Uran bruges som strømkilde i atomreaktorer og blev brugt til at lave den første atombombe, som blev faldet på Hiroshima i 1945. Uran udvindes som en malm kaldet pitchblende og består af flere isotoper med atomvægt og flere forskellige niveauer af radioaktivitet. Til brug i fissionsreaktioner, antallet af isotoper 235U skal øges til et niveau, der er klar til fission i reaktoren eller bomben. Denne proces kaldes uranberigelse, og der er flere måder at gøre det på.
Trin
Metode 1 af 7: Grundlæggende berigelsesproces
Trin 1. Beslut, hvad uranet skal bruges til
De fleste udvundet uran indeholder kun omkring 0,7 procent 235U, hvor det meste af resten er isotopen 238mere stabil U. Den type fissionsreaktion, du vil foretage med uran, bestemmer, hvor stor en stigning 235Du skal gøre det, så uran kan bruges effektivt.
- Det uran, der bruges i de fleste atomkraftmotorer, skal beriges til 3-5 procent 235U. (Nogle atomreaktorer, f.eks. CANDU -reaktoren i Canada og Magnox -reaktoren i Det Forenede Kongerige, er designet til at bruge uberiget uran.)
- Derimod skal uran, der bruges til atombomber og sprænghoveder, beriges til 90 procent 235U.
Trin 2. Vend uranmalm til gas
De fleste af de tilgængelige uranberigelsesmetoder kræver, at uranmalmen omdannes til en lavtemperaturgas. Fluorgas pumpes normalt ind i malmkonverteringsmaskinen; uranoxidgas reagerer med fluor for at producere uranhexafluorid (UF6). Gassen behandles derefter for at adskille og opsamle isotoperne 235U.
Trin 3. Berig uran
Senere afsnit af denne artikel beskriver de forskellige processer, der er tilgængelige for berigelse af uran. Af alle processerne er gasdiffusion og gascentrifugering de to mest almindelige, men laserisotopadskillelse forventes at erstatte de to.
Trin 4. Skift UF -gas6 til urandioxid (UO2).
Når det er beriget, skal uranet