Как обогатить уран

Уран используется в качестве топлива для ядерных реакторов, а также применялся для создания первой атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму в 1945 году.^{[1]XИсточник информации} Уран добывается из смоляной урановой руды, ^{[2]XИсточник информации} содержащей несколько изотопов разной атомарной массы и разного уровня радиоактивности. Для использования в реакции распада количество изотопа ²³⁵U должно быть увеличено до определенного уровня. Этот процесс называется обогащением урана. Есть несколько способов сделать это.

Метод 1

Метод 1 из 7:

Основной процесс обогащения

Загрузить PDF

1
Решите, для чего вы собираетесь использовать уран. Как правило, урановая руда содержит лишь 0,7% ²³⁵U, а в остальном состоит из относительно стабильного изотопа ²³⁸U.^{[3]XИсточник информации} От типа реакции, в которой вы собираетесь применять уран, зависит уровень ²³⁵U, до которого нужно обогатить руду, чтобы использовать имеющийся уран максимально эффективно.
- Уран, применяемый в ядерной энергетике, должен быть обогащен до уровня 3-5% ²³⁵U.^{[4]XИсточник информации}^{[5]XИсточник информации}^{[6]XИсточник информации} (некоторые ядерные реакторы предполагают использование необогащенного урана^{[7]XИсточник информации}).
- Уран, используемый для создания ядерного оружия, должен быть обогащен до 90 %²³⁵U.^{[8]XИсточник информации}
Большинство методов обогащения урана требуют превращения руды в низкотемпературный газ. В установку превращения руды закачивают фтористый газ. Оксид урана взаимодействует с фтором, в результате чего получается гексафторид урана (UF₆). После чего из газа выделяют изотоп ²³⁵U.
Оставшаяся часть данного текста описывает разные способы обогащения урана. Наиболее распространенными являются газовая диффузия и газовая центрифуга, однако лазерное разделение изотопов вскоре должно заменить их.^{[9]XИсточник информации}^{[10]XИсточник информации}
4
Превратите гексафторид урана в диоксид урана (UO₂). После обогащения уран должен быть превращен в стабильную, крепкую форму для дальнейшего использования.
- Диоксид урана применяется в качестве топлива для ядерных реакторов в виде гранул, помещенных в металлические трубы, образующие 4-метровые стержни.^{[11]XИсточник информации}
Реклама

Метод 2

Метод 2 из 7:

Процесс газовой диффузии

Загрузить PDF

Поскольку изотоп ²³⁵U легче, чем ²³⁸U, UF₆, содержащий более легкий изотоп, пройдет через мембрану быстрее, чем более тяжелый изотоп.
Повторяющаяся диффузия называется каскадом. Возможно, понадобится до 1400 пропусканий через мембрану, прежде чем соберется достаточно ²³⁵U.^{[12]XИсточник информации}
4
Сконденсируйте UF₆ в жидкость. После обогащения газа он конденсируется в жидкость и помещается в контейнеры, где охлаждается и затвердевает для транспортировки и превращения в гранулы.
- Из-за большого числа прохода газа через фильтры этот процесс является энергозатратным и поэтому выходит из использования.
Реклама

Метод 3

Метод 3 из 7:

Процесс фугования газа

Загрузить PDF

Эти цилиндры являются центрифугами. Центрифуги собираются как параллельно, таки последовательно.
Центрифуги используют центробежную силу, чтобы заставить более тяжелый газ, содержащий ²³⁸, оказаться у стенок цилиндра, а более легкий, с ²³⁵U, - остаться в центре.
4
Повторите процесс с этими газами в разных центрифугах. Газ с высоким содержанием ²³⁵U пропускают через центрифугу, чтобы выделить еще больше ²³⁵U, а газ с низким содержанием этого изотопа выжимают, чтобы получить из него остатки ²³⁵U. Таким образом, получается больше ²³⁵U, чем при газовой диффузии.^{[13]XИсточник информации}
- Процесс использования газовых центрифуг был изобретен в 1940-х, но особо не использовался до 1960-х, когда меньшее энергопотребление стало иметь значение.^{[14]XИсточник информации} В настоящий момент предприятие, использующее данный процесс, находится в Юнисе, США.^{[15]XИсточник информации} В России существует 4 таких предприятия, в Японии и Китае - по 2, В Великобритании, Нидерландах и Германии - по одной.^{[16]XИсточник информации}
Реклама

