Nyttige tip

Uran berigelse

Pin
Send
Share
Send
Send


Uran berigelse er et af de vigtigste trin i oprettelsen af ​​atomvåben. Kun en bestemt type uran fungerer i atomreaktorer og bomber.

At adskille denne type uran fra en mere udbredt sort kræver stor teknisk færdighed, på trods af det faktum, at den nødvendige teknologi til dette har eksisteret i årtier. Opgaven er ikke at finde ud af, hvordan man skiller uran, men at bygge og køre det nødvendige udstyr til at fuldføre denne opgave.

Uranatomer, ligesom elementatomer, der findes i naturen i en række, kaldes isotoper. (Hver isotop har et andet antal neutroner i sin kerne.) Uran-235, isotopen, der udgør mindre end 1 procent af alt naturligt uran, giver brændstof til atomreaktorer og atombomber, mens uranium-238, isotopen, der udgør 99 procent naturligt uran, har ingen nuklear brug.

Uraniumberigelsesgrader

En nukleare kædereaktion indebærer, at mindst en neutron fra forfaldet af et uranatom vil blive fanget af et andet atom og følgelig forårsage dets forfald. I en første tilnærmelse betyder dette, at neutronen skal "snuble" på 235 U-atomet, før den forlader reaktoren. Dette betyder, at design med uran skal være kompakt nok, så sandsynligheden for at finde det næste uranatom til neutronen er høj nok. Men når 235 U-reaktoren fungerer, brænder den gradvist ud, hvilket reducerer sandsynligheden for, at et neutron møder 235 U-atomet, hvilket tvinger dem til at lægge en vis margen for denne sandsynlighed i reaktorerne. Følgelig kræver den lave andel på 235 U i nukleart brændstof:

  • et større reaktorvolumen, så neutronen er længere i det
  • en større andel af reaktorvolumen skal optages af brændstof for at øge sandsynligheden for en kollision af et neutron og et uranatom,
  • oftere er det nødvendigt at genindlæse brændstof til frisk for at opretholde en given massetæthed på 235 U i reaktoren,
  • en høj andel af værdifuld 235 U i brugt brændstof.

I processen med forbedring af nuklear teknologi blev der fundet økonomiske og teknologiske optimale løsninger, der krævede en stigning i indholdet af 235 U i brændstoffet, dvs. uranberigelse.

I nukleare våben er berigelsesopgaven næsten den samme: Det kræves, at det maksimale antal 235 U-atomer i en ekstrem kort tid af en atomeksplosion finder deres neutron, forfald og frigiver energi. Til dette kræves den maksimale mulige bulkdensitet af atomer 235 U, hvilket er opnåeligt med den ultimative berigelse.

Uraniumberigelsesgrader [rediger |

Nøglen til adskillelse

Nøglen til deres adskillelse er, at uran-235-atomer vejer lidt mindre end uran-238-atomer.

For at adskille den lille mængde uranium-235, der findes i enhver naturlig prøve af uranmalm, omdanner ingeniører først uranet til gas ved hjælp af en kemisk reaktion.

Derefter indføres gassen i et centrifugerør i en cylindrisk form på størrelse med en person eller mere. Hvert rør roterer på sin akse i utroligt høje hastigheder og trækker tungere uran-238 gasmolekyler til midten af ​​røret og efterlader lettere uran-235 gasmolekyler tættere på kanterne på røret, hvor de kan suges ud.

Hver gang gassen roteres i en centrifuge fjernes kun en lille mængde uranium-238 gas fra blandingen, så rørene bruges i serie. Hver centrifuge trækker lidt uranium-238 ud og overfører derefter den let rensede gasblanding til det næste rør osv.

Uraniumkonvertering

Efter adskillelse af gasformigt uran-235 i mange trin af centrifuger bruger ingeniører en anden kemisk reaktion til at konvertere urangas tilbage til fast metal. Dette metal kan senere dannes til brug i enten reaktorer eller bomber.

Da hvert trin kun renser blandingen af ​​urangas med en lille mængde, har lande kun råd til at køre centrifuger, der er designet til det højeste niveau af effektivitet. Ellers bliver produktionen af ​​endda en lille mængde ren uran-235 uoverkommelig dyr.

