Hasznos tippek

Urándúsítás

Pin
Send
Share
Send
Send


Urándúsítás az atomfegyverek létrehozásának egyik kulcsfontosságú lépése. Csak egy bizonyos típusú urán működik atomreaktorokban és bombákban.

Az ilyen urán típus elkülönítése a szélesebb körű fajtáktól nagy mérnöki készségeket igényel, annak ellenére, hogy az ehhez szükséges technológia évtizedek óta létezik. A feladat nem az urán elválasztásának kitalálása, hanem a feladat elvégzéséhez szükséges berendezések felépítése és üzemeltetése.

Az uránium-atomokat, mint például a természetben a különféle fajokban található elematomokat, izotópoknak nevezzük. (Az egyes izotópok atommagjában eltérő számú neutron található.) Az urán-235, az izotóp, amely az összes természetes urán kevesebb, mint 1% -át teszi ki, üzemanyagot szolgáltat a nukleáris reaktorokhoz és nukleáris bombákhoz, míg az urán-238, az izotóp 99% -át teszi ki. természetes urán, nukleáris felhasználású.

Urán dúsítási fokok

A nukleáris láncreakció azt jelenti, hogy az uránatom bomlásából származó legalább egy neutront egy másik atom fogja el, és ennek következtében megbomlik. Az első közelítésben ez azt jelenti, hogy a neutronnak "megbotlik" a 235 U atomra, mielőtt elhagyná a reaktorból. Ez azt jelenti, hogy az uránnal való kialakításnak elég tömörnek kell lennie, hogy elég nagy a valószínűsége annak, hogy a következő uránatomot megtalálja a neutron számára. De amint a 235 U reaktor működik, fokozatosan kiég az, ami csökkenti annak a valószínűségét, hogy a neutron megfelel a 235 U atomnak, ami arra kényszeríti őket, hogy ennek a valószínűségnek egy bizonyos határát tegyék a reaktorokban. Ennek megfelelően a nukleáris üzemanyagban előforduló alacsony 235 U aránynak szüksége van:

  • nagyobb reaktormennyiséget, hogy a neutron hosszabb legyen benne
  • a reaktor térfogatának nagyobb részét üzemanyaggal kell elfoglalni, hogy növeljük a neutron és az urán atom ütközésének valószínűségét,
  • gyakrabban szükséges az üzemanyag friss állapotba történő újratöltése annak érdekében, hogy a reaktorban az adott térfogatsűrűség 235 U maradjon,
  • nagy mennyiségű értékes 235 U a kiégett fűtőelemekben.

A nukleáris technológia fejlesztésének folyamata során olyan gazdasági és technológiai szempontból optimális megoldásokat találtak, amelyek megkövetelik az üzemanyagban, azaz az uránban történő dúsítás 235 U tartalmának növelését.

A nukleáris fegyverekben a dúsítási feladat majdnem ugyanaz: szükséges, hogy egy nukleáris robbanás rendkívül rövid idejében a maximálisan 235 U atom megtalálja neutronját, bomlását és energiájának felszabadítását. Ehhez a 235 U atomok legnagyobb lehetséges térfogatsűrűségére van szükség, amely a végső dúsítással elérhető.

Urán dúsítási fokok [szerkesztés |

Az elválasztás kulcsa

Az elválasztásuk kulcsa az, hogy az urán-235 atomok kissé kevesebbet töltenek, mint az urán-238 atomok.

Az uránérc minden természetes mintájában található apró mennyiségű urán-235 elválasztása érdekében a mérnökök először kémiai reakció segítségével az uránt gázzá alakítják.

Ezután a gázt egy ember vagy annál nagyobb henger alakú centrifugacsőbe vezetjük. Mindegyik cső hihetetlenül nagy sebességgel forog a tengelyén, nehezebb urán-238 gázmolekulákat húzva a cső középpontjába, és könnyebb urán-235 gázmolekulákat közelebb hagy a cső széleinek, ahol kiszívhatók.

Ha a gázt centrifugában forgatják, akkor csak kevés urán-238 gázt távolítanak el a keverékből, így a csöveket sorosan használják. Minden centrifuga kihúz egy kis urán-238-at, majd az enyhén tisztított gázkeveréket átviszi a következő csőbe stb.

Urángáz átalakítása

A gáznemű urán-235 elválasztását követően a centrifugák sok szakaszában a mérnökök eltérő kémiai reakciót alkalmaznak az urán gáz szilárd fémré történő átalakítására. Ez a fém később kialakítható reaktorokban vagy bombákban történő felhasználásra.

Mivel minden egyes lépés csak kis mennyiségben tisztítja az urángáz keverékét, az országok csak megengedhetik maguknak, hogy a legmagasabb hatékonyságú centrifugákat működtessék. Ellenkező esetben még kis mennyiségű tiszta urán-235 előállítása meglehetősen drága lesz.

