o altă centrifugă pentru extragere 235Restul U. Acest lucru permite centrifugării să extragă mult mai mult 235U decât poate fi extras prin procesul de difuzie a gazului.
Procesul de centrifugare cu gaz a fost dezvoltat pentru prima dată în anii 1940, dar nu a fost folosit în mod semnificativ decât în anii 1960, când a devenit importantă capacitatea sa de a efectua procese de îmbogățire a uraniului cu energie mai mică. În prezent, fabrica de procesare a centrifugelor cu gaz din Statele Unite se află în Eunice, New Mexico. În schimb, Rusia are în prezent patru fabrici de acest tip, Japonia și China au câte două, în timp ce Regatul Unit, Olanda și Germania au câte una
Metoda 4 din 7: Procesul de separare aerodinamică
Pasul 1. Creați o serie de cilindri staționari îngustați
Pasul 2. Injectați gazul UF6 în cilindru cu viteză mare.
Gazul este tras în cilindru într-un mod care determină rotirea gazului ca un ciclon, producând astfel un tip de separare 235U și 238același U ca în procesul de centrifugare rotativă.
O metodă dezvoltată în Africa de Sud este injectarea gazului în butelii unul lângă altul. Această metodă este în prezent testată cu izotopi mai ușori, cum ar fi cei găsiți în siliciu
Metoda 5 din 7: Procesul de difuzie termică lichidă
Pasul 1. Gaz UF lichefiat6 sub presiune.
Pasul 2. Faceți o pereche de țevi concentrate
Conducta trebuie să fie suficient de înaltă, deoarece conducta mai înaltă permite separarea mai multor izotopi 235U și 238U.
Pasul 3. Acoperiți conducta cu un strat de apă
Acest lucru va răci exteriorul conductei.
Pasul 4. Pompa UF6 lichid între conducte.
Pasul 5. Încălziți tubul interior cu abur
Căldura va provoca curenți de convecție în UF6 care va atrage izotopul 235Bricheta U spre tubul interior mai fierbinte și împinge izotopul 238U-ul mai greu spre țeava exterioară mai rece.
Acest proces a fost cercetat în 1940 ca parte a Proiectului Manhattan, dar a fost abandonat într-un stadiu incipient al dezvoltării, când au fost dezvoltate procese mai eficiente de difuzie a gazelor
Metoda 6 din 7: Procesul de separare a izotopilor electromagnetici
Pasul 1. Ionizarea gazului UF6.
Pasul 2. Treceți gazul printr-un câmp magnetic puternic
Pasul 3. Separați izotopii uraniului ionizat pe baza urmelor lăsate în urmă când trec prin câmpul magnetic
Ion 235U lasă o urmă cu un alt arc decât ionul 238U. Ionii pot fi izolați pentru a îmbogăți uraniul.
Această metodă a fost utilizată pentru procesarea uraniului pentru bomba atomică aruncată pe Hiroshima în 1945 și este, de asemenea, metoda de îmbogățire utilizată de Irak în programul său de armament nuclear din 1992. Această metodă necesită de 10 ori mai multă energie decât difuzia gazoasă, ceea ce îl face impracticabil pentru program.. îmbogățire pe scară largă
Metoda 7 din 7: Procesul de separare a izotopilor laser
Pasul 1. Setați laserul la o anumită culoare
Fasciculul laser trebuie să fie complet de o anumită lungime de undă (monocromatică). Această lungime de undă va viza doar atomii 235U și lasă atomul 238U nu sunt afectate.
Pasul 2. Străluciți un fascicul laser pe uraniu
Spre deosebire de alte procese de îmbogățire a uraniului, nu trebuie să utilizați gaz de hexafluorură de uraniu, deși majoritatea proceselor cu laser o fac. De asemenea, puteți utiliza uraniu și aliaje de fier ca sursă de uraniu, care este utilizat în procesul de separare a izotopilor cu laser cu vapori atomici (AVLIS).
Pasul 3. Extracția atomilor de uraniu cu electroni excitați
Va fi atom 235U.
sfaturi
Unele țări au reprocesat combustibilul nuclear consumat pentru a recupera uraniul și plutoniul din acesta care s-a format în timpul procesului de fisiune. Uraniul reprocesat trebuie îndepărtat din izotop 232U și 236U se formează în timpul fisiunii și, dacă este îmbogățit, trebuie îmbogățit la un grad mai ridicat decât uraniul „proaspăt”, deoarece 236U absoarbe neutronii inhibând astfel procesul de fisiune. Prin urmare, uraniul reprocesat trebuie depozitat separat de uraniul care a fost nou îmbogățit pentru prima dată.
Avertizare
- Uraniul emite doar radioactivitate slabă; cu toate acestea, când este procesat în gaz UF6, devine o substanță chimică toxică care reacționează cu apa pentru a forma acid fluorhidric coroziv. (Acest acid este denumit în mod obișnuit „acid de gravare”, deoarece este utilizat pentru gravarea sticlei.) Prin urmare, plantele de îmbogățire a uraniului necesită aceleași măsuri de protecție ca și instalațiile chimice care lucrează cu fluor, care includ menținerea gazului UF la distanță.6 rămâneți sub presiune scăzută de cele mai multe ori și folosiți un nivel suplimentar de izolare în zonele în care este necesară o presiune ridicată.
- Uraniul reprocesat trebuie depozitat în incinte groase, deoarece 232U din el se descompune în elemente care emit radiații gamma puternice.
- De obicei, uraniul îmbogățit poate fi reprocesat o singură dată.
