Ako obohatiť urán?

Zostavte niekoľko vysokorýchlostných rotujúcich valcov — Ak chcete použiť postup plynovej odstredivky, zostavte niekoľko vysokorýchlostných rotujúcich valcov a vložte do nich plyn hexafluorid uránu, aby sa oddelil a extrahoval požadovaný izotop uránu.

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 smolinec a pozostáva z niekoľkých izotopov s rôznou atómovou hmotnosťou a rôznej úrovne rádioaktivity. Aby sa použilo v štiepnych reakciách, množstvo izotopu ²³⁵ U sa musí zvýšiť na úroveň, ktorá umožní pripravené štiepenie v reaktore alebo bombe. Tento proces sa nazýva obohacujúci urán a existuje niekoľko spôsobov, ako to urobiť.

Metóda 1 zo 7: základný proces obohacovania

1
Rozhodnite sa, na čo bude urán použitý. Väčšina vyťaženého uránu obsahuje iba asi 0,7 percenta ²³⁵ U, pričom väčšina zo zvyšku je porovnateľne stabilný izotop ²³⁸ U. Na aký typ štiepnej reakcie bude urán použitý, určuje, na čo je potrebné zvýšiť úroveň ²³⁵ U uránu, ktorý sa má efektívne využívať.
- Urán používaný vo väčšine jadrových elektrární je potrebné obohatiť na úroveň 3 až 5 percent ²³⁵ U. (Niekoľko jadrových reaktorov, ako napríklad reaktora CANDU v Kanade a reaktora Magnox v Spojenom kráľovstve, je navrhnutých tak, aby využívali neobohatený urán..)
- Naopak, urán používaný na atómové bomby a hlavice je potrebné obohatiť na 90 percent ²³⁵ U.
2

Premeňte uránovú rudu na plyn. Väčšina v súčasnosti existujúcich spôsobov obohacovania uránu vyžaduje, aby sa ruda premenila na plyn s nízkou teplotou. Fluórovaný plyn sa bežne čerpá do závodu na konverziu rudy; plynný oxid uránu reaguje s fluórom za vzniku hexafluoridu uránu (UF ₆). Plyn sa potom nechá pôsobiť, aby sa oddelil a zhromaždil izotop ²³⁵ U.
3

Obohaťte urán. Zostávajúce časti tohto článku popisujú rôzne procesy dostupné na obohatenie uránu. Z nich sú dve najbežnejšie plynná difúzia a plynová centrifúga, ale očakáva sa, že ich nahradí proces separácie laserových izotopov.
4
Premeňte plyn uf ₆ na oxid uraničitý (uo ₂). Po obohatení musí byť urán na zamýšľané použitie premenený na stabilnú pevnú formu.
- Oxid uraničitý používaný ako palivo v jadrových reaktoroch sa spracováva na centrované keramické pelety uzavreté v kovových rúrkach na výrobu tyčí dlhých 4 m (13,12 metra)

Metóda 2 zo 7: proces plynnej difúzie

1

Čerpadlo uf ₆ potrubím.
2

Pretlačte plyn cez porézny filter alebo membránu. Pretože izotop ²³⁵ U je ľahší ako izotop ²³⁸ U, UF ₆ obsahujúci ľahší izotop bude difundovať membránou rýchlejšie ako ťažší izotop.
3

Difúzny proces opakujte, kým sa nezozbiera dostatok ²³⁵ u. Opakovaná difúzia sa nazýva kaskáda. Cez porézne membrány môže trvať až 1400 prechodov, kým sa získa dostatok ²³⁵ U na dostatočné obohatenie uránu.
4
Kondenzujte plyn uf ₆ do kvapalnej formy. Akonáhle je plyn dostatočne obohatený, kondenzuje na kvapalinu a potom sa skladuje v nádobách, kde sa ochladí a stuhne, aby sa z nich mohli vyrobiť palivové pelety.
- Vzhľadom na požadovaný počet prechodov je tento proces energeticky náročný a postupne sa ukončuje. V Európe zostáva iba jedna rastlina na obohatenie plynnej difúzie, ktorá sa nachádza v meste Paducah v štáte Kentucky.

Na obohatenie uránu je potrebné uviesť fluór na premenu rudy na hexafluorid uránu.

Metóda 3 zo 7: proces plynovej odstredivky

1

Zostavte niekoľko vysokorýchlostných rotujúcich valcov. Tieto valce sú odstredivky. Odstredivky sú zostavené v sériovom aj paralelnom usporiadaní.
2

Potrubie uf ₆ privádzajte do odstrediviek. Odstredivky používajú dostredivé zrýchlenie na odoslanie ťažšieho plynu s ložiskom²38 U na stenu valca a ľahšieho plynu s ložiskom²35 U do stredu.
3

Oddelené plyny sa extrahujú.
4
Separované plyny spracujte v oddelených odstredivkách. K ²³⁵ U-bohaté plyny sú odosielané do odstredivky, kde ešte ²³⁵ je extrahovaný U, zatiaľ čo ²³⁵ U ochudobnený plyn prebieha na inú odstredivky získať ešte viac zo zostávajúcich ²³⁵ U. To umožňuje, aby sa proces odstredivka extrahovať e-mail ²³⁵ U, ako môže proces plynnej difúzie.
- Proces plynovej odstredivky bol prvýkrát vyvinutý v štyridsiatych rokoch minulého storočia, ale do značného významu sa dostal až v šesťdesiatych rokoch minulého storočia, keď začali byť dôležité jeho nižšie energetické požiadavky na výrobu obohateného uránu. V súčasnosti v Európe v Eunice v Novom Mexiku existuje závod na spracovanie plynových odstrediviek. Naopak, Rusko má v súčasnosti štyri takéto závody, Japonsko a Čína majú po dva, zatiaľ čo Spojené kráľovstvo, Holandsko a Nemecko majú po jednom.

