Корисні поради

Збагачення урану

Pin
Send
Share
Send
Send


збагачення урану є одним з ключових кроків у створенні ядерної зброї. Тільки певний вид урану працює в ядерних реакторах і бомбах.

Відділення цього типу урану від більш поширеного сорту вимагає великого інженерного майстерності, незважаючи на те, що технологіям необхідним для цього, вже десятиліття. Завдання полягає не в тому щоб з'ясувати як відокремити уран, а в тому, щоб побудувати і запустити обладнання, необхідне для виконання цього завдання.

Урана атоми, як і атоми елементів зустрічаються в природі в різновиди називаються ізотопами. (Кожен ізотоп має різну кількість нейтронів в своєму ядрі.) Уран-235, ізотоп, який становить менше 1 відсотка всього природного урану, забезпечує паливом для ядерних реакторів і ядерних бомб, в той час як уран-238, ізотоп, який становить 99 відсотків природного урану, не має ядерного використання.

Ступеня збагачення урану

Ланцюгова ядерна реакція на увазі, що хоча б один нейтрон з освічених розпадом атома урану буде захоплена іншою атомом і, відповідно, викличе його розпад. У першому наближенні це означає що нейтрон повинен «наштовхнутися» на атом 235 U раніше ніж покине межі реактора. Значить, конструкція з ураном повинна бути досить компактної щоб ймовірність знайти наступний атом урану для нейтрона була досить висока. Але в міру роботи реактора 235 U поступово вигорає, що зменшує ймовірність зустрічі нейтрона і атома 235 U, що змушує закладати в реакторах певний запас цієї ймовірності. Відповідно, низька частка 235 U в ядерному паливі викликає необхідність в:

  • більшому обсязі реактора, щоб нейтрон довше в ньому знаходився,
  • більшу частку обсягу реактора має займати паливо, щоб підвищити ймовірність зіткнення нейтрона і атома урану,
  • частіше потрібно перезавантажувати паливо на свіже, щоб зберігати задану об'ємну щільність 235 U в реакторі,
  • високій частці цінного 235 U у відпрацьованому паливі.

В процесі вдосконалення ядерних технологій були знайдені економічно і технологічно оптимальні рішення, які вимагають підвищення вмісту 235 U в паливі, тобто збагачення урану.

В ядерній зброї завдання збагачення практично така ж: потрібно щоб за гранично короткий час ядерного вибуху максимальне число атомів 235 U знайшли свій нейтрон, розпалися і виділили енергію. Для цього потрібна гранично можлива об'ємна щільність атомів 235 U, досяжна при граничному збагаченні.

Ступеня збагачення урану [ред |

Ключ до поділу

Ключ до їх поділу полягає в тому, що атоми урану-235 важать трохи менше, ніж атоми урану-238.

Для того щоб відокремити маленьке кількість урану-235, який присутній в кожному природному зразку уранової руди, інженери спочатку за допомогою хімічної реакції перетворюють уран в газ.

Потім газ вводять в центрифужні труби циліндричні форми розміром з людину або більше. Кожна трубка обертається по своїй осі на неймовірно високих швидкостях, витягаючи важчі молекули газу урану-238 в центр трубки, залишаючи більш легкі молекули газу урану-235 ближче до країв трубки, де їх можна висмоктати.

Кожен раз, коли газ обертають в центрифузі, тільки невелика кількість урану-238 газ видаляється з суміші, тому труби використовуються в серії. Кожна центрифуга витягує трохи урану-238, а потім передає злегка очищену газову суміш на наступну трубу і т. Д.

Перетворення газового урану

Після поділу газоподібного урану-235 на багатьох етапах центрифуг, інженери використовують іншу хімічну реакцію для перетворення газового урану назад в твердий метал. Цей метал можна пізніше сформувати для користі в або реакторах або бомбах.

Оскільки кожен крок тільки очищає суміш уранового газу на невелику кількість, країни можуть дозволити собі тільки запускати центрифуги, які спроектовані до найвищого рівня ефективності. В іншому випадку виробництво навіть невеликої кількості чистого урану-235 стає непомірно дорогим.

