Sfaturi utile

Îmbogățirea cu uraniu

Pin
Send
Share
Send
Send


Îmbogățirea cu uraniu este unul dintre pașii cheie în crearea armelor nucleare. Doar un anumit tip de uraniu funcționează în reactoare și bombe nucleare.

Separarea acestui tip de uraniu de o varietate mai răspândită necesită o mare abilitate în inginerie, în ciuda faptului că tehnologia necesară pentru aceasta este de zeci de ani. Sarcina nu este să vă dați seama cum să separați uraniul, ci să construiți și să executați echipamentul necesar finalizării acestei sarcini.

Atomii de uraniu, ca și atomii de element care se găsesc în natură într-o varietate, se numesc izotopi. (Fiecare izotop are un număr diferit de neutroni în nucleul său.) Uraniu-235, izotopul care constituie mai puțin de 1 la sută din uraniul natural, furnizează combustibil pentru reactoarele nucleare și bombele nucleare, în timp ce uraniu-238, izotopul care constituie 99 la sută uraniu natural, nu are uz nuclear.

Gradele de îmbogățire a uraniului

O reacție în lanț nuclear implică faptul că cel puțin un neutron din descompunerea unui atom de uraniu va fi capturat de un alt atom și, în consecință, va provoca descompunerea acestuia. Într-o primă aproximație, acest lucru înseamnă că neutronul trebuie „să se poticnească” pe atomul de 235 U înainte de a părăsi reactorul. Aceasta înseamnă că proiectarea cu uraniu ar trebui să fie suficient de compactă, astfel încât probabilitatea de a găsi următorul atom de uraniu pentru neutron este suficient de mare. Dar, pe măsură ce reactorul 235 U funcționează, acesta se arde treptat, ceea ce reduce probabilitatea ca un neutron să întâlnească atomul de 235 U, ceea ce îi obligă să pună o anumită marjă a acestei probabilități în reactoare. În consecință, proporția scăzută de 235 U din combustibil nuclear necesită:

  • un volum de reactor mai mare astfel încât neutronul să fie mai lung în el
  • o proporție mai mare din volumul reactorului ar trebui să fie ocupat de combustibil pentru a crește probabilitatea unei coliziuni a unui neutron și a unui atom de uraniu,
  • mai des este necesar să reîncărcați combustibilul în stare proaspătă pentru a menține o densitate în masă dată de 235 U în reactor,
  • o proporție ridicată de 235 U valoroase în combustibil uzat.

În procesul de îmbunătățire a tehnologiei nucleare, s-au descoperit soluții optime din punct de vedere economic și tehnologic care au necesitat o creștere a conținutului de 235 U în combustibil, adică îmbogățirea uraniului.

În armele nucleare, sarcina de îmbogățire este aproape aceeași: este necesar ca într-un timp extrem de scurt de explozie nucleară, numărul maxim de 235 de atomi U să își găsească neutronul, să se descompună și să elibereze energie. Pentru aceasta, este necesară densitatea maximă maximă în masă a atomilor 235 U, ceea ce este realizabil cu îmbogățirea finală.

Gradele de îmbogățire a uraniului [editați |

Cheia separării

Cheia separării lor este că uraniul-235 atomi cântăresc puțin mai puțin decât uraniul-238 atomi.

Pentru a separa cantitatea minunată de uraniu-235 care este prezentă în fiecare eșantion natural de minereu de uraniu, inginerii au transformat mai întâi uraniul în gaz folosind o reacție chimică.

Apoi, gazul este introdus într-un tub de centrifugare într-o formă cilindrică, dimensiunea unei persoane sau mai multe. Fiecare tub se rotește pe axa sa cu viteze incredibil de mari, trăgând molecule de gaz uraniu-mai grele spre centrul tubului, lăsând molecule de gaz uraniu-235 mai ușoare mai aproape de marginile tubului, unde pot fi aspirate.

De fiecare dată când gazul este rotit într-o centrifugă, doar o cantitate mică de gaz uraniu-238 este eliminat din amestec, astfel încât conductele sunt utilizate în serie. Fiecare centrifugă extrage puțin uraniu-238, apoi transferă amestecul ușor de gaz purificat la următoarea conductă etc.

Conversia gazelor de uraniu

După separarea gazului uraniu-235 în multe etape ale centrifugelor, inginerii folosesc o reacție chimică diferită pentru a converti gazul de uraniu în metal solid. Acest metal poate fi ulterior format pentru reactoare sau bombe.

Întrucât fiecare etapă curăță doar amestecul de gaz uraniu cu o cantitate mică, țările își pot permite să funcționeze doar centrifuge proiectate la cel mai înalt nivel de eficiență. În caz contrar, producția chiar a unei cantități mici de uraniu pur-235 devine costisitoare prohibitiv.