Og design og fremstilling af disse centrifugerør kræver et vist niveau af investeringer og teknisk know-how uden for mange lands rækkevidde. Rør kræver specielle typer stål eller blandinger, der tåler betydeligt tryk under rotation, skal være helt cylindriske og fremstillet af specialiserede maskiner, der er vanskelige at bygge.

Her er et eksempel på en bombe, som USA faldt på Hiroshima. Det tager 62 kg uran-235 at fremstille en bombe i henhold til “at bygge en atombombe” (Simon og Schuster, 1995).

Adskillelsen af ​​disse 62 kg fra næsten 4 ton uranmalm fandt sted i verdens største bygning og brugte 10 procent af landets elektricitet. ”Det tog 20.000 mennesker at bygge anlægget, 12.000 mennesker betjente anlægget, og i 1944 kostede det at udstyret mere end $ 500 millioner.” Det er omkring $ 7,2 milliarder i 2018.

Hvorfor er beriget uran så forfærdeligt?

Uran eller våbenklasse plutonium er farligt i sin rene form af en simpel grund: ud fra dem, med en bestemt teknisk base, kan der fremstilles en eksplosiv nuklear anordning.

Figuren viser en skematisk gengivelse af et simpelt atomstridshoved. Linjer 1 og 2 med nukleart brændstof er inde i skallen. Hver af dem er en af ​​delene af hele kuglen og vejer lidt mindre end den kritiske masse af det våbenmetal, der bruges i bomben.

Når TNT-detoneringsladningen detoneres, kombineres uran-ingots 1 og 2 til en, overstiger deres samlede masse bestemt den kritiske masse for dette materiale, hvilket fører til en nukleare kædereaktion og følgelig til en atomeksplosion.

Det ser ud til at være intet kompliceret, men i virkeligheden er dette naturligvis ikke sådan. Ellers ville der være en størrelsesorden flere lande med atomvåben på planeten. Desuden ville risikoen for, at sådanne farlige teknologier falder i hænderne på tilstrækkeligt magtfulde og udviklede terroristgrupper, i høj grad.

Kunsten er, at kun meget rige kræfter med udviklet videnskabelig infrastruktur er i stand til at berige uran, selv med den aktuelle teknologiudvikling. Endnu vanskeligere, uden hvilken atomindretningen ikke ville fungere, adskil 235 og 238 uranisotoper.

Uranminer: Sandhed og fiktion

I Sovjetunionen, på det filistinske niveau, var der en hypotese om, at dødsdømte kriminelle arbejder i uranminer og således afslørede deres skyld for partiet og det sovjetiske folk. Dette er selvfølgelig ikke sandt.

Uran-minedrift er en højteknologisk minedrift, og det er usandsynligt, at nogen ville have indrømmet at have arbejdet med sofistikeret og meget dyrt udstyr og forværrede mordere med røverne. Desuden er rygterne om, at uranium-minearbejdere nødvendigvis bærer en gasmaske og blyundertøj, heller ikke andet end en myte.

Uran udvindes i miner undertiden op til en kilometer dyb. De største reserver af dette element findes i Canada, Rusland, Kazakhstan og Australien. I Rusland producerer et ton malm i gennemsnit ca. halvandet kg uran. Dette er på ingen måde den største indikator. I nogle europæiske miner når dette tal 22 kg pr. Ton.

Strålingsbaggrunden i minen er omtrent den samme som på grænsen til stratosfæren, hvor civile passagerfly bliver lappet.

Uranmalm

Berigning af uran begynder umiddelbart efter minedrift, direkte i nærheden af ​​miner. Foruden metal, ligesom enhver anden malm, indeholder uran affaldssten. Det indledende stadium af berigelse kommer til at sortere brosten som er rejst fra minen: dem, der er rige på uran og fattige. Bogstaveligt talt vejes hvert stykke, målt af maskiner og, afhængigt af egenskaberne, sendt til en bestemt strøm.

Derefter kommer en mølle i spil, hvor den uranrige malm males til fint pulver. Dette er imidlertid ikke uran, men kun dets oxid. At få rent metal er den mest komplicerede kæde af kemiske reaktioner og transformationer.

Det er imidlertid ikke nok bare at isolere rent metal fra de kemiske udgangsforbindelser. Af det samlede uran, der er indeholdt i naturen, besættes 99% af isotopen 238, og dets 235. modstykke er mindre end en procent. At adskille dem er en meget vanskelig opgave, som ikke alle lande kan løse.