І проектування і виготовлення цих центрифужних труб вимагає певного рівня інвестицій і технічного ноу-хау за межами досяжності багатьох країнах. Труби вимагають особливі типи стали або сумішей які витримують значний тиск при обертанні, повинні бути абсолютно циліндричними і виготовлені спеціалізованими машинами, важкими для побудови.

Ось приклад створення бомби, яку Сполучені Штати скинули на Хіросіму. Потрібно 62 кг урану-235, щоб зробити бомбу, за даними «створення атомної бомби» (Саймон і Шустер, 1995).

Поділ цих 62 кг від майже 4 тонн уранової руди відбулося в найбільшому в світі будівлі і використовувало 10 відсотків електроенергії всієї країни. Для будівництва споруди знадобилося 20 000 чоловік, 12 000 чоловік експлуатували об'єкт, а в 1944 році його оснащення обійшлося більш ніж в 500 мільйонів доларів. »Це близько $ 7,2 мільярда доларів в 2018 році.

Чим же такий страшний збагачений уран

Уран або збройовий плутоній небезпечні в чистому вигляді по одній простій причині: з них при наявності певної технічної бази можна виготовити вибуховий ядерний пристрій.

На малюнку представлено схематичне зображення найпростішої ядерної боєголовки. Заготовки 1 і 2 з ядерного палива знаходяться всередині оболонки. Кожна з них становить одну з частин цілого кулі і важить трохи менше критичної маси використовуваного в бомбі збройового металу.

При підриві тротилового детонуючого заряду уранові злитки 1 і 2 з'єднуються в одне ціле, їх загальна маса впевнено перевищує критичну масу для даного матеріалу, що призводить до ланцюгової ядерної реакції і, відповідно, до атомного вибуху.

Здавалося б, нічого складного, але насправді це, звичайно ж, не так. В іншому випадку країн, які мають ядерну зброю, було б на планеті на порядок більше. Більш того, сильно зріс би ризик потрапляння таких небезпечних технологій в руки досить потужних і розвинених терористичних угруповань.

Весь фокус у тому, що збагачувати уран, навіть при нинішньому розвитку техніки, в стані тільки дуже багаті держави, що володіють розвиненою науковою інфраструктурою. Ще складніше, без чого атомний пристрій не працюватиме, розділити 235 і 238 ізотопи урану.

Уранові рудники: правда і вигадка

В СРСР на обивательському рівні побутувала гіпотеза про те, що в уранових шахтах працюють приречені на смерть злочинці, таким чином спокутуючи свою провину перед партією і радянським народом. Це, звичайно ж, не так.

Видобуток урану - високотехнологічна галузь гірничодобувної промисловості, і пропащих вбивць з розбійниками навряд чи хтось допустив би до роботи зі складним і дуже дорогим обладнанням. Більш того, чутки про те, що видобувні уран шахтарі в обов'язковому порядку носять протигаз і свинцеве нижню білизну, також не більше ніж міф.

Видобувається уран в шахтах глибиною іноді до кілометра. Найбільші запаси цього елемента виявлені в Канаді, Росії, Казахстані та Австралії. У Росії з однієї тонни руди виходить в середньому близько півтора кілограм урану. Це аж ніяк не найбільший показник. У деяких європейських рудниках ця цифра доходить до 22 кг з тонни.

Радіаційний фон в шахті приблизно такий же, як і на кордоні стратосфери, де латають цивільні пасажирські літаки.

уранова руда

Збагачувати уран починають відразу після видобутку, безпосередньо біля шахти. Крім металу, як і будь-яка інша руда, уранова містить порожню породу. Початковий етап збагачення зводиться до сортування піднятих з шахти кругляків: на багаті ураном і бідні. Буквально кожен шматок зважується, вимірюється автоматами і, в залежності від властивостей, направляється в той чи інший потік.

Потім в справу вступає млин, подрібнююча багату ураном руду в дрібний порошок. Однак це поки не уран, а всього лише його оксид. Отримання ж чистого металу - дуже складна ланцюжок хімічних реакцій і перетворень.

