Уран используется в качестве источника энергии в ядерных реакторах и был использован для создания первой атомной бомбы, которая была сброшена на Хиросиму в 1945 году. Уран добывается в виде руды, называемой ураном, и состоит из нескольких изотопов атомной массы и нескольких уровней. радиоактивности. Для использования в реакциях деления количество изотопов 235U необходимо увеличить до уровня, готового к делению в реакторе или бомбе. Этот процесс называется обогащением урана, и есть несколько способов сделать это.
Шаг
Метод 1 из 7: основной процесс обогащения
Шаг 1. Решите, для чего будет использоваться уран
Наиболее добываемый уран содержит всего около 0,7 процента. 235U, большая часть остального - изотоп 238более стабильный U. Тип реакции деления, которую вы хотите произвести с ураном, определяет степень увеличения 235U должен сделать так, чтобы уран можно было эффективно использовать.
- Уран, используемый в большинстве ядерных энергетических двигателей, должен быть обогащен до 3-5 процентов. 235U. (Некоторые ядерные реакторы, такие как реактор CANDU в Канаде и реактор Magnox в Великобритании, предназначены для использования необогащенного урана.)
- Напротив, уран, который используется для атомных бомб и боеголовок, должен быть обогащен до 90 процентов. 235U.
Шаг 2. Превратите урановую руду в газ
Большинство доступных в настоящее время методов обогащения урана требуют преобразования урановой руды в низкотемпературный газ. Газообразный фтор обычно закачивают в машину для переработки руды; Газ оксида урана реагирует с фтором с образованием гексафторида урана (UF6). Затем газ обрабатывается для разделения и сбора изотопов. 235U.
Шаг 3. Обогатите уран
В следующих разделах этой статьи описаны различные процессы, доступные для обогащения урана. Из всех процессов наиболее распространенными являются газовая диффузия и газовое центрифугирование, но ожидается, что лазерное разделение изотопов заменит их.
Шаг 4. Замените УФ-газ6 в диоксид урана (UO2).
После обогащения уран необходимо преобразовать в стабильную твердую форму для использования по желанию.
Диоксид урана, используемый в качестве топлива для ядерных реакторов, превращается в керамические зерна активной зоны, которые обернуты металлическими трубками, так что они становятся стержнями высотой до 4 м
Метод 2 из 7: Процесс диффузии газа
Шаг 1. Насос UF газовый газ6 через трубу.
Шаг 2. Прокачайте газ через фильтр или пористую мембрану
Из-за изотопа 235U легче изотопа 238U, UF6 более легкие изотопы будут диффундировать через мембрану быстрее, чем более тяжелые изотопы.
Шаг 3. Повторяйте процесс диффузии, пока не будет достаточно 235U собрал.
Повторная диффузия называется стратифицированной. Чтобы получить достаточно воды, может потребоваться до 1400 фильтров через пористую мембрану. 235U для хорошего обогащения урана.
Этап 4. Конденсация UF газового газа.6 в жидкую форму.
После того, как газ достаточно обогащен, газ конденсируется в жидкость, затем хранится в контейнере, где он охлаждается и затвердевает для транспортировки и превращения в частицы топлива.
Из-за того, что требуется большая фильтрация, этот процесс является энергоемким, поэтому его останавливают. В Соединенных Штатах осталась только одна установка газодиффузионного обогащения, расположенная в Падуке, Кентукки
Метод 3 из 7: Процесс газовой центрифуги
Шаг 1. Установите ряд быстро вращающихся цилиндров
Этот цилиндр представляет собой центрифугу. Центрифуги устанавливаются последовательно или параллельно.
Шаг 2. Поток УФ газа.6 в спиннер.
Центрифуга использует центростремительное ускорение для доставки газа, содержащего 238более тяжелый U к стенке цилиндра и газ, содержащий 235зажигалку U к центру цилиндра.
Шаг 3. Удалите отделенные газы
Шаг 4. Переработайте два разделенных газа в двух отдельных центрифугах
Богатый газ 235U был отправлен в центрифугу, где 235U все еще извлекается больше, а газ, содержащий 235Восстановленный U подается в другую центрифугу для извлечения 235Остальные U. Это позволяет центрифугированию извлечь гораздо больше 235U, чем может быть извлечен в процессе газовой диффузии.
