7 způsobů, jak obohatit uran

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-15 08:11

Uran se používá jako zdroj energie v jaderných reaktorech a byl použit k výrobě první atomové bomby, která byla svržena na Hirošimu v roce 1945. Uran se těží jako ruda zvaná smolinec a skládá se z několika izotopů o atomové hmotnosti a několika různých úrovní radioaktivity. Pro použití při štěpných reakcích počet izotopů ²³⁵U musí být zvýšeno na úroveň, která je připravena ke štěpení v reaktoru nebo bombě. Tento proces se nazývá obohacování uranu a existuje několik způsobů, jak toho dosáhnout.

Krok

Metoda 1 ze 7: Základní proces obohacování

Krok 1. Rozhodněte, k čemu bude uran použit

Většina těženého uranu obsahuje jen asi 0,7 procenta ²³⁵U, přičemž většina zbytku je izotop ²³⁸stabilnější U. O tom, o kolik se zvýší, rozhoduje typ štěpné reakce, kterou chcete s uranem provést ²³⁵Musíte to udělat, aby bylo možné účinně využívat uran.

• Uran používaný ve většině jaderných energetických motorů je třeba obohatit na 3–5 procent ²³⁵U. (Některé jaderné reaktory, jako je reaktor CANDU v Kanadě a reaktor Magnox ve Spojeném království, jsou navrženy tak, aby používaly neobohacený uran.)
• Naproti tomu uran, který se používá pro atomové bomby a hlavice, je třeba obohatit na 90 procent ²³⁵U.

Krok 2. Proměňte uranovou rudu na plyn

Většina v současnosti dostupných metod obohacování uranu vyžaduje, aby byla uranová ruda přeměněna na nízkoteplotní plyn. Fluorový plyn se obvykle čerpá do stroje na konverzi rudy; plynný oxid uranu reaguje s fluorem za vzniku hexafluoridu uranu (UF₆). Plyn je poté zpracován tak, aby oddělil a shromáždil izotopy ²³⁵U.

Krok 3. Obohaťte uran

Další části tohoto článku popisují různé procesy, které jsou k dispozici k obohacení uranu. Ze všech procesů jsou dvě nejčastější plynová difúze a plynová centrifugace, ale očekává se, že je nahradí laserová izotopová separace.

Krok 4. Změňte plyn UF₆ na oxid uraničitý (UO₂).

Jakmile je uran obohacen, je třeba jej podle potřeby převést na stabilní pevnou formu.

Oxid uraničitý používaný jako palivo pro jaderné reaktory se zpracovává na zrna keramického jádra, která jsou obalena kovovými trubkami tak, aby se z nich staly tyče vysoké až 4 m

Metoda 2 ze 7: Proces difúze plynu

Krok 1. Čerpadlo UF plyn plyn₆ skrz potrubí.

Krok 2. Pumpujte plyn přes filtr nebo porézní membránu

Kvůli izotopu ²³⁵U je lehčí než izotop ²³⁸U, UF₆ lehčí izotopy budou difundovat membránou rychleji než těžší izotopy.

Krok 3. Opakujte difúzní proces, dokud nebude dostatek ²³⁵Sbíral jsi.

Opakovaná difúze se nazývá stratifikovaná. Aby bylo dost, může to trvat až 1400 filtrací přes porézní membránu ²³⁵U dobře obohatit uran.

Krok 4. Kondenzace plynného plynu UF₆ do tekuté formy.

Jakmile je plyn dostatečně obohacen, je plyn zkondenzován na kapalinu, poté skladován v nádobě, kde se ochladí a ztuhne, aby mohl být transportován a zpracován na palivová zrna.

Vzhledem k velkému množství požadovaného filtrování je tento proces energeticky náročný, takže je zastaven. Ve Spojených státech zůstává pouze jeden závod na obohacování plynové difúze, který se nachází v Paducahu v Kentucky

Metoda 3 ze 7: Proces plynové odstředivky

Krok 1. Nainstalujte několik vysokorychlostních rotujících válců

Tento válec je odstředivka. Odstředivka je instalována sériově nebo paralelně.

Krok 2. Tok plynu UF₆ do rozmetače.

Odstředivka využívá dostředivé zrychlení k dodání plynu obsahujícího ²³⁸těžší U ke stěně válce a obsahující plyn ²³⁵lehčí U do středu válce.

Krok 3. Extrahujte oddělené plyny

Krok 4. Znovu zpracujte dva oddělené plyny ve dvou oddělených odstředivkách

Bohatý plyn ²³⁵Byl jsi poslán do centrifugy, kde ²³⁵U je stále více extrahováno, zatímco plyn obsahuje ²³⁵Snížené U se přivádí do jiné odstředivky k extrakci ²³⁵Zbývající U. To umožňuje centrifugací extrahovat mnohem více ²³⁵U pak lze extrahovat procesem difúze plynu.

