Tip berguna

Pengayaan uranium

Pin
Send
Share
Send
Send


Pengayaan uranium adalah salah satu langkah utama dalam mewujudkan senjata nuklear. Hanya jenis uranium tertentu yang berfungsi dalam reaktor nuklear dan bom.

Mengasingkan uranium jenis ini dari pelbagai jenis yang lebih luas memerlukan kemahiran kejuruteraan yang hebat, walaupun pada hakikatnya teknologi yang diperlukan untuk ini telah berlaku selama beberapa dekad. Tugasnya bukan untuk mengetahui bagaimana untuk memisahkan uranium, tetapi untuk membina dan menjalankan peralatan yang diperlukan untuk menyelesaikan tugas ini.

Atom uranium, seperti atom unsur yang terdapat di alam semula jadi dalam pelbagai, dipanggil isotop. (Setiap isotop mempunyai bilangan neutron yang berbeza dalam nukleusnya.) Uranium-235, isotop yang membentuk kurang daripada 1 peratus daripada semua uranium semulajadi, menyediakan bahan api untuk reaktor nuklear dan bom nuklear, manakala uranium-238, isotop yang membentuk 99 peratus uranium semulajadi, tidak mempunyai penggunaan nuklear.

Tahap Pengayaan Uranium

Reaksi rantai nuklear membayangkan bahawa sekurang-kurangnya satu neutron dari pereputan atom uranium akan ditangkap oleh atom lain dan, dengan itu, akan menyebabkan kerosakannya. Dalam penghampiran pertama, ini bermakna bahawa neutron mesti "tersandung" pada atom 235 U sebelum meninggalkan reaktor. Ini bermakna bahawa reka bentuk dengan uranium perlu cukup padat supaya kemungkinan untuk mendapatkan atom uranium seterusnya untuk neutron adalah cukup tinggi. Tetapi sebagai reaktor 235 U beroperasi, ia secara beransur-ansur membakar, yang mengurangkan kemungkinan neutron bertemu atom 235 U, yang memaksa mereka untuk meletakkan margin tertentu kebarangkalian ini dalam reaktor. Oleh itu, bahagian rendah 235 U dalam bahan api nuklear memerlukan:

  • jumlah reaktor yang lebih besar supaya neutron berada di dalamnya lebih lama
  • sebahagian besar daripada jumlah reaktor harus diduduki oleh bahan bakar untuk meningkatkan kemungkinan pelanggaran neutron dan atom uranium,
  • lebih kerap diperlukan untuk menambah nilai bahan api kepada segar untuk mengekalkan ketumpatan pukal yang diberikan sebanyak 235 U dalam reaktor,
  • satu bahagian yang tinggi bernilai 235 U dalam bahan bakar yang dibelanjakan.

Dalam proses memperbaiki teknologi nuklear, penyelesaian yang optimum dari segi ekonomi dan teknologi didapati bahawa peningkatan kandungan 235 U dalam bahan bakar, iaitu pengayaan uranium.

Dalam senjata nuklear, tugas pengayaan hampir sama: diperlukan dalam masa yang sangat singkat ledakan nuklear, jumlah maksimum 235 atom U menemukan neutron, kerosakan, dan tenaga pelepasan mereka. Untuk ini, ketumpatan pukal maksimum atom 235 diperlukan, yang boleh dicapai dengan pengayaan muktamad.

Tahap Pengayaan Uranium [sunting |

Kunci pemisahan

Kunci pemisahan mereka adalah bahawa atom uranium-235 berat sedikit kurang daripada atom uranium-238.

Untuk memisahkan sejumlah kecil uranium-235 yang terdapat dalam setiap sampel semulajadi bijih uranium, jurutera mula menukar uranium ke dalam gas menggunakan reaksi kimia.

Kemudian gas diperkenalkan ke dalam tiub centrifuge dalam bentuk silinder yang ukuran seseorang atau lebih. Setiap tiub berputar pada paksi pada kelajuan yang sangat tinggi, menarik molekul gas uranium-238 yang lebih berat ke pusat tiub, meninggalkan molekul gas uranium-235 yang lebih cerah lebih dekat dengan tepi tiub di mana ia boleh disedut.

Setiap kali gas diputar dalam centrifuge, hanya sedikit uranium-238 gas dikeluarkan dari campuran, jadi paip digunakan dalam siri. Setiap centrifuge mengeluarkan sedikit uranium-238, dan kemudian memindahkan campuran gas yang dimurnikan sedikit ke paip seterusnya, dan sebagainya.

Penukaran gas uranium

Selepas pemisahan uranium gas-235 di banyak peringkat emparan, jurutera menggunakan tindak balas kimia yang berbeza untuk menukar gas uranium ke logam padu. Logam ini kemudiannya boleh dibentuk untuk digunakan di dalam reaktor atau bom.

