Το ουράνιο χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας, η οποία έπεσε στη Χιροσίμα το 1945. Το ουράνιο εξορύσσεται ως μεταλλεύμα που ονομάζεται pitchblende και αποτελείται από πολλά ισότοπα ατομικού βάρους και αρκετά διαφορετικά επίπεδα της ραδιενέργειας. Για χρήση σε αντιδράσεις σχάσης, ο αριθμός των ισοτόπων 235Το U πρέπει να αυξηθεί σε επίπεδο έτοιμο για σχάση στον αντιδραστήρα ή τη βόμβα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εμπλουτισμός ουρανίου και υπάρχουν διάφοροι τρόποι να το κάνουμε.
Βήμα
Μέθοδος 1 από 7: Βασική Διαδικασία Εμπλουτισμού
Βήμα 1. Αποφασίστε για ποιο σκοπό θα χρησιμοποιηθεί το ουράνιο
Το μεγαλύτερο εξορύσσεται ουράνιο περιέχει μόνο περίπου 0,7 τοις εκατό 235U, με το μεγαλύτερο μέρος του υπόλοιπου να είναι το ισότοπο 238πιο σταθερή U. Ο τύπος της αντίδρασης διάσπασης που θέλετε να κάνετε με το ουράνιο καθορίζει πόσο θα αυξηθεί 235Πρέπει να το κάνετε έτσι ώστε το ουράνιο να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά.
- Το ουράνιο που χρησιμοποιείται στους περισσότερους πυρηνικούς κινητήρες πρέπει να εμπλουτιστεί στο 3-5 τοις εκατό 235U. (Ορισμένοι πυρηνικοί αντιδραστήρες, όπως ο αντιδραστήρας CANDU στον Καναδά και ο αντιδραστήρας Magnox στο Ηνωμένο Βασίλειο, έχουν σχεδιαστεί για να χρησιμοποιούν μη εμπλουτισμένο ουράνιο.)
- Αντίθετα, το ουράνιο, το οποίο χρησιμοποιείται για ατομικές βόμβες και κεφαλές, πρέπει να εμπλουτιστεί στο 90 % 235U.
Βήμα 2. Μετατρέψτε το μεταλλεύμα ουρανίου σε αέριο
Οι περισσότερες από τις τρέχουσες διαθέσιμες μεθόδους εμπλουτισμού ουρανίου απαιτούν τη μετατροπή του μεταλλεύματος ουρανίου σε αέριο χαμηλής θερμοκρασίας. Το αέριο φθόριο αντλείται συνήθως στη μηχανή μετατροπής μεταλλεύματος. το αέριο οξείδιο του ουρανίου αντιδρά με το φθόριο για να παράγει εξαφθοριούχο ουράνιο (UF6). Το αέριο στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία για τον διαχωρισμό και τη συλλογή των ισοτόπων 235U.
Βήμα 3. Εμπλουτισμός ουρανίου
Μεταγενέστερες ενότητες αυτού του άρθρου περιγράφουν τις διάφορες διαδικασίες που είναι διαθέσιμες για τον εμπλουτισμό ουρανίου. Από όλες τις διαδικασίες, η διάχυση αερίου και η φυγοκέντρηση αερίου είναι οι δύο πιο συνηθισμένες, αλλά ο διαχωρισμός ισοτόπων λέιζερ αναμένεται να αντικαταστήσει τις δύο.
Βήμα 4. Αλλαγή αερίου UF6 στο διοξείδιο του ουρανίου (UO)2).
Μόλις εμπλουτιστεί, το ουράνιο πρέπει να μετατραπεί σε σταθερή στερεή μορφή για χρήση όπως επιθυμείτε.