Процесс газовой центрифуги был впервые разработан в 1940-х годах, но не получил широкого распространения до 1960-х годов, когда стала важна его способность выполнять процессы обогащения урана с более низким энергопотреблением. В настоящее время завод по переработке газовых центрифуг в США находится в Юнис, штат Нью-Мексико. Напротив, в России в настоящее время есть четыре завода этого типа, в Японии и Китае - по два, а в Великобритании, Нидерландах и Германии - по одному
Метод 4 из 7: процесс аэродинамического разделения
Шаг 1. Создайте серию узких неподвижных цилиндров
Этап 2. Ввод газа UF.6 в цилиндр на высокой скорости.
Газ попадает в цилиндр таким образом, что он вращается как циклон, производя своего рода разделение. 235U и 238тот же U, что и во вращающейся центрифуге.
Один из методов, разработанный в Южной Африке, заключается в том, чтобы впрыскивать газ в баллоны бок о бок. Этот метод в настоящее время тестируется с более легкими изотопами, такими как кремний
Метод 5 из 7: процесс термодиффузии жидкости
Этап 1. Сжижение УФ-газа.6 под давлением.
Шаг 2. Сделайте пару трубок для концентрата
Труба должна быть достаточно высокой, потому что более высокая труба обеспечивает большее разделение изотопов. 235U и 238U.
Шаг 3. Смочите трубу слоем воды
Это охладит внешнюю поверхность трубы.
Шаг 4. Насос УФ6 жидкость между трубами.
Шаг 5. Нагрейте внутреннюю трубку паром
Тепло вызовет конвекционные токи в УФ6 который привлечет изотоп 235Зажигалка U приближается к более горячей внутренней трубке и выталкивает изотоп 238более тяжелый U по направлению к более холодной внешней трубе.
Этот процесс был исследован в 1940 году в рамках Манхэттенского проекта, но от него отказались на ранней стадии разработки, когда были разработаны более эффективные процессы диффузии газа
Метод 6 из 7: Электромагнитное разделение изотопов
Шаг 1. Ионизация УФ газа.6.
Шаг 2. Пропустите газ через сильное магнитное поле
Шаг 3. Разделите изотопы ионизированного урана на основе следов, оставшихся после прохождения через магнитное поле
Ион 235U оставляет след с другой дугой, чем ионный 238U. Ионы можно изолировать для обогащения урана.
Этот метод использовался для обработки урана для атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму в 1945 году, а также метод обогащения, который Ирак использовал в своей программе создания ядерного оружия в 1992 году. Этот метод требует в 10 раз больше энергии, чем газовая диффузия, что делает его непрактичным для программы. крупномасштабное обогащение
Метод 7 из 7: процесс лазерного разделения изотопов
Шаг 1. Установите лазер на определенный цвет
Лазерный луч должен быть полностью одной длины волны (монохроматическим). Эта длина волны будет нацелена только на атомы 235U, и пусть атом 238U не затронуты.
Шаг 2. Посветите лазерным лучом на уран
В отличие от других процессов обогащения урана, вам не нужно использовать газообразный гексафторид урана, хотя это делает большинство лазерных процессов. Вы также можете использовать уран и сплавы железа в качестве источника урана, который используется в процессе лазерного разделения изотопов на атомных парах (AVLIS).
Шаг 3. Извлечение атомов урана возбужденными электронами
Это будет атом 235U.
подсказки
Некоторые страны перерабатывают отработавшее ядерное топливо, чтобы извлечь из него уран и плутоний, которые образовались в процессе деления. Переработанный уран необходимо удалить из изотопа. 232U и 236U образуется во время деления, и если он обогащается, его необходимо обогащать до более высокого содержания, чем у «свежего» урана, потому что 236U поглощает нейтроны, тем самым подавляя процесс деления. Следовательно, переработанный уран должен храниться отдельно от урана, обогащенного впервые.
Предупреждение
- Уран излучает только слабую радиоактивность; однако при переработке в УФ-газ6, он становится токсичным химическим веществом, которое реагирует с водой с образованием коррозионной плавиковой кислоты. (Эту кислоту обычно называют «травильной кислотой», потому что она используется для травления стекла.) Таким образом, заводы по обогащению урана требуют тех же защитных мер, что и химические заводы, работающие с фтором, которые включают удержание газа UF вдали от него.6 большую часть времени оставайтесь под низким давлением и используйте дополнительный уровень изоляции в областях, где требуется высокое давление.
- Переработанный уран необходимо хранить в толстых камерах, поскольку 232U в нем разлагается на элементы, излучающие сильное гамма-излучение.
- Обогащенный уран обычно можно переработать только один раз.