És ezeknek a centrifugacsöveknek a megtervezése és gyártása bizonyos szintű beruházást és műszaki know-how-t igényel, amely sok ország számára elérhető. A csövekhez speciális típusú acélok vagy keverékek szükségesek, amelyek ellenállnak a forgás során jelentős nyomásnak, teljesen hengeresnek kell lenniük, és nehéz gyártású, speciális gépekkel kell készülniük.

Itt van egy példa egy bombara, amelyet az Egyesült Államok Hirosimára dobtak. Bomba elkészítéséhez 62 kg urán-235 szükséges, az „atombomba felépítése” szerint (Simon és Schuster, 1995).

Ezeket a 62 kg-ot elválasztottuk a közel 4 tonna uránérctől a világ legnagyobb épületében, és az ország villamosenergia 10% -át használták fel. „20 000 emberre volt szükség a létesítmény felépítéséhez, 12 000 ember üzemeltette a létesítményt, 1944-ben a felszerelése több mint 500 millió dollárba került.” Ez körülbelül 7,2 milliárd dollár 2018-ban.

Miért olyan szörnyű urán?

Az urán vagy a fegyverminőségű plutónium tiszta formájában veszélyes egy egyszerű okból: tőlük, egy bizonyos műszaki bázissal, robbanóképes nukleáris eszköz gyártható.

Az ábra egy egyszerű nukleáris fejfej sematikus ábráját mutatja. A nukleáris tüzelőanyag 1. és 2. tüskéje a héjában található. Mindegyik a teljes golyó egyik részét képezi, és kissé kisebb, mint a bombában használt fegyver fémének kritikus tömege.

Amikor a TNT robbantó töltését felrobbantják, az 1 és 2 uránrúdokat egyesítik, teljes tömegük határozottan meghaladja az anyag kritikus tömegét, ami nukleáris láncreakcióhoz és ennek következtében atomi robbanáshoz vezet.

Úgy tűnik, semmi bonyolult, de a valóságban ez természetesen nem így van. Ellenkező esetben nagyságrenddel nagyobb számú ország lenne nukleáris fegyverekkel a bolygón. Ezenkívül jelentősen megnő annak a kockázata, hogy az ilyen veszélyes technológiák kellően hatalmas és fejlett terrorista csoportok kezébe kerülnek.

A trükk az, hogy csak a fejlett tudományos infrastruktúrával rendelkező nagyon gazdag hatalmak képesek dúsítani uránt, még a technológia jelenlegi fejlődésével is. Még nehezebb, amely nélkül az atomerőmű nem működne, elválasztva a 235 és 238 urán izotópokat.

Uránbányák: Igazság és kitalálás

A Szovjetunióban, a filiszteus szintjén egy hipotézis állt fenn, miszerint az elítélt bűnözők uránbányákban dolgoznak, így felfedik a bűntudatot a párt és a szovjet nép előtt. Ez természetesen nem igaz.

Az uránbányászat csúcstechnológiájú bányászat, és valószínűtlen, hogy bárki beismerte volna, hogy kifinomult és nagyon drága berendezéseivel dolgozik, és rablókkal rabszolgatatlan gyilkosokkal dolgozik. Ezenkívül a pletykák, hogy az uránbányászok szükségszerűen gázálarcot és ólom fehérneműt viselnek, szintén mítosz.

Az uránt bányákban bányozzák, néha egy kilométer mélyen. Ennek az elemnek a legnagyobb tartalékai Kanadában, Oroszországban, Kazahsztánban és Ausztráliában találhatók. Oroszországban egy tonna érc átlagosan körülbelül másfél kilogramm uránt termel. Ez egyáltalán nem a legnagyobb mutató. Egyes európai bányákban ez az arány eléri a 22 kg / tonna mennyiséget.

A bányában a sugárzási háttér nagyjából megegyezik a sztratoszféra határán, ahol a polgári utasszállító repülőgépek javításra kerülnek.

Uránérc

Az urán dúsítása közvetlenül a bánya közelében kezdődik el a bányászat után. A fém mellett, mint bármely más érc, az urán hulladékkövet is tartalmaz. A dúsítás kezdeti stádiuma a bányából származó macskakövek válogatása: uránban gazdag és szegények. Szó szerint minden darabot megmérnek, géppel megmérnek, és a tulajdonságoktól függően egy adott patakba továbbítják.

Ezután egy malom játszik játékban, és az uránban gazdag ércet finom pormá őrli. Ez azonban nem urán, hanem csak oxidja. A tiszta fém előállítása a kémiai reakciók és átalakulások legbonyolultabb lánca.

