Nyttige tips

Uranberikelse

Pin
Send
Share
Send
Send


Uranberikelse er et av de viktigste trinnene i å lage atomvåpen. Bare en viss type uran fungerer i atomreaktorer og bomber.

Å skille denne typen uran fra et mer utbredt utvalg krever stor tekniske ferdigheter, til tross for at teknologien som er nødvendig for dette har eksistert i flere tiår. Oppgaven er ikke å finne ut hvordan man skiller uran, men å bygge og kjøre utstyret som er nødvendig for å fullføre denne oppgaven.

Uranatomer, som elementatomer som finnes i naturen i en rekke, kalles isotoper. (Hver isotop har et forskjellige antall nøytroner i kjernen.) Uran-235, en isotop som utgjør mindre enn 1 prosent av alt naturlig uran, gir drivstoff til atomreaktorer og atombomber, mens uranium-238, en isotop som utgjør 99 prosent naturlig uran, har ingen kjernefysisk bruk.

Uraniumberikelsesgrader

En kjernekjedereaksjon innebærer at minst ett nøytron fra forfallet til et uranatom blir fanget av et annet atom, og følgelig vil føre til at det forfaller. I en første tilnærming betyr dette at nøytronet må "snuble" på 235 U-atomet før han forlater reaktoren. Dette betyr at designen med uran skal være kompakt nok slik at sannsynligheten for å finne det neste uranatomet for nøytronet er høy nok. Men når 235 U-reaktoren opererer, brenner den gradvis ut, noe som reduserer sannsynligheten for at et nøytron møter 235 U-atomet, som tvinger dem til å legge en viss margin på denne sannsynligheten i reaktorene. Følgelig nødvendiggjør den lave andelen 235 U i kjernebrensel:

  • et større reaktorvolum slik at nøytronet er i det lenger
  • en større andel av reaktorvolumet bør være opptatt av drivstoff for å øke sannsynligheten for kollisjon av et nøytron og et uranatom,
  • oftere er det nødvendig å legge nytt drivstoff på nytt for å opprettholde en gitt massetetthet på 235 U i reaktoren,
  • en høy andel verdifull 235 U i brukt drivstoff.

I prosessen med å forbedre kjerneteknologi ble det funnet økonomiske og teknologisk optimale løsninger som krevde en økning i innholdet på 235 U i drivstoffet, det vil si urananriking.

I atomvåpen er berikelsesoppgaven nesten den samme: det kreves at på ekstremt kort tid av en atomeksplosjon, vil det maksimale antallet 235 U-atomer finne sitt nøytron, forfall og frigjøre energi. For dette kreves den maksimale mulige bulkdensitet av atomer 235 U, noe som er oppnåelig med den ultimate berikelse.

Uranium Anrichment Degrees [rediger |

Nøkkelen til separasjon

Nøkkelen til deres separasjon er at uran-235-atomer veier litt mindre enn uran-238-atomer.

For å skille den lille mengden uran-235 som er til stede i hver naturlig prøve av uranmalm, konverterer ingeniørene uran til gass ved hjelp av en kjemisk reaksjon.

Deretter føres gassen inn i et sentrifugerør i en sylindrisk form på størrelse med en person eller mer. Hvert rør roterer på sin akse med utrolig høye hastigheter, og trekker tyngre uran-238 gassmolekyler til midten av røret, og lar lettere uran-235 gassmolekyler være nærmere kantene på røret der de kan suges ut.

Hver gang gassen roteres i en sentrifuge, fjernes bare en liten mengde uran-238 gass fra blandingen, slik at rørene brukes i serie. Hver sentrifuge trekker ut litt uran-238, og overfører deretter den litt rensede gassblandingen til neste rør, etc.

Uran gassomdannelse

Etter separasjonen av gassformig uran-235 i mange stadier av sentrifuger, bruker ingeniører en annen kjemisk reaksjon for å konvertere urangass tilbake til fast metall. Dette metallet kan senere dannes for bruk i enten reaktorer eller bomber.

Siden hvert trinn bare rengjør blandingen av urangass med en liten mengde, kan land bare ha råd til å kjøre sentrifuger som er designet for å oppnå høyeste effektivitet. Ellers blir produksjonen av til og med en liten mengde rent uran-235 uoverkommelig dyr.