Однак мало просто виділити чистий метал з вихідних хімічних сполук. З усього міститься в природі урану 99% займає ізотоп 238, його 235-му побратиму залишається менше одного відсотка. Їх поділ - складне завдання, вирішувати яку під силу далеко не кожній країні.

Газодифузійний спосіб збагачення

Це перший спосіб, за допомогою якого стали збагачувати уран. Застосовується до сих пір в США і Франції. Заснований на різниці щільності 235 і 238 ізотопів. Урановий газ, виділений з оксиду, під великим тиском закачується в камеру, розділену мембраною. Атоми 235 ізотопу легші, тому від отриманої порції тепла рухаються швидше «повільних» атомів 238 урану, відповідно, частіше й інтенсивніше б'ються об мембрану. За законами теорії ймовірності мають більше шансів потрапити в одну з мікропор і опинитися на іншій стороні цієї самої мембрани.

Ефективність такого методу невелика, адже різниця між ізотопами дуже і дуже незначна. Але як зробити збагачений уран, придатний для використання? Відповідь - застосовуючи цей метод багато і багато разів. Для того щоб отримати придатний для виготовлення палива реактора електростанції уран, система очищення газодифузійних способом повторюється кілька сотень разів.

Відгуки експертів про цей метод неоднозначні. З одного боку, газодифузійний спосіб сепарації - перший, який забезпечив Сполучені Штати високоякісним ураном, який зробив їх на час лідером у військовій сфері. З іншого, вважається, що газова дифузія дає менше відходів. Єдине, що підводить в даному випадку, - висока ціна кінцевого продукту.

центрифужний метод

Це розробка радянських інженерів. У теперішній же час крім Росії є цілий ряд країн, де збагачують уран методом, відкритим в СРСР. Це Бразилія, Великобританія, Німеччина, Японія та деякі інші держави. Метод схожий з газодифузійній технологією тим, що використовує різницю мас 235 та 238 ізотопів.

Урановий газ закручується в центрифузі до 1500 оборотів в секунду. Завдяки різної щільності на ізотопи діють відцентрові сили різної величини. Уран 238, як більш важкий, накопичується під стінами центрифуги, в той час як 235-й ізотоп збирається ближче до центру. Суміш газів закачується в верхню частину циліндра. Пройшовши шлях до нижньої частини центрифуги, ізотопи встигають частково розділитися і відбираються окремо.

Незважаючи на те що метод так само не дає 100% -ного поділу ізотопів, і для досягнення необхідного ступеня збагачення повинен застосовуватися багаторазово, економічно він набагато ефективніше газодифузійного. Так, збагачений уран в Росії за технологією використання центрифуг приблизно в 3 рази дешевше отриманого на американських мембранах.

Застосування збагаченого урану

Для чого ж вся ця складна і дорога тяганина з очищенням, виділенням металу з оксидів, поділом ізотопів? Одна шайба збагаченого урану 235, з тих, що використовуються в атомній енергетиці (з таких «таблеток» набирають стрижні - ТВЕЛи), вагою в 7 грам замінює приблизно три 200-літрові бочки бензину або близько тонни вугілля.

Залежно від чистоти і співвідношення змісту 235 і 238 ізотопів збагачений і збіднений уран застосовується по-різному.

Ізотоп 235 - більш енергоємне паливо. Збагаченим уран вважається при утриманні 235 ізотопу понад 20%. Це основа ядерної зброї.

Також збагачене Енергонасичений сировина використовується як паливо для ядерних реакторів в підводних човнах і на космічних апаратах через обмеженість маси і розмірів.

Збіднений уран, що містить в основному 238 ізотоп, - паливо для стаціонарних атомних реакторів цивільного призначення. Реактори на природному урані вважаються менш вибухонебезпечними.

До речі, за розрахунками російських економістів, при збереженні нинішніх темпів видобутку 92 елемента періодичної таблиці, вже до 2030 року почнуть виснажуватися його запаси в розвіданих рудниках по всьому світу. Ось чому вчені з надією дивляться на термоядерний синтез як на джерело дешевої і доступної енергії в майбутньому.

Pin
Send
Share
Send
Send