Метод 4

Метод 4 из 7:

Процесс аэродинамического разделения

Загрузить PDF

2
Введите UF₆ в цилиндры на большой скорости. Газ, введенный таким способом, будет вращаться в цилиндре как циклон, в результате чего он разделится на ²³⁵U и ²³⁸U, как во вращающейся центрифуге.
- В Южной Африке придумали вводит газ в цилиндр по касательной. В данный момент он испытывается на легких изотопах, в как в кремнии.^{[17]XИсточник информации}
Реклама

Метод 5

Метод 5 из 7:

Процесс жидкой тепловой диффузии

Загрузить PDF

Трубы должны быть довольно высокими. Чем длиннее трубы, тем больше газа можно разделить.
Это охладит внешнюю трубу.
5
Нагрейте внутреннюю трубу с помощью пара. Тепло создаст конвекционный поток в UF₆, который заставит легкие изотопы ²³⁵U двигаться к теплой внутренней трубе, а тяжелые ²³⁸U - к холодной внешней.
- Этот процесс был придуман в 1940 году в рамках Манхэттенского проекта, но был заброшен на ранней стадии после развития более эффективного процесса газовой диффузии.^{[18]XИсточник информации}^{[19]XИсточник информации}
Реклама

Метод 6

Метод 6 из 7:

Процесс электромагнитного изотопного разделения

Загрузить PDF

3
Отделите ионизированные изотопы урана по следам, которые они оставляют, проходя через магнитное поле. Ионы ²³⁵U оставляют следы, которые загибаются иначе, чем у ²³⁸U. Эти ионы могут быть отделены, для получения обогащенного урана.
- Этот метод использовался для производства урана для атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму в 1945 году и использовался Ираком для его программы ядерного вооружения в 1992 году. Данный способ требует в 10 раз больше энергии, чем метод газовой диффузии, что делает его непрактичным для крупномасштабных программ.^{[20]XИсточник информации}
Реклама

Метод 7

Метод 7 из 7:

Процесс лазерного разделения изотопов

Загрузить PDF

Свет лазера должен иметь особенную длину волны (одноцветную). При данной длине волны лазер будет направляться только на атомы ²³⁵U, оставляя атомы ²³⁸U нетронутыми.
В отличие от других методов обогащения урана, данный процесс не требует использования газа гексафторида урана. Вы можете использовать сплав урана и железа, что, чаще всего, и делают в промышленности.
Это и будут атомы ²³⁵U.
Реклама

Советы

В некоторых странах ядерные отходы используются заново, чтобы выделить из них уран и плутоний, оставшиеся после процесса распада. Повторно используемый уран придется извлекать из ²³²U и ²³⁶U, полученных в процессе распада, причем теперь уран следует обогатить до более высокого уровня, чем изначально, поскольку ²³⁶U поглощает нейтроны и такоим образом замедляет процесс распада. Из-за этого, уран, используемый впервые, следует держать отдельно от повторно используемого.^{[21]XИсточник информации}

Предупреждения

На самом деле, уран слабо радиоактивен. Однако, при превращении его в UF₆ , он превращается в токсичный химикат, при контакте с водой образующий фтористоводородную кислоту (Эту кислоту называют травильной, так как с ее помощью травят стекло).^{[22]XИсточник информации} Поэтому предприятия, обогащающие уран, требуют такого же уровня безопасности и защиты, как и химические предприятия, работающие с фтором, что включает в себя хранение газа UF₆ под слабым давлением и использование дополнительной герметизации при работе под высоким давлением.^{[23]XИсточник информации}
Повторно используемый уран должен находиться под серьезной защитой, так как изотопы ²³²U, которые в нем содержатся, распадаются на элементы, выделяющие сильное гамма-излучение. ^{[24]XИсточник информации}
Обогащенный уран, как правило, можно повторно использовать только один раз. ^{[25]XИсточник информации}