Oleh kerana setiap langkah hanya membersihkan campuran gas uranium dengan jumlah yang kecil, negara hanya dapat menjalankan sentrifugal yang dirancang untuk tahap kecekapan tertinggi. Jika tidak, pengeluaran walaupun sedikit uranium tulen-235 menjadi sangat mahal.

Dan reka bentuk dan pembuatan tiub centrifuge ini memerlukan tahap pelaburan dan pengetahuan teknikal di luar jangkauan banyak negara. Paip memerlukan jenis keluli khas atau campuran yang menahan tekanan yang signifikan semasa putaran, mestilah benar-benar silinder dan dibuat oleh mesin khas yang sukar dibina.

Inilah contoh bom yang Amerika Syarikat jatuh ke Hiroshima. Ia mengambil 62 kg uranium-235 untuk membuat bom, menurut "membina bom atom" (Simon dan Schuster, 1995).

Pemisahan 62 kg dari hampir 4 tan bijih uranium berlaku di bangunan terbesar dunia dan menggunakan 10 peratus daripada tenaga elektrik negara. "Ia memerlukan 20,000 orang untuk membina kemudahan itu, 12,000 orang mengendalikan kemudahan itu, dan pada tahun 1944 melengkapkannya lebih daripada $ 500 juta." Itu kira-kira $ 7.2 bilion pada tahun 2018.

Kenapa uranium diperkaya sangat dahsyat?

Plutonium uranium atau gred senjata berbahaya dalam bentuk tulennya kerana satu alasan mudah: dari mereka, dengan asas teknikal tertentu, peranti nuklear letupan boleh dibuat.

Angka ini menunjukkan perwakilan skematis dari kepala nuklear yang mudah. Billet 1 dan 2 bahan api nuklear berada di dalam shell. Setiap daripada mereka adalah salah satu bahagian dari seluruh bola dan beratnya sedikit kurang daripada jisim kritikal logam senjata yang digunakan dalam bom.

Apabila caj meletup TNT diletupkan, jongkong uranium 1 dan 2 digabungkan menjadi satu, jumlah jisimnya pasti melebihi jisim kritikal untuk bahan ini, yang membawa kepada tindak balas rantai nuklear dan, akibatnya, kepada letupan atom.

Ia nampaknya tidak rumit, tetapi dalam realiti ini, tentu saja, tidak begitu. Sekiranya tidak, terdapat lebih banyak negara dengan senjata nuklear di planet ini. Tambahan pula, risiko teknologi berbahaya sedemikian jatuh ke tangan kumpulan pengganas yang cukup kuat dan maju akan bertambah banyak.

Caranya adalah hanya kuasa yang kaya dengan infrastruktur saintifik yang dibangunkan mampu memperkayakan uranium, walaupun dengan teknologi terkini. Lebih sukar, tanpa peranti atom tidak berfungsi, memisahkan 235 dan 238 isotop uranium.

Uranium Mines: Kebenaran dan Fiksyen

Di USSR, di peringkat philistine, terdapat hipotesis yang menimbulkan kejahatan di dalam tambang uranium, sehingga menimbulkan rasa bersalah mereka sebelum parti dan rakyat Soviet. Ini, tentu saja, tidak benar.

Perlombongan uranium adalah industri perlombongan berteknologi tinggi, dan tidak mungkin sesiapa pun akan mengaku bekerja dengan peralatan yang sangat canggih dan sangat mahal dan pembunuh yang menyamar dengan perompak. Selain itu, khabar angin bahawa pelombong uranium semestinya memakai topeng gas dan seluar dalam memimpin juga tidak lebih daripada mitos.

Uranium dilombong dalam lombong kadang kala sehingga satu kilometer dalam. Rizab terbesar elemen ini terdapat di Kanada, Rusia, Kazakhstan dan Australia. Di Rusia, satu tan bijih menghasilkan purata kira-kira satu setengah kilogram uranium. Ini bukan penunjuk terbesar. Di beberapa lombong Eropah, angka ini mencapai 22 kg per tan.

Latar belakang radiasi di lombong adalah sama seperti di sempadan stratosfera, di mana pesawat penumpang awam ditampal.

Bijih uranium

Enrich uranium bermula dengan segera selepas perlombongan, berhampiran lombong. Sebagai tambahan kepada logam, seperti mana-mana bijih lain, uranium mengandungi batuan sisa. Tahap awal pengayaan turun untuk menyusun batu bara yang dibangkitkan dari lombong: yang kaya dengan uranium dan miskin. Secara harfiah setiap bahagian ditimbang, diukur oleh mesin dan, bergantung pada sifat, dihantar ke aliran tertentu.

Kemudian sebuah kilang akan bermain, mengisar bijih kaya uranium ke dalam serbuk halus. Walau bagaimanapun, ini bukan uranium, tetapi hanya oksidanya. Mendapatkan logam tulen adalah rangkaian reaksi kimia dan transformasi yang paling rumit.