Iar proiectarea și fabricarea acestor tuburi de centrifugă necesită un anumit nivel de investiții și de cunoștințe tehnice, dincolo de îndemâna multor țări. Țevile necesită tipuri speciale de oțel sau amestecuri care rezistă la presiune semnificativă în timpul rotirii, trebuie să fie complet cilindrice și realizate de mașini specializate dificil de construit.

Iată un exemplu de bombă pe care Statele Unite au aruncat-o pe Hiroshima. Este nevoie de 62 kg de uraniu-235 pentru a face o bombă, conform „construirii unei bombe atomice” (Simon și Schuster, 1995).

Separarea acestor 62 kg de aproape 4 tone de minereu de uraniu s-a produs în cea mai mare clădire din lume și a utilizat 10% din energia electrică a țării. „A fost nevoie de 20.000 de oameni pentru a construi instalația, 12.000 de persoane au operat această instalație, iar în anul 1944 echiparea a costat mai mult de 500 de milioane de dolari.” Asta înseamnă în 2018, aproximativ 7,2 miliarde de dolari.

De ce este atât de groaznic uraniul îmbogățit?

Uraniu sau plutoniu de tip armament este periculos în forma sa pură dintr-un simplu motiv: din ele, cu o anumită bază tehnică, se poate realiza un dispozitiv nuclear exploziv.

Figura prezintă o reprezentare schematică a unei simple focoase nucleare. Billetele 1 și 2 de combustibil nuclear sunt în interiorul carcasei. Fiecare dintre ele este una dintre părțile întregii bile și cântărește puțin mai puțin decât masa critică a armelor metalice utilizate în bombă.

Când încărcarea de detonare TNT este detonată, lingourile de uraniu 1 și 2 sunt combinate într-unul, masa lor totală depășește cu siguranță masa critică pentru acest material, ceea ce duce la o reacție în lanț nuclear și, în consecință, la o explozie atomică.

Nu ar părea nimic complicat, dar, în realitate, acest lucru nu este chiar așa. În caz contrar, ar exista un ordin de mărime pentru mai multe țări cu arme nucleare pe planetă. Mai mult, riscul ca astfel de tehnologii periculoase să cadă în mâinile unor grupări teroriste suficient de puternice și dezvoltate ar crește mult.

Trucul este că doar puterile foarte bogate cu infrastructură științifică dezvoltată sunt capabile să îmbogățească uraniul, chiar și cu dezvoltarea actuală a tehnologiei. Și mai dificil, fără de care dispozitivul atomic nu ar funcționa, separă izotopii de uraniu 235 și 238.

Minele de Uraniu: Adevărul și ficțiunea

În URSS, la nivel filistin, a existat o ipoteză potrivit căreia criminalii condamnați lucrează în minele de uraniu, expirându-și astfel vinovăția în fața partidului și a poporului sovietic. Desigur, acest lucru nu este adevărat.

Mineritul de uraniu este o industrie minieră de înaltă tehnologie și este puțin probabil ca cineva să fi recunoscut să lucreze cu echipamente sofisticate și foarte scumpe și să ucidă ucigași cu tâlhari. Mai mult decât atât, zvonurile conform cărora minerii de uraniu poartă în mod necesar o mască de gaz, iar lenjeria de plumb nu sunt altceva decât un mit.

Uraniul este extras în mine uneori până la un kilometru adâncime. Cele mai mari rezerve ale acestui element se găsesc în Canada, Rusia, Kazahstan și Australia. În Rusia, o tonă de minereu produce în medie aproximativ un kilogram și jumătate de uraniu. Acesta nu este în niciun caz cel mai mare indicator. În unele mine europene, această cifră atinge 22 kg pe tonă.

Fundalul de radiații din mină este aproximativ același ca la granița stratosferei, unde sunt pătrunsă aeronave civile de pasageri.

Minereu de uraniu

Uraniul îmbogățit începe imediat după exploatare, direct lângă mină. Pe lângă metal, ca orice alt minereu, uraniul conține deșeuri. Etapa inițială a îmbogățirii se rezumă la sortarea pietrelor ridicate din mină: cele bogate în uraniu și sărace. Literal fiecare piesă este cântărită, măsurată de mașini și, în funcție de proprietăți, trimisă unui anumit flux.

Apoi intră în joc o moară, măcinând minereul bogat în uraniu în pulbere fină. Totuși, acesta nu este uraniu, ci doar oxidul său. Obținerea metalului pur este cel mai complicat lanț de reacții și transformări chimice.