Metode til berigelse af gasdiffusion

Dette er den første metode, hvorpå uran blev beriget. Det bruges stadig i USA og Frankrig. Baseret på forskellen i densitet på 235 og 238 isotoper. Urangas frigivet fra oxiden pumpes under højt tryk i et kammer, der er adskilt af en membran. Isotopens atomer 235 er lettere, derfor bevæger de sig fra den modtagne varmedel hurtigere end henholdsvis "langsomme" uranatomer 238, oftere og mere intensivt slå mod membranen. I henhold til lovene om sandsynlighedsteori er det mere sandsynligt, at de kommer ind i en af ​​mikroporerne og er på den anden side af denne membran.

Effektiviteten af ​​denne metode er lille, fordi forskellen mellem isotoper er meget, meget lille. Men hvordan kan man gøre beriget uran egnet til brug? Svaret bruger denne metode mange, mange gange. For at opnå uran, der er egnet til fremstilling af brændstof fra en reaktor i et kraftværk, gentages gasdiffusionsbehandlingssystemet flere hundrede gange.

Ekspertanmeldelser om denne metode er blandede. På den ene side er gasdiffusionsseparationsmetoden den første, der giver USA uran af høj kvalitet, hvilket gør dem midlertidigt ledende inden for den militære sfære. På den anden side menes gasdiffusion at producere mindre affald. Det eneste, der fejler i dette tilfælde er den høje pris på det endelige produkt.

Centrifugemetode

Dette er udviklingen af ​​sovjetiske ingeniører. På nuværende tidspunkt er der foruden Rusland også en række lande, hvor uran er beriget med metoden opdaget i USSR. Disse er Brasilien, Storbritannien, Tyskland, Japan og nogle andre stater. Metoden ligner gasdiffusionsteknologi, idet den bruger masseforskellen på 235 og 238 isotoper.

Urangas spinder i en centrifuge til 1.500 o / min. På grund af forskellige densiteter påvirkes isotoper af centrifugalkræfter i forskellige størrelser. Uranium 238 akkumuleres, som tungere, nær centrifugens vægge, mens den 235. isotop samles tættere på midten. Gasblandingen pumpes til toppen af ​​cylinderen. Efter at have passeret vejen til bunden af ​​centrifugen, har isotoperne tid til delvis at adskille og vælges separat.

På trods af det faktum, at fremgangsmåden heller ikke tilvejebringer 100% adskillelse af isotoper, og for at opnå den nødvendige grad af berigelse, skal den anvendes gentagne gange, er den meget mere økonomisk effektiv end gasdiffusion. Således er beriget uran i Rusland ved anvendelse af centrifugeteknologi ca. 3 gange billigere end det, der fås på amerikanske membraner.

Beriget Uranium-applikation

Hvorfor er alt dette komplicerede og dyre bureaukrati med oprensning, metallseparation fra oxider, adskillelse af isotoper? En skive af beriget uran 235, af dem, der bruges i kerneenergi (fra sådanne "piller" er samlet stænger - brændstofstænger), der vejer 7 gram, erstatter omkring tre 200-liters tønder benzin eller ca. et ton kul.

Beriget og udtømt uran bruges forskelligt afhængigt af renheden og forholdet mellem 235 og 238 isotoper.

Isotop 235 er et mere energiintensivt brændstof. Beriget uran betragtes, når indholdet af 235 isotoper er mere end 20%. Dette er grundlaget for atomvåben.

Berigede energimættede råmaterialer bruges også som brændstof til atomreaktorer i ubåde og rumfartøjer på grund af den begrænsede masse og størrelse.

Nedbrudt uran, der hovedsageligt indeholder 238 isotoper, er et brændstof til civile stationære atomreaktorer. Naturlige uranreaktorer betragtes som mindre eksplosive.

I øvrigt, ifølge russiske økonomers beregninger, mens den nuværende produktionshastighed på 92 elementer i den periodiske tabel opretholdes, vil dens reserver i udforskede miner i hele verden allerede være udtømt i 2030. Derfor ser forskere frem til fusion som en kilde til billig og overkommelig energi i fremtiden.

Pin
Send
Share
Send
Send