Urán sa používa ako zdroj energie v jadrových reaktoroch a bol použitý na výrobu prvej atómovej bomby, ktorá bola zhodená na Hirošimu v roku 1945. Urán sa ťaží ako ruda nazývaná smolina a skladá sa z niekoľkých izotopov s atómovou hmotnosťou a niekoľkých rôznych úrovní. rádioaktivity. Na použitie v štiepnych reakciách počet izotopov 235U sa musí zvýšiť na úroveň, ktorá je pripravená na štiepenie v reaktore alebo bombe. Tento proces sa nazýva obohatenie uránu a existuje niekoľko spôsobov, ako to urobiť.
Krok
Metóda 1 zo 7: Základný proces obohacovania
Krok 1. Rozhodnite, na čo bude urán použitý
Väčšina vyťaženého uránu obsahuje len asi 0,7 percenta 235U, pričom väčšinu zvyšku tvorí izotop 238stabilnejší U. O tom, o koľko sa zvýši, rozhoduje typ štiepnej reakcie, ktorú chcete s uránom uskutočniť 235Musíte to urobiť tak, aby sa urán mohol efektívne využívať.
- Urán používaný vo väčšine jadrových energetických motorov je potrebné obohatiť na 3–5 percent 235U. (Niektoré jadrové reaktory, ako napríklad reaktor CANDU v Kanade a reaktor Magnox v Spojenom kráľovstve, sú navrhnuté tak, aby používali neobohatený urán.)
- Naproti tomu urán, ktorý sa používa na atómové bomby a hlavice, je potrebné obohatiť na 90 percent 235U.
Krok 2. Premeňte uránovú rudu na plyn
Väčšina v súčasnej dobe dostupných spôsobov obohacovania uránu vyžaduje, aby sa uránová ruda premenila na nízkoteplotný plyn. Plynný fluór sa obvykle čerpá do zariadenia na konverziu rudy; plynný oxid uránu reaguje s fluórom za vzniku hexafluoridu uránu (UF6). Plyn sa potom spracuje, aby sa oddelili a zozbierali izotopy 235U.
Krok 3. Obohatenie uránu
Neskoršie časti tohto článku popisujú rôzne procesy dostupné na obohatenie uránu. Zo všetkých procesov sú difúzia plynu a centrifugácia plynu dva najbežnejšie, ale očakáva sa, že tieto dva nahradí laserová izotopová separácia.
Krok 4. Vymeňte plyn UF6 na oxid uraničitý (UO2).
Po obohatení musí byť urán premenený na stabilnú pevnú formu, aby sa mohol používať podľa potreby.
Oxid uraničitý používaný ako palivo pre jadrové reaktory sa spracováva na jadrá keramických jadier, ktoré sú zabalené do kovových rúrok tak, aby sa stali tyčami vysokými až 4 m
Metóda 2 zo 7: Proces difúzie plynu
Krok 1. Čerpadlo UF plyn plyn6 cez potrubie.
Krok 2. Pumpujte plyn cez filter alebo poréznu membránu
Vzhľadom na izotop 235U je ľahší ako izotop 238U, UF6 ľahšie izotopy budú difundovať cez membránu rýchlejšie ako ťažšie izotopy.
Krok 3. Opakujte difúzny proces, kým nie je dostatok 235Zbieral si.
Opakovaná difúzia sa nazýva stratifikovaná. Na dostatočné množstvo môže stačiť až 1 400 filtrácií cez poréznu membránu 235Musíte dobre obohatiť urán.
Krok 4. Kondenzácia plynného plynu UF6 do tekutej formy.
Akonáhle je plyn dostatočne obohatený, kondenzuje do kvapaliny, potom sa skladuje v nádobe, kde sa ochladí a stuhne, aby sa mohol transportovať a spracovať na palivové zrná.
Vzhľadom na veľké množstvo potrebného filtrovania je tento proces energeticky náročný, takže sa zastaví. V USA zostáva iba jeden závod na obohacovanie plynovou difúziou, ktorý sa nachádza v meste Paducah, Kentucky
Metóda 3 zo 7: Proces plynovej odstredivky
Krok 1. Nainštalujte niekoľko vysokorýchlostných rotujúcich valcov
Tento valec je odstredivka. Odstredivka je inštalovaná sériovo alebo paralelne.
Krok 2. Tok plynu UF6 do rozmetadla.
Odstredivka používa dostredivé zrýchlenie na dodanie plynu obsahujúceho 238ťažšie U na stenu valca a obsahujúce plyn 235zapaľovača U do stredu valca.
Krok 3. Extrahujte oddelené plyny
Krok 4. Dva oddelené plyny znova spracujte v dvoch oddelených odstredivkách
Bohatý plyn 235U vás poslali do centrifúgy, kde 235U je stále viac extrahovaný, zatiaľ čo plyn obsahuje 235Znížený U sa zavedie do ďalšej odstredivky na extrakciu 235Zostávajúci U. To umožňuje odstredením extrahovať oveľa viac 235U potom môže byť extrahovaný procesom difúzie plynu.