Proces plynové odstředivky byl poprvé vyvinut ve čtyřicátých letech minulého století, ale do značného využití byl uveden až v šedesátých letech minulého století, kdy nabyla na významu jeho schopnost provádět procesy obohacování uranu s nižší energií. V současné době je závod na výrobu plynových odstředivek ve Spojených státech v Eunice v Novém Mexiku. Naproti tomu Rusko má v současné době čtyři továrny tohoto typu, Japonsko a Čína mají po dvou, zatímco Spojené království, Nizozemsko a Německo mají po jedné

Metoda 4 ze 7: Aerodynamický separační proces

Krok 1. Vytvořte řadu úzkých, stacionárních válců

Krok 2. Vstříkněte plynový plyn UF₆ do válce vysokou rychlostí.

Plyn je do válce vypalován způsobem, který způsobuje, že se plyn otáčí jako cyklon, čímž vzniká určitý druh separace ²³⁵U a ²³⁸stejné U jako v procesu rotační odstředivky.

Jednou z metod vyvinutých v Jižní Africe je vstřikování plynu do válců vedle sebe. Tato metoda je v současné době testována s lehčími izotopy, jako jsou ty, které se nacházejí v křemíku

Metoda 5 ze 7: Proces tepelné difúze kapaliny

Krok 1. Zkapalněte plyn UF₆ pod tlakem.

Krok 2. Vytvořte pár koncentrátových trubek

Potrubí musí být dostatečně vysoké, protože vyšší potrubí umožňuje větší oddělení izotopů ²³⁵U a ²³⁸U.

Krok 3. Potřete trubku vrstvou vody

Tím se vnější trubka ochladí.

Krok 4. Čerpadlo UF₆ kapalina mezi trubkami.

Krok 5. Zahřejte duši párou

Teplo způsobí v UF konvekční proudy₆ který bude přitahovat izotop ²³⁵Zapalovač U směrem k teplejší vnitřní trubce a tlačí izotop ²³⁸těžší U směrem k chladnějšímu vnějšímu potrubí.

Tento proces byl zkoumán v roce 1940 jako součást projektu Manhattan, ale byl opuštěn v rané fázi vývoje, kdy byly vyvinuty účinnější procesy difúze plynu

Metoda 6 ze 7: Proces separace elektromagnetických izotopů

Krok 1. Ionizace plynu UF₆.

Krok 2. Projděte plyn silným magnetickým polem

Krok 3. Oddělte izotopy ionizovaného uranu na základě stop zanechaných při jejich průchodu magnetickým polem

Ion ²³⁵U zanechává stopu s jiným obloukem než ion ²³⁸U. Ionty lze izolovat za účelem obohacení uranu.

Tato metoda byla použita ke zpracování uranu pro atomovou bombu svrženou na Hirošimu v roce 1945 a je také metodou obohacování používanou Irákem v jejím programu jaderných zbraní v roce 1992. Tato metoda vyžaduje 10krát více energie než plynná difúze, což je pro program nepraktické. rozsáhlé obohacení

Metoda 7 ze 7: Proces separace laserových izotopů

Krok 1. Nastavte laser na konkrétní barvu

Laserový paprsek musí mít zcela jednu konkrétní vlnovou délku (monochromatickou). Tato vlnová délka bude cílit pouze na atomy ²³⁵U, a nech atom ²³⁸Nejste ovlivněni.

Krok 2. Posviťte laserovým paprskem na uran

Na rozdíl od jiných procesů obohacování uranu nemusíte používat plyn hexafluoridu uranu, ačkoli většina laserových procesů ano. Jako zdroj uranu můžete také použít uran a slitiny železa, které se používají v procesu AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation).

Krok 3. Extrakce atomů uranu excitovanými elektrony

Bude to atom ²³⁵U.

Tipy

Některé země přepracují vyhořelé jaderné palivo na regeneraci uranu a plutonia, které v něm vznikly během štěpného procesu. Přepracovaný uran musí být z izotopu odstraněn ²³²U a ²³⁶U vzniká při štěpení a pokud je obohaceno, musí být obohaceno na vyšší stupeň než „čerstvý“uran, protože ²³⁶U absorbuje neutrony, čímž inhibuje proces štěpení. Proto musí být přepracovaný uran skladován odděleně od uranu, který byl nově nově obohacen.

Varování

• Uran emituje pouze slabou radioaktivitu; při zpracování na plyn UF₆, stává se toxickou chemickou látkou, která reaguje s vodou za vzniku korozivní kyseliny fluorovodíkové. (Tato kyselina se běžně nazývá „leptací kyselina“, protože se používá k leptání skla.) Proto továrny na obohacování uranu vyžadují stejná ochranná opatření jako chemické závody pracující s fluorem, mezi které patří udržování plynu UF na uzdě.₆ zůstaňte po většinu času pod nízkým tlakem a použijte další úroveň izolace v oblastech, kde je vyžadován vysoký tlak.
• Přepracovaný uran musí být skladován v silných pouzdrech, protože ²³²U v něm se rozkládá na prvky, které vyzařují silné záření gama.
• Obohacený uran lze obvykle přepracovat pouze jednou.