Cu toate acestea, nu este suficient să se izoleze metalul pur de compușii chimici de pornire. Din totalul uraniului conținut în natură, 99% este ocupat de izotopul 238, iar omologul său 235 este mai mic de un procent. Separarea lor este o sarcină foarte dificilă, pe care nu orice țară o poate rezolva.

Metoda de îmbogățire a difuziei de gaze

Aceasta este prima metodă prin care s-a îmbogățit uraniul. Este încă utilizat în SUA și Franța. Pe baza diferenței de densitate a izotopilor 235 și 238. Gazul de uraniu eliberat din oxid este pompat sub presiune înaltă într-o cameră separată de o membrană. Atomii 235 ai izotopului sunt mai ușori, prin urmare, din porțiunea de căldură primită, ei se mișcă mai repede decât atomii de uraniu „lent” 238, respectiv, mai des și mai intens la nivelul membranei. Conform legilor teoriei probabilităților, acestea sunt mai susceptibile să intre într-unul dintre micropori și să fie de cealaltă parte a acestei membrane.

Eficiența acestei metode este mică, deoarece diferența dintre izotopi este foarte, foarte mică. Dar cum să facem uraniu îmbogățit potrivit pentru utilizare? Răspunsul aplică această metodă de multe, de multe ori. Pentru a obține uraniu adecvat pentru fabricarea de combustibil dintr-un reactor dintr-o centrală electrică, sistemul de tratare a difuziei gazelor este repetat de câteva sute de ori.

Recenziile experților despre această metodă sunt mixte. Pe de o parte, metoda de separare a gazelor difuzate este prima care oferă Statelor Unite uraniu de înaltă calitate, ceea ce le face temporar lider în sfera militară. Pe de altă parte, se consideră că difuzarea gazelor produce mai puține deșeuri. Singurul lucru care nu reușește în acest caz este prețul ridicat al produsului final.

Metoda centrifugării

Aceasta este dezvoltarea inginerilor sovietici. În prezent, pe lângă Rusia, există o serie de țări în care uraniul este îmbogățit prin metoda descoperită în URSS. Acestea sunt Brazilia, Marea Britanie, Germania, Japonia și alte câteva state. Metoda este similară tehnologiei de difuzie a gazelor, deoarece folosește diferența de masă a izotopilor 235 și 238.

Gazul de uraniu se învârte într-o centrifugă la 1.500 rpm. Datorită densităților diferite, izotopii sunt afectați de forțele centrifuge de diferite dimensiuni. Uraniul 238, la fel de greu, se acumulează lângă pereții centrifugii, în timp ce izotopul 235 se adună mai aproape de centru. Amestecul de gaz este pompat în partea de sus a cilindrului. După ce a trecut pe partea de jos a centrifugei, izotopii au timp să se separe parțial și sunt selectați separat.

În ciuda faptului că metoda nu oferă, de asemenea, o separare 100% a izotopilor și pentru a obține gradul necesar de îmbogățire trebuie folosită în mod repetat, este mult mai eficientă din punct de vedere economic decât difuzarea gazelor. Astfel, uraniul îmbogățit în Rusia folosind tehnologia de centrifugare este de aproximativ 3 ori mai ieftin decât cel obținut pe membranele americane.

Aplicație de uraniu îmbogățit

De ce este toată această roșie complicată și scumpă cu purificare, separarea metalelor de oxizi, separarea izotopilor? O șaibă de uraniu îmbogățit 235, dintre cele utilizate în energie nucleară (din astfel de „pastile” sunt tije asamblate - tije de combustibil), în greutate de 7 grame, înlocuiește aproximativ trei barili de 200 litri de benzină sau aproximativ o tonă de cărbune.

Uraniul îmbogățit și epuizat se utilizează diferit în funcție de puritatea și raportul izotopilor 235 și 238.

Izotopul 235 este un combustibil cu consum mai mare de energie. Uraniul îmbogățit este considerat atunci când conținutul de 235 izotopi este mai mare de 20%. Aceasta este baza armelor nucleare.

Materiile prime îmbogățite saturate cu energie sunt, de asemenea, utilizate ca combustibil pentru reactoarele nucleare din submarine și nave spațiale, datorită masei și mărimii limitate.

Uraniul epuizat, care conține în principal 238 de izotopi, este un combustibil pentru reactoarele nucleare staționare civile. Reactoarele naturale de uraniu sunt considerate mai puțin explozive.

Apropo, potrivit calculelor economiștilor ruși, păstrând în același timp rata de producție actuală de 92 de elemente din tabelul periodic, rezervele sale în minele explorate din întreaga lume vor fi deja epuizate până în 2030. De aceea, oamenii de știință așteaptă cu nerăbdare să fuzioneze ca sursă de energie ieftină și accesibilă în viitor.

Pin
Send
Share
Send
Send