Plynová centrifúga bola prvýkrát vyvinutá v štyridsiatych rokoch minulého storočia, ale do značnej miery sa začala používať až v šesťdesiatych rokoch minulého storočia, keď začala byť dôležitá jej schopnosť vykonávať procesy obohacovania uránu s nižšou energiou. V súčasnosti je závod na výrobu plynových odstrediviek v USA v meste Eunice v Novom Mexiku. Naproti tomu Rusko má v súčasnosti štyri továrne tohto druhu, Japonsko a Čína majú po dve, zatiaľ čo Spojené kráľovstvo, Holandsko a Nemecko majú po jednom
Metóda 4 zo 7: Aerodynamický separačný proces
Krok 1. Vytvorte sériu úzkych, stacionárnych valcov
Krok 2. Vstreknite plynový plyn UF6 do valca pri vysokých otáčkach.
Plyn je do valca spaľovaný spôsobom, ktorý spôsobuje, že sa plyn otáča ako cyklón, čím vzniká druh separácie 235U a 238rovnaké U ako v procese rotačnej odstredivky.
Jednou z metód vyvinutých v Južnej Afrike je vstrekovanie plynu do valcov vedľa seba. Táto metóda sa v súčasnosti testuje s ľahšími izotopmi, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v kremíku
Metóda 5 zo 7: Proces tepelnej difúzie kvapaliny
Krok 1. Skvapalnite plyn UF6 pod tlakom.
Krok 2. Vytvorte pár koncentrátových rúrok
Potrubie musí byť dostatočne vysoké, pretože vyššie potrubie umožňuje väčšiu separáciu izotopov 235U a 238U.
Krok 3. Potiahnite rúrku vrstvou vody
Vonkajšie potrubie sa tým ochladí.
Krok 4. Čerpadlo UF6 kvapalina medzi rúrkami.
Krok 5. Vnútornú trubicu zohrejte parou
Teplo spôsobí v UF konvekčné prúdy6 ktorý bude priťahovať izotop 235Zapaľovač U smerom k teplejšej vnútornej trubici a tlačí izotop 238ťažšie U smerom k chladnejšiemu vonkajšiemu potrubiu.
Tento proces bol skúmaný v roku 1940 ako súčasť projektu Manhattan, ale bol opustený v počiatočnom štádiu vývoja, keď boli vyvinuté účinnejšie procesy difúzie plynu
Metóda 6 zo 7: Proces separácie elektromagnetických izotopov
Krok 1. Ionizácia plynu UF6.
Krok 2. Prejdite plyn cez silné magnetické pole
Krok 3. Izotopy ionizovaného uránu oddeľte na základe stôp, ktoré zostanú pri ich prechode magnetickým poľom
Ión 235U zanechá stopu s iným oblúkom ako ión 238U. Ióny môžu byť izolované na obohatenie uránu.
Táto metóda bola použitá na spracovanie uránu pre atómovú bombu zhodenú na Hirošimu v roku 1945 a je tiež metódou obohacovania, ktorú Irak používa v programe jadrových zbraní v roku 1992. Táto metóda vyžaduje 10 -krát viac energie ako plynná difúzia, čo je pre program nepraktické.. rozsiahle obohatenie
Metóda 7 zo 7: Proces separácie laserových izotopov
Krok 1. Nastavte laser na konkrétnu farbu
Laserový lúč musí mať úplne jednu konkrétnu vlnovú dĺžku (monochromatickú). Táto vlnová dĺžka bude zacieľovať iba na atómy 235U, a nechaj atóm 238Nie ste ovplyvnení.
Krok 2. Svieti laserovým lúčom na urán
Na rozdiel od iných procesov obohacovania uránu nemusíte používať plyn hexafluoridu uránu, aj keď väčšina laserových procesov to robí. Ako zdroj uránu môžete použiť aj urán a zliatiny železa, ktoré sa používajú v procese AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotop Separation).
Krok 3. Extrakcia atómov uránu excitovanými elektrónmi
Bude to atóm 235U.
Tipy
Niektoré krajiny prepracujú vyhoreté jadrové palivo na regeneráciu uránu a plutónia v ňom, ktoré vznikli počas štiepneho procesu. Znovu spracovaný urán sa musí z izotopu odstrániť 232U a 236U vzniká pri štiepení a ak je obohatené, musí byť obohatené o vyšší stupeň ako „čerstvý“urán, pretože 236U absorbuje neutróny, čím inhibuje proces štiepenia. Preto musí byť prepracovaný urán skladovaný oddelene od uránu, ktorý bol po prvýkrát novo obohatený.
Pozor
- Urán vyžaruje iba slabú rádioaktivitu; pri spracovaní na plyn UF6, stáva sa toxickou chemickou látkou, ktorá reaguje s vodou za vzniku žieravej kyseliny fluorovodíkovej. (Táto kyselina sa bežne nazýva „leptacia kyselina“, pretože sa používa na leptanie skla.) Preto zariadenia na obohacovanie uránu vyžadujú rovnaké ochranné opatrenia ako chemické závody pracujúce s fluórom, medzi ktoré patrí aj udržiavanie plynu UF na uzde.6 zostaňte väčšinu času pod nízkym tlakom a v priestoroch, kde je požadovaný vysoký tlak, použite zvýšenú izoláciu.
- Prepracovaný urán musí byť skladovaný v hrubých uzavretých priestoroch, pretože 232U v ňom sa rozkladá na prvky, ktoré vyžarujú silné gama žiarenie.
- Obohatený urán je zvyčajne možné opätovne spracovať iba raz.