Og design og produksjon av disse sentrifugerørene krever et visst nivå av investering og teknisk kunnskap utenfor rekkevidden til mange land. Rør krever spesielle typer stål eller blandinger som tåler betydelig trykk under rotasjon, må være helt sylindriske og laget av spesialiserte maskiner som er vanskelige å bygge.

Her er et eksempel på en bombe som USA la ned på Hiroshima. Det krever 62 kg uran-235 for å lage en bombe, i henhold til “å bygge en atombombe” (Simon og Schuster, 1995).

Separasjonen av disse 62 kg fra nesten 4 tonn uranmalm skjedde i verdens største bygning og brukte 10 prosent av landets strøm. "Det tok 20 000 mennesker å bygge anlegget, 12 000 mennesker drev anlegget, og i 1944 kostet utstyret det mer enn 500 millioner dollar." Det var rundt 7,2 milliarder dollar i 2018.

Hvorfor er beriket uran så forferdelig?

Uran eller våpenklasse plutonium er farlig i sin rene form av en enkel grunn: fra dem, med en viss teknisk base, kan det lages et eksplosivt kjernefysisk utstyr.

Figuren viser en skjematisk fremstilling av et enkelt atomstridshode. Linje 1 og 2 med kjernebrensel er inne i skallet. Hver av dem er en av delene av hele ballen og veier litt mindre enn den kritiske massen til våpenmetallet som ble brukt i bomben.

Når detonerende ladning av TNT blir detonert, blir uranbargene 1 og 2 kombinert til en, deres totale masse overstiger sikkert den kritiske massen for dette materialet, noe som fører til en kjernekjedereaksjon og følgelig til en atomeksplosjon.

Det virker ikke noe komplisert, men i virkeligheten er dette selvfølgelig ikke slik. Ellers ville det være en størrelsesorden flere land med atomvåpen på planeten. Videre vil risikoen for at slike farlige teknologier faller i hendene på tilstrekkelig kraftige og utviklede terrorgrupper øke.

Trikset er at bare veldig rike krefter med utviklet vitenskapelig infrastruktur er i stand til å berike uran, selv med den nåværende utviklingen av teknologi. Enda vanskeligere, uten at atominnretningen ikke ville fungere, skiller 235 og 238 uranisotoper.

Uran Mines: Truth and Fiction

I Sovjetunionen, på filistinsk nivå, var det en hypotese om at dødsdømte kriminelle arbeidet i uranminer, og dermed redegjorde for deres skyld for partiet og det sovjetiske folket. Dette er selvfølgelig ikke sant.

Uran-gruvedrift er en høyteknologisk gruveindustri, og det er lite sannsynlig at noen ville ha innrømmet å ha jobbet med sofistikert og veldig dyrt utstyr og ødeleggende mordere med ranere. Dessuten er ryktene om at uran gruvearbeidere nødvendigvis bærer en gassmaske og blyundertøy, ikke noe mer enn en myte.

Uran blir utvunnet i gruver noen ganger opp til en kilometer dypt. De største reservene av dette elementet finnes i Canada, Russland, Kasakhstan og Australia. I Russland produserer ett tonn malm i gjennomsnitt rundt halvannet kilo uran. Dette er på ingen måte den største indikatoren. I noen europeiske gruver når dette tallet 22 kg per tonn.

Strålingsbakgrunnen i gruven er omtrent den samme som på grensen til stratosfæren, der sivile passasjerfly blir lappet.

Uranmalm

Berik uran begynner umiddelbart etter gruvedrift, rett i nærheten av gruven. I tillegg til metall, som alle andre malm, inneholder uran avfall bergart. Det første stadiet av berikelse kommer til å sortere brostein som er hevet fra gruven: de som er rike på uran og som er fattige. Bokstavelig talt blir hvert stykke veid, målt med maskiner og, avhengig av egenskapene, sendt til en bestemt strøm.

Så kommer en mølle i spill og sliper den uranrike malmen til fint pulver. Dette er imidlertid ikke uran, men bare oksid. Å få rent metall er den mest kompliserte kjeden med kjemiske reaksjoner og transformasjoner.

Det er imidlertid ikke nok bare å isolere rent metall fra de kjemiske startforbindelsene. Av det totale uranet som finnes i naturen, er 99% okkupert av isotopen 238, og dets 235. motpart er mindre enn en prosent. Å skille dem er en veldig vanskelig oppgave, som ikke alle land kan løse.