Το διοξείδιο του ουρανίου που χρησιμοποιείται ως καύσιμο για πυρηνικούς αντιδραστήρες μετατρέπεται σε κεραμικούς κόκκους πυρήνα οι οποίοι είναι τυλιγμένοι σε μεταλλικούς σωλήνες έτσι ώστε να γίνουν ράβδοι ύψους έως 4 m
Μέθοδος 2 από 7: Διαδικασία διάχυσης αερίου
Βήμα 1. Αντλήστε αέριο αερίου UF6 μέσω του σωλήνα.
Βήμα 2. Αντλήστε το αέριο μέσω φίλτρου ή πορώδους μεμβράνης
Λόγω του ισοτόπου 235Το U είναι ελαφρύτερο από το ισότοπο 238U, UF6 ελαφρύτερα ισότοπα θα διαχέονται μέσω της μεμβράνης πιο γρήγορα από τα βαρύτερα ισότοπα.
Βήμα 3. Επαναλάβετε τη διαδικασία διάχυσης μέχρι να είναι αρκετή 235U συλλέχθηκε.
Η επαναλαμβανόμενη διάχυση ονομάζεται στρωματοποιημένη. Μπορεί να χρειαστεί έως και 1.400 φιλτράρισμα μέσω μιας πορώδους μεμβράνης για να φτάσει αρκετά 235U για να εμπλουτίσετε καλά το ουράνιο.
Βήμα 4. Συμπύκνωση αερίου αερίου UF6 σε υγρή μορφή.
Μόλις το αέριο έχει εμπλουτιστεί επαρκώς, το αέριο συμπυκνώνεται σε υγρό και στη συνέχεια αποθηκεύεται σε δοχείο, όπου ψύχεται και στερεοποιείται για να μεταφερθεί και να γίνει κόκκοι καυσίμου.
Λόγω της μεγάλης ποσότητας φιλτραρίσματος που απαιτείται, αυτή η διαδικασία είναι ενεργειακά απαιτητική και έτσι διακόπτεται. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, παραμένει μόνο μία μονάδα εμπλουτισμού διάχυσης αερίου, που βρίσκεται στην Paducah του Κεντάκι
Μέθοδος 3 από 7: Διαδικασία φυγοκέντρησης αερίου
Βήμα 1. Εγκαταστήστε έναν αριθμό περιστρεφόμενων κυλίνδρων υψηλής ταχύτητας
Αυτός ο κύλινδρος είναι φυγόκεντρος. Η φυγόκεντρος εγκαθίσταται σε σειρά ή παράλληλα.
Βήμα 2. Ροή αερίου UF6 στο κλωστήριο.
Η φυγόκεντρος χρησιμοποιεί κεντρομόλο επιτάχυνση για να παραδώσει ένα αέριο που περιέχει 238βαρύτερο U στο τοίχωμα του κυλίνδρου και που περιέχει αέριο 235αναπτήρα U στο κέντρο του κυλίνδρου.
Βήμα 3. Εξαγάγετε τα διαχωρισμένα αέρια
Βήμα 4. Επανεπεξεργασία των δύο διαχωρισμένων αερίων σε δύο ξεχωριστές φυγόκεντρες
Πλούσιο αέριο 235Ο U στάλθηκε σε φυγόκεντρο όπου 235Το U είναι ακόμα πιο εξαγόμενο, ενώ το αέριο που περιέχει 235Το μειωμένο U τροφοδοτείται σε άλλη φυγόκεντρο για να εξαχθεί 235Το υπόλοιπο U. Αυτό επιτρέπει στη φυγοκέντρηση να εξαγάγει πολύ περισσότερα 235U μπορεί να εξαχθεί με τη διαδικασία διάχυσης αερίου.