Metóda 4 zo 7: Areodynamický separačný proces

1

Postavte sériu stacionárnych úzkych valcov.
2
Vstreknite plyn uf ₆ do valcov vysokou rýchlosťou. Tento plyn je vháňaný do valcov takým spôsobom, že je indukované do rotácie v cyklónového spôsobom, produkovať rovnaký druh oddelenia ²³⁵ U a ²³⁸ U, ako je dosiahnutá v rotačnej odstredivke.
- Jedna metóda vyvíjaná v Južnej Afrike vstrekuje plyn do valca tangens. V súčasnej dobe sa testuje s ľahkými izotopmi, ako sú tie z kremíka.

Metóda 5 zo 7: Proces tepelnej difúzie kvapaliny

1

Skvapalnite plyn uf ₆ pod tlakom.
2

Zostrojte pár koncentrických rúrok. Rúry by mali byť pomerne vysoké, pričom vyššie rúrky umožňujú väčšie oddelenie izotopov ²³⁵ U a ²³⁸ U.
3

Rúry obklopte plášťom tekutej vody. Tým sa vonkajšia rúrka ochladí.
4

Čerpajte kvapalinu uf ₆ medzi rúrky.
5
Vnútornú rúrku zohrejte parou. Tepla sa vytvorí konvekčná prúd v UF ₆, ktorý bude čerpať zapaľovač ²³⁵ U izotop smerom k teplejšie vnútornej rúrky a tlačiť ťažšie ²³⁸ U izotop smerom k chladnejšiemu vonkajšej rúrky.
- Tento proces bol skúmaný v roku 1940 ako súčasť projektu Manhattan, ale bol opustený, keď bol ešte v ranom štádiu vývoja, keď bol vyvinutý účinnejší proces plynnej difúzie.

Plynný oxid uránu reaguje s fluórom za vzniku hexafluoridu uránu (UF6) — Fluórovaný plyn sa bežne čerpá do závodu na konverziu rudy; plynný oxid uránu reaguje s fluórom za vzniku hexafluoridu uránu (UF6).

Metóda 6 zo 7: proces separácie elektromagnetických izotopov

1

Ionizujte plyn uf ₆.
2

Prejdite plyn cez silné magnetické pole.
3
Izotopy ionizovaného uránu oddeľte od stôp, ktoré opúšťajú pri prechode magnetickým poľom. Ióny ²³⁵ U opúšťajú stopy, ktoré sa krivia inak ako ²³⁸ U. Tieto ióny je možné izolovať na obohatenie uránu.
- Táto metóda bola použitá na spracovanie uránu pre atómovú bombu zhodenú na Hirošimu v roku 1945 a bola to aj metóda obohacovania, ktorú Irak používal v programe jadrových zbraní z roku 1992. Vyžaduje 10-krát viac energie ako plynná difúzia, čo je pri rozsiahlom obohacovaní nepraktické. programy.

Metóda 7 zo 7: Proces separácie laserových izotopov

1

Nalaďte laser na konkrétnu farbu. Laserové svetlo musí mať úplne špecifickú vlnovú dĺžku (monochromatické). Táto vlnová dĺžka bude zacieľovať iba na ²³⁵ atómov U, pričom²38 atómov U zostane nedotknutých.
2

Posvieťte laserovým svetlom 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 zliatinu uránu a železa, čo robí proces Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS).
3

Extrahujte atómy uránu excitovanými elektrónmi. Budú to atómy ²³⁵ U.

Prečítajte si tiež: Ako získať tento rok lepšie známky ako minulý rok?

Tipy

Niektoré krajiny prepracujú vyhoreté jadrové palivo, aby získali späť svoj ochudobnený urán a plutónium vytvorené počas štiepneho procesu. Znovu spracovaný urán sa musí zbaviť izotopov ²³² U a ²³⁶ U, ktoré vznikli počas štiepenia, a ak sa obohatia, musia byť obohatené na vyššiu úroveň ako „čerstvý“ urán, pretože ²³⁶ U absorbuje neutróny, a tak inhibuje proces štiepenia. Z tohto dôvodu musí byť prepracovaný urán oddelený od prvýkrát obohateného uránu.

Proces plynovej odstredivky bol prvýkrát vyvinutý v štyridsiatych rokoch minulého storočia, ale do značného významu sa dostal až v šesťdesiatych rokoch minulého storočia, keď začali byť dôležité jeho nižšie energetické požiadavky na výrobu obohateného uránu.

Varovania

Urán je v skutočnosti len slabo rádioaktívny; pri spracovaní na plyn UF ₆ sa však stáva toxickou chemickou látkou, ktorá reaguje s vodou za vzniku korozívnej kyseliny fluorovodíkovej. (Táto kyselina sa bežne nazýva „leptacia kyselina“, pretože sa používa na leptanie skla.) Zariadenia na obohacovanie uránu vyžadujú rovnaké ochranné opatrenia ako chemické závody, ktoré pracujú s fluórom, medzi ktoré patrí udržiavanie plynu UF ₆ pod nízkym tlakom väčšinu času a použitie ďalších úrovní zadržania v oblastiach vyžadujúcich vyšší tlak.
Prepracovaný urán musí byť chránený silným štítom, pretože ²³² U, ktoré obsahuje, sa rozpadá na prvky, ktoré vyžarujú veľa gama žiarenia.
Obohatený urán je spravidla možné opätovne spracovať iba raz.