Anrikningsmetode for gassdiffusjon

Dette er den første metoden som uran ble beriket. Det brukes fortsatt i USA og Frankrike. Basert på forskjellen i tetthet på 235 og 238 isotoper. Urangass frigitt fra oksydet pumpes under høyt trykk inn i et kammer separert med en membran. Atomene 235 på isotopen er lettere, derfor beveger de seg fra den mottatte delen av varmen raskere enn henholdsvis “sakte” uranatomer 238, slår oftere og mer intenst mot membranen. I henhold til lovene om sannsynlighetsteori er det mer sannsynlig at de kommer inn i en av mikroporene og er på den andre siden av denne membranen.

Effektiviteten av denne metoden er liten, fordi forskjellen mellom isotopen er veldig, veldig liten. Men hvordan gjøre beriket uran brukbart? Svaret er å bruke denne metoden mange, mange ganger. For å oppnå uran som er egnet for fremstilling av brensel fra en reaktor i et kraftverk, gjentas behandlingssystemet for gass flere hundre ganger.

Ekspertanmeldelser om denne metoden er blandet. På den ene siden er metoden for diffusjon av gassdiffusjon den første som gir USA uran av høy kvalitet, noe som gjør dem midlertidig til en leder i den militære sfære. På den annen side antas gassdiffusjon å produsere mindre avfall. Det eneste som mislykkes i dette tilfellet er den høye prisen på sluttproduktet.

Sentrifugemetode

Dette er utviklingen av sovjetiske ingeniører. For tiden er det, i tillegg til Russland, en rekke land der uran er beriket med metoden oppdaget i Sovjetunionen. Dette er Brasil, Storbritannia, Tyskland, Japan og noen andre stater. Metoden ligner på gassdiffusjonsteknologi ved at den bruker masseforskjellen på 235 og 238 isotoper.

Uran gass snurrer i en sentrifuge til 1500 o / min. På grunn av forskjellige tettheter påvirkes isotoper av sentrifugalkrefter i forskjellige størrelser. Som tyngre samles uran 238 nær sentrifugens vegger, mens den 235. isotopen samles nærmere sentrum. Gassblandingen pumpes til toppen av sylinderen. Etter å ha passert veien til bunnen av sentrifugen, har isotopen tid til å skille seg delvis og velges separat.

Til tross for at metoden heller ikke gir 100% separasjon av isotoper, og for å oppnå den nødvendige berikelsesgraden må den brukes gjentatte ganger, er den mye mer økonomisk effektiv enn gassdiffusjon. Anriket uran i Russland ved bruk av sentrifugeteknologi er således omtrent tre ganger billigere enn det som er oppnådd på amerikanske membraner.

Beriket Uranium-applikasjon

Hvorfor er alt dette kompliserte og dyre bureaukratiet med rensing, metallseparasjon fra oksider, separasjon av isotoper? En skive av anriket uran 235, av dem som brukes i kjernekraft (fra slike "piller" er sammensatte stenger - drivstoffstenger), som veier 7 gram, erstatter omtrent tre 200-liters fat bensin eller omtrent et tonn kull.

Anriket og utarmet uran brukes forskjellig avhengig av renhet og forhold mellom 235 og 238 isotoper.

Isotop 235 er et mer energikrevende drivstoff. Anriket uran vurderes når innholdet av 235 isotoper er mer enn 20%. Dette er grunnlaget for atomvåpen.

Berikede energimettede råmaterialer brukes også som drivstoff for atomreaktorer i ubåter og romskip på grunn av den begrensede masse og størrelse.

Utarmet uran, som hovedsakelig inneholder 238 isotoper, er et drivstoff for sivile stasjonære atomreaktorer. Naturlige uranreaktorer anses som mindre eksplosive.

For øvrig, i følge beregningene fra russiske økonomer, mens de opprettholder den nåværende produksjonshastigheten på 92 elementer i det periodiske systemet, vil reservene i utforskede gruver rundt om i verden allerede være utarmet innen 2030. Det er grunnen til at forskere ser frem til fusjon som en kilde til billig og rimelig energi i fremtiden.

Pin
Send
Share
Send
Send