Η διαδικασία φυγοκέντρησης αερίου αναπτύχθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1940, αλλά δεν χρησιμοποιήθηκε σημαντικά μέχρι τη δεκαετία του 1960, όταν η ικανότητά της να πραγματοποιεί διαδικασίες εμπλουτισμού ουρανίου χαμηλότερης ενέργειας έγινε σημαντική. Επί του παρόντος, το εργοστάσιο επεξεργασίας φυγοκεντρητή αερίου στις Ηνωμένες Πολιτείες βρίσκεται στην Eunice του Νέου Μεξικού. Αντίθετα, η Ρωσία διαθέτει σήμερα τέσσερα εργοστάσια αυτού του τύπου, η Ιαπωνία και η Κίνα έχουν δύο το καθένα, ενώ το Ηνωμένο Βασίλειο, οι Κάτω Χώρες και η Γερμανία έχουν από ένα
Μέθοδος 4 από 7: Αεροδυναμική διαδικασία διαχωρισμού
Βήμα 1. Δημιουργήστε μια σειρά από στενούς, σταθερούς κυλίνδρους
Βήμα 2. Έγχυση αερίου UF UF6 στον κύλινδρο με μεγάλη ταχύτητα.
Το αέριο εκτοξεύεται στον κύλινδρο με τρόπο που προκαλεί την περιστροφή του αερίου σαν κυκλώνας, δημιουργώντας έτσι έναν τύπο διαχωρισμού 235U και 238το ίδιο U όπως στην περιστρεφόμενη διαδικασία φυγοκέντρησης.
Μια μέθοδος που αναπτύχθηκε στη Νότια Αφρική είναι η έγχυση αερίου στους κυλίνδρους δίπλα -δίπλα. Αυτή η μέθοδος δοκιμάζεται επί του παρόντος με ελαφρύτερα ισότοπα όπως αυτά που βρίσκονται στο πυρίτιο
Μέθοδος 5 από 7: Υγρή θερμική διαδικασία διάχυσης
Βήμα 1. Υγροποιήστε το αέριο UF6 υπό πίεση.
Βήμα 2. Φτιάξτε ένα ζευγάρι σωλήνες συμπυκνώματος
Ο σωλήνας πρέπει να είναι αρκετά ψηλός, επειδή ο ψηλότερος σωλήνας επιτρέπει περισσότερο διαχωρισμό ισοτόπων 235U και 238U.
Βήμα 3. Στρώστε το σωλήνα με ένα στρώμα νερού
Αυτό θα δροσίσει το εξωτερικό του σωλήνα.
Βήμα 4. Αντλία UF6 υγρό μεταξύ των σωλήνων.
Βήμα 5. Θερμάνετε τον εσωτερικό σωλήνα με ατμό
Η θερμότητα θα προκαλέσει ρεύματα μεταφοράς στο UF6 που θα προσελκύσει το ισότοπο 235Το ελαφρύτερο U προς τον θερμότερο εσωτερικό σωλήνα και ωθεί το ισότοπο 238το βαρύτερο U προς τον πιο ψυχρό εξωτερικό σωλήνα.
Αυτή η διαδικασία ερευνήθηκε το 1940 ως μέρος του έργου του Μανχάταν, αλλά εγκαταλείφθηκε σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, όταν αναπτύχθηκαν πιο αποτελεσματικές διαδικασίες διάχυσης αερίου
Μέθοδος 6 από 7: Διαδικασία ηλεκτρομαγνητικού διαχωρισμού ισοτόπων
Βήμα 1. Ιονισμός αερίου UF6.
Βήμα 2. Περάστε το αέριο μέσα από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο
Βήμα 3. Διαχωρίστε τα ισότοπα ιονισμένου ουρανίου με βάση τα ίχνη που αφήνονται πίσω καθώς περνούν μέσα από το μαγνητικό πεδίο
Ιόν 235U αφήνει ένα ίχνος με διαφορετικό τόξο από το ιόν 238U. Τα ιόντα μπορούν να απομονωθούν για να εμπλουτίσουν το ουράνιο.
Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία ουρανίου για την ατομική βόμβα που έπεσε στη Χιροσίμα το 1945 και είναι επίσης η μέθοδος εμπλουτισμού που χρησιμοποιήθηκε από το Ιράκ στο πρόγραμμα πυρηνικών όπλων το 1992. Αυτή η μέθοδος απαιτεί 10 φορές περισσότερη ενέργεια από τη διάχυση αερίων, καθιστώντας τη μη πρακτική για το πρόγραμμα μεγάλης κλίμακας εμπλουτισμός
Μέθοδος 7 από 7: Διαδικασία διαχωρισμού ισοτόπων λέιζερ
Βήμα 1. Ρυθμίστε το λέιζερ σε ένα συγκεκριμένο χρώμα
Η δέσμη λέιζερ πρέπει να είναι εντελώς ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος (μονόχρωμη). Αυτό το μήκος κύματος θα στοχεύει μόνο άτομα 235U, και αφήστε το άτομο 238U δεν επηρεάζονται.
Βήμα 2. Λάμψτε μια ακτίνα λέιζερ πάνω στο ουράνιο
Σε αντίθεση με άλλες διαδικασίες εμπλουτισμού ουρανίου, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιείτε εξαφθοριούχο αέριο ουρανίου, αν και το κάνουν οι περισσότερες διαδικασίες λέιζερ. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε ουράνιο και κράματα σιδήρου ως πηγή ουρανίου, η οποία χρησιμοποιείται στη διαδικασία διαχωρισμού ισοτόπων λέιζερ ατομικών ατμών (AVLIS).
Βήμα 3. Εξαγωγή ατόμων ουρανίου με διεγερμένα ηλεκτρόνια
Θα είναι άτομο 235U.
Συμβουλές
Ορισμένες χώρες επανεπεξεργάστηκαν αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο για να ανακτήσουν το ουράνιο και το πλουτώνιο σε αυτό που σχηματίστηκε κατά τη διαδικασία της σχάσης. Το επανεπεξεργασμένο ουράνιο πρέπει να αφαιρεθεί από το ισότοπο 232U και 236Το U σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της σχάσης και, εάν εμπλουτιστεί, πρέπει να εμπλουτιστεί σε υψηλότερο βαθμό από το «φρέσκο» ουράνιο, επειδή 236Το U απορροφά νετρόνια αναστέλλοντας έτσι τη διαδικασία της σχάσης. Επομένως, το επανεπεξεργασμένο ουράνιο πρέπει να αποθηκεύεται ξεχωριστά από το ουράνιο που εμπλουτίστηκε πρόσφατα για πρώτη φορά.
Προειδοποίηση
- Το ουράνιο εκπέμπει μόνο ασθενή ραδιενέργεια. Ωστόσο, όταν επεξεργάζεται σε αέριο UF6, γίνεται τοξική χημική ουσία που αντιδρά με το νερό για να σχηματίσει διαβρωτικό υδροφθορικό οξύ. (Αυτό το οξύ συνήθως ονομάζεται "οξύ χάραξης" επειδή χρησιμοποιείται για την χάραξη γυαλιού.) Επομένως, οι μονάδες εμπλουτισμού ουρανίου απαιτούν τα ίδια προστατευτικά μέτρα με τα χημικά εργοστάσια που εργάζονται με φθόριο, τα οποία περιλαμβάνουν την αποτροπή του αερίου UF.6 παραμείνετε υπό χαμηλή πίεση τις περισσότερες φορές και χρησιμοποιήστε ένα επιπλέον επίπεδο περιορισμού σε περιοχές όπου απαιτείται υψηλή πίεση.
- Το επανεπεξεργασμένο ουράνιο πρέπει να αποθηκεύεται σε χοντρά περιβλήματα, επειδή 232Το U σε αυτό αποσυντίθεται σε στοιχεία που εκπέμπουν ισχυρή ακτινοβολία γάμμα.
- Το εμπλουτισμένο ουράνιο μπορεί συνήθως να υποστεί επανεπεξεργασία μόνο μία φορά.