Nem elegendő azonban a tiszta fém izolálása a kiindulási kémiai vegyületektől. A természetben található összes urán 99% -át a 238 izotóp foglalja el, 235-es ekvivalense kevesebb, mint egy százalék. Elválasztásuk nagyon nehéz feladat, amelyet nem minden ország képes megoldani.

Gázdiffúziós dúsítási módszer

Az első módszer az urán dúsítására. Még mindig használják az USA-ban és Franciaországban. A 235 és 238 izotóp sűrűségbeli különbsége alapján. Az oxidból felszabaduló urángázt nagy nyomáson szivattyúzzák egy membránnal elválasztott kamrába. Az izotóp 235 atomjai könnyebbek, tehát a befogadott hőmennyiségből gyorsabban mozognak, mint a „lassú” 238 uránium-atomok, gyakrabban és intenzívebben verték meg a membránt. A valószínűségi elmélet törvényei szerint nagyobb valószínűséggel jutnak be az egyik mikropórusba és a membrán másik oldalán vannak.

Ennek a módszernek a hatékonysága csekély, mivel az izotópok közötti különbség nagyon-nagyon kicsi. De hogyan lehet a dúsított uránt felhasználásra alkalmassá tenni? A válasz ezt a módszert sok-sok alkalommal alkalmazza. Annak érdekében, hogy az erőmű reaktorából üzemanyag előállításához megfelelő uránt nyerjünk, a gázdiffúziós kezelő rendszert több százszor megismételjük.

A módszerrel kapcsolatos szakértői vélemények vegyesek. Egyrészt a gázdiffúziós elválasztási módszer az első, amely az Egyesült Államok számára kiváló minőségű uránt biztosít, és ideiglenesen vezetővé teszi őket a katonai szférában. Másrészt úgy gondolják, hogy a gázdiffúzió kevesebb hulladékot eredményez. Az egyetlen dolog, amely ebben az esetben kudarcot vall, a végtermék magas ára.

Centrifuga módszer

Ez a szovjet mérnökök fejlesztése. Jelenleg Oroszországon kívül számos országban vannak urántartalmak a Szovjetunióban felfedezett módszerrel dúsítva. Ezek Brazília, Nagy-Britannia, Németország, Japán és néhány más állam. A módszer hasonló a gázdiffúziós technológiához, mivel 235 és 238 izotópok tömegkülönbségét használja.

Az urángáz centrifugában forog 1500 fordulat / perc sebességre. A különböző sűrűség miatt az izotópokat különböző méretű centrifugális erők befolyásolják. Az urán 238, mint nehezebb, a centrifuga falai közelében halmozódik fel, míg a 235. izotóp közelebb gyűl a központhoz. A gázkeveréket a henger tetejére szivattyúzzák. Miután eljutottak a centrifuga aljához, az izotópoknak idejük részlegesen elválasztani, és külön kerülnek kiválasztásra.

Annak ellenére, hogy a módszer nem biztosítja az izotópok 100% -os elválasztását, és a szükséges dúsítási fok eléréséhez azt ismételten alkalmazni kell, gazdaságilag sokkal hatékonyabb, mint a gázdiffúzió. Így a dúsított urán Oroszországban centrifuga technológiával kb. Háromszor olcsóbb, mint az amerikai membránoknál.

Dúsított urán alkalmazás

Miért van ez a bonyolult és drága bürokrácia tisztítással, fémek oxidoktól elválasztásával, izotópok elválasztásával? Az atomenergiában felhasznált 235 urán dúsított uránjának egy mosója (az ilyen „tablettákból összeállított rudak - üzemanyag rudak”) 7 gramm tömegű cseréje körülbelül három 200 liter hordó benzint vagy kb.

A dúsított és szegényített uránt a 235 és 238 izotópok tisztaságától és arányától függően eltérően használják.

A 235 izotóp energiaigényesebb üzemanyag. A dúsított uránt akkor kell figyelembe venni, ha a 235 izotóp tartalma meghaladja a 20% -ot. Ez a nukleáris fegyverek alapja.

A dúsított, energiával telített nyersanyagokat a tengeralattjárókban és az űrhajókban a nukleáris reaktorok tüzelőanyagaként is használják a korlátozott tömeg és méret miatt.

A szegényített urán, amely elsősorban 238 izotópot tartalmaz, üzemanyagként szolgál a helyhez kötött polgári nukleáris reaktorok számára. A természetes uránreaktorokat kevésbé robbanásveszélyesnek tekintik.

Mellesleg, az orosz közgazdászok számításai szerint, miközben fenntartják a periódusos rendszer 92 elemének jelenlegi termelési arányát, a világon feltárt aknákban lévő készletek már 2030-ra kimerülnek. A tudósok ezért várják a fúziót, mint olcsó és megfizethető energiaforrást a jövőben.

Pin
Send
Share
Send
Send