Walau bagaimanapun, tidak cukup untuk mengasingkan logam tulen daripada sebatian kimia mula. Dari jumlah uranium yang terkandung dalam alam semula jadi, 99% diduduki oleh isotop 238, dan rakan 235nya kurang dari satu peratus. Memisahkan mereka adalah tugas yang sangat sukar, yang tidak dapat diselesaikan oleh setiap negara.

Kaedah penyebaran gas

Ini adalah kaedah pertama yang mana uranium diperkaya. Ia masih digunakan di Amerika Syarikat dan Perancis. Berdasarkan perbezaan ketumpatan isotop 235 dan 238. Gas uranium yang dikeluarkan dari oksida dipam di bawah tekanan tinggi ke ruang yang dipisahkan oleh membran. Atom 235 isotop lebih ringan, oleh itu, dari bahagian haba yang diterima, mereka bergerak lebih cepat daripada atom uranium yang perlahan, masing-masing 238, lebih kerap dan lebih hebat memukul melawan membran. Menurut undang-undang teori kebarangkalian, mereka lebih cenderung untuk masuk ke salah satu mikroskop dan berada di sisi lain membran ini.

Keberkesanan kaedah ini adalah kecil, kerana perbezaan antara isotop sangat kecil. Tetapi bagaimana untuk membuat uranium diperkaya sesuai digunakan? Jawapannya menerapkan kaedah ini banyak, banyak kali. Untuk mendapatkan uranium yang sesuai untuk pembuatan bahan bakar dari reaktor di loji kuasa, sistem rawatan penyebaran gas diulang beberapa ratus kali.

Ulasan ahli tentang kaedah ini bercampur. Di satu pihak, kaedah pemisahan gas adalah yang pertama untuk menyediakan Amerika Syarikat dengan uranium berkualiti tinggi, menjadikannya sementara sebagai pemimpin dalam bidang ketenteraan. Sebaliknya, penyebaran gas dianggap menghasilkan sampah yang kurang. Satu-satunya perkara yang gagal dalam kes ini ialah harga tinggi produk akhir.

Kaedah centrifuge

Inilah perkembangan jurutera Soviet. Pada masa ini, sebagai tambahan kepada Rusia, terdapat beberapa negara di mana uranium diperkaya dengan kaedah yang ditemui di USSR. Ini adalah Brazil, Inggeris, Jerman, Jepun dan beberapa negara lain. Kaedah ini sama dengan teknologi penyebaran gas kerana ia menggunakan perbezaan massa 235 dan 238 isotop.

Galian Uranium berputar dalam centrifuge hingga 1,500 rpm. Oleh kerana kepadatan yang berlainan, isotop terjejas oleh daya sentrifugal dari pelbagai saiz. Uranium 238, yang lebih berat, berkumpul berhampiran dinding emparan, manakala isotop 235 semakin dekat ke pusat. Campuran gas dipam ke bahagian atas silinder. Setelah melepasi jalan ke bawah emparan, isotop mempunyai masa untuk memisahkan sebahagian dan dipilih secara berasingan.

Walaupun kaedah ini juga tidak menyediakan pemisahan isotop 100%, dan untuk mencapai tahap pengayaan yang diperlukan, ia mesti digunakan berulang kali, ia jauh lebih cekap dari segi ekonomi. Oleh itu, uranium diperkaya di Rusia menggunakan teknologi centrifuge adalah kira-kira 3 kali lebih murah daripada yang diperoleh pada membran Amerika.

Permohonan Uranium yang Diperkaya

Kenapa semua pita merah rumit dan mahal dengan pemurnian, pemisahan logam daripada oksida, pemisahan isotop? Satu mesin basuh uranium yang diperkaya 235, yang digunakan dalam tenaga nuklear (dari "pil" itu dipasang rod - rod bahan bakar), dengan berat 7 gram menggantikan kira-kira tiga tong minyak 200 liter atau kira-kira satu tan arang batu.

Enriched and depleted uranium digunakan secara berbeza bergantung kepada kesucian dan nisbah isotop 235 dan 238.

Isotop 235 adalah bahan api yang lebih intensif tenaga. Enriched uranium dianggap apabila kandungan isotop 235 lebih daripada 20%. Ini adalah asas senjata nuklear.

Bahan mentah tepu tenaga yang diperkaya juga digunakan sebagai bahan bakar untuk reaktor nuklear di kapal selam dan kapal angkasa kerana jisim dan saiz yang terhad.

Uranium yang terkurang, yang mengandungi terutamanya isotop 238, adalah bahan api untuk reaktor nuklear pegun awam. Reaktor uranium semulajadi dianggap kurang letupan.

Dengan cara itu, menurut pengiraan ahli ekonomi Rusia, sambil mengekalkan kadar pengeluaran semasa sebanyak 92 elemen jadual berkala, rizabnya di ranjau yang diterokai di seluruh dunia akan habis pada tahun 2030. Itulah sebabnya para saintis menanti fusi sebagai sumber tenaga murah dan berpatutan pada masa depan.

Pin
Send
Share
Send
Send