Uraania käytetään ydinreaktorien virtalähteenä ja siitä tehtiin ensimmäinen atomipommi, joka pudotettiin Hiroshimaan vuonna 1945. Uraani louhitaan malmiksi nimeltä pitchblende, ja se koostuu useista atomipainoisista isotoopeista ja useista eri tasoista radioaktiivisuudesta. Fissioreaktioissa käytettäväksi isotooppien lukumäärä 235U on nostettava tasolle, joka on valmis halkeamaan reaktorissa tai pommissa. Tätä prosessia kutsutaan uraanin rikastamiseksi, ja siihen on useita tapoja.
Vaihe
Menetelmä 1/7: Perusrikastuksen prosessi
Vaihe 1. Päätä, mihin uraania käytetään
Suurin osa louhitusta uraanista sisältää vain noin 0,7 prosenttia 235U, ja suurin osa lopusta on isotooppi 238vakaampi U. Halkeamisreaktion tyyppi, jonka haluat suorittaa uraanilla, määrää sen, kuinka paljon lisää 235Sinun on tehtävä niin, että uraania voidaan käyttää tehokkaasti.
- Useimmissa ydinvoimaloissa käytettävää uraania on rikastettava 3-5 prosenttiin 235U. (Jotkut ydinreaktorit, kuten CANDU -reaktori Kanadassa ja Magnox -reaktori Yhdistyneessä kuningaskunnassa, on suunniteltu käyttämään rikastamatonta uraania.)
- Sitä vastoin uraania, jota käytetään atomipommeissa ja taistelupäässä, on rikastettava 90 prosenttiin 235U.
Vaihe 2. Muuta uraanimalmi kaasuksi
Useimmat nykyisin saatavilla olevista uraanin rikastusmenetelmistä edellyttävät uraanimalmin muuttamista matalan lämpötilan kaasuksi. Fluorikaasu pumpataan yleensä malminmuodostuskoneeseen; uraanioksidikaasu reagoi fluorin kanssa muodostaen uraaniheksafluoridia (UF)6). Kaasu käsitellään sitten isotooppien erottamiseksi ja keräämiseksi 235U.
Vaihe 3. Rikasta uraania
Tämän artikkelin myöhemmissä osissa kuvataan erilaisia uraanin rikastamiseen käytettävissä olevia prosesseja. Kaikista prosesseista kaasun diffuusio ja kaasun sentrifugointi ovat kaksi yleisintä, mutta laser -isotooppien erottamisen odotetaan korvaavan nämä kaksi.
Vaihe 4. Vaihda UF -kaasu6 uraanidioksidiksi (UO2).
Kun uraani on rikastunut, se on muutettava vakaaseen kiinteään muotoon käytettäväksi halutulla tavalla.
Ydinreaktorien polttoaineena käytettävästä uraanidioksidista valmistetaan keraamisia ytimen jyviä, jotka on kääritty metalliputkiin niin, että niistä tulee jopa 4 m korkeita tankoja
Menetelmä 2/7: Kaasun diffuusio
Vaihe 1. Pumppaa UF -kaasua6 putken läpi.
Vaihe 2. Pumppaa kaasu suodattimen tai huokoisen kalvon läpi
Isotoopin takia 235U on isotooppia kevyempi 238U, UF6 kevyemmät isotoopit diffundoituvat kalvon läpi nopeammin kuin raskaammat isotoopit.
Vaihe 3. Toista diffuusio, kunnes se on tarpeeksi 235U kerätty.
Toistuvaa diffuusiota kutsutaan kerrostetuksi. Se voi kestää jopa 1400 suodatusta huokoisen kalvon läpi saadakseen tarpeeksi 235U rikastamaan uraania hyvin.
Vaihe 4. UF -kaasun tiivistyminen6 nestemäiseen muotoon.
Kun kaasu on riittävästi rikastunut, kaasu kondensoituu nesteeksi ja varastoidaan sitten astiaan, jossa se jäähtyy ja kiinteytyy kuljetettavaksi ja polttoaineeksi.
Suuren suodatusmäärän vuoksi tämä prosessi on energiaintensiivinen, joten se pysäytetään. Yhdysvalloissa on jäljellä vain yksi kaasun diffuusion rikastuslaitos, joka sijaitsee Paducahissa, Kentuckyssa
Menetelmä 3/7: Kaasusentrifugiprosessi
Vaihe 1. Asenna useita nopeita pyöriviä sylintereitä
Tämä sylinteri on sentrifugi. Sentrifugi asennetaan sarjaan tai rinnakkain.
Vaihe 2. UF -kaasun virtaus6 kiekon sisään.
Sentrifugi käyttää sentripetaalista kiihdytystä kaasun sisältävän kaasun tuottamiseen 238raskaampaa U sylinterin seinämään ja kaasua 235kevyempi U sylinterin keskelle.
Vaihe 3. Uuta erotetut kaasut
Vaihe 4. Käsittele kaksi erillistä kaasua kahdessa erillisessä sentrifugissa
Rikas kaasu 235U lähetettiin sentrifugiin missä 235U on edelleen enemmän uutettu, kun taas kaasua sisältävä 235Pelkistetty U syötetään uuteen sentrifugiin uuttoa varten 235Loput U. Tämä mahdollistaa sentrifugoinnin saadakseen paljon enemmän 235U kuin voidaan erottaa kaasun diffuusioprosessilla.
Kaasusentrifugiprosessi kehitettiin ensimmäisen kerran 1940 -luvulla, mutta sitä käytettiin merkittävästi vasta 1960 -luvulla, jolloin sen kyky suorittaa alemman energian uraanin rikastusprosesseja tuli tärkeäksi. Tällä hetkellä Yhdysvalloissa sijaitseva kaasusentrifugiprosessilaitos sijaitsee Eunicessa, New Mexicossa. Sitä vastoin Venäjällä on tällä hetkellä neljä tämän tyyppistä tehdasta, Japanissa ja Kiinassa on kaksi, kun taas Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Alankomaissa ja Saksassa on yksi
Menetelmä 4/7: Aerodynaaminen erotusprosessi
Vaihe 1. Luo sarja kapeita, paikallaan olevia sylintereitä
Vaihe 2. Ruiskuta UF -kaasu6 sylinteriin suurella nopeudella.
Kaasua poltetaan sylinteriin tavalla, joka saa kaasun pyörimään kuin sykloni, jolloin syntyy erottelutyyppi 235U ja 238sama U kuin pyörivässä sentrifugiprosessissa.
Yksi Etelä -Afrikassa kehitetty menetelmä on ruiskuttaa kaasua sylintereihin vierekkäin. Tätä menetelmää testataan parhaillaan kevyemmillä isotoopeilla, kuten piillä
Menetelmä 5/7: Nestemäinen lämpödiffuusio
Vaihe 1. Nesteytä UF -kaasu6 paineen alla.
Vaihe 2. Tee pari tiivisteputkea
Putken on oltava riittävän korkea, koska korkeampi putki mahdollistaa enemmän isotooppien erottamista 235U ja 238U.
Vaihe 3. Päällystä putki vesikerroksella
Tämä jäähdyttää putken ulkopuolen.
Vaihe 4. Pumppaa UF6 neste putkien välissä.
Vaihe 5. Kuumenna sisäputki höyryllä
Lämpö aiheuttaa UF: ssä konvektiovirtoja6 joka houkuttelee isotooppia 235Sytytin U kohti kuumempaa sisäputkea ja työntää isotooppia 238raskaampi U kohti viileämpää ulkoputkea.
Tätä prosessia tutkittiin vuonna 1940 osana Manhattan -hanketta, mutta siitä luovuttiin varhaisessa kehitysvaiheessa, kun kehitettiin tehokkaampia kaasun diffuusioprosesseja
Menetelmä 6/7: Sähkömagneettinen isotooppien erotusprosessi
Vaihe 1. UF -kaasun ionisointi6.
Vaihe 2. Vie kaasu voimakkaan magneettikentän läpi
Vaihe 3. Erota ionisoidun uraanin isotoopit magneettikentän läpi kulkevien jälkien perusteella
Ioni 235U jättää jäljen, jolla on eri kaari kuin ionilla 238U. Ionit voidaan eristää uraanin rikastamiseksi.
Tätä menetelmää käytettiin Hiroshimaan vuonna 1945 pudotetun atomipommin uraanin käsittelyyn, ja se on myös rikastusmenetelmä, jota Irak käytti ydinaseohjelmassaan vuonna 1992. Tämä menetelmä vaatii 10 kertaa enemmän energiaa kuin kaasumainen diffuusio, mikä tekee siitä epäkäytännöllisen ohjelman kannalta. laajamittainen rikastaminen
Menetelmä 7/7: Laser -isotooppien erotusprosessi
Vaihe 1. Aseta laser tiettyyn väriin
Lasersäteen on oltava kokonaan yhden tietyn aallonpituuden (yksivärinen). Tämä aallonpituus kohdistuu vain atomeihin 235U ja anna atomin 238U ei vaikuta.
Vaihe 2. Loista lasersäde uraanille
Toisin kuin muut uraanin rikastusprosessit, sinun ei tarvitse käyttää uraaniheksafluoridikaasua, vaikka useimmat laserprosessit käyttävätkin. Voit myös käyttää uraania ja rautaseoksia uraanilähteenä, jota käytetään AVLIS -prosessissa (Atomic Vapor Laser Isotope Separation).
Vaihe 3. Uraaniatomien uuttaminen viritettyjen elektronien avulla
Siitä tulee atomi 235U.
Vinkkejä
Jotkut maat käsittelevät käytettyä ydinpolttoainetta uudelleen halkeamisprosessin aikana muodostuneen uraanin ja plutoniumin talteenottamiseksi. Uudistettu uraani on poistettava isotoopista 232U ja 236U muodostuu halkeamisen aikana, ja jos se on rikastettu, se on rikastettava korkeampaan laatuun kuin "tuore" uraani, koska 236U absorboi neutroneja ja estää siten fissioprosessin. Uudelleenkäsitelty uraani on siksi varastoitava erillään ensimmäistä kertaa rikastetusta uraanista.
Varoitus
- Uraani lähettää vain heikkoa radioaktiivisuutta; kuitenkin, kun ne käsitellään UF -kaasuksi6, siitä tulee myrkyllinen kemiallinen aine, joka reagoi veden kanssa muodostaen syövyttävää fluorivetyhappoa. (Tätä happoa kutsutaan yleisesti "etsaushapoksi", koska sitä käytetään lasin etsaamiseen.) Siksi uraanin rikastuslaitokset vaativat samat suojatoimenpiteet kuin fluorin kanssa työskentelevät kemiantehtaat, mukaan lukien UF -kaasun pitäminen loitolla.6 pysy alhaisessa paineessa suurimman osan ajasta ja käytä ylimääräistä suojarakennusta alueilla, joilla vaaditaan korkeaa painetta.
- Uudelleenkäsitelty uraani on säilytettävä paksuissa koteloissa, koska 232Siinä oleva U hajoaa alkuaineiksi, jotka lähettävät voimakasta gammasäteilyä.
- Rikastettua uraania voidaan yleensä käsitellä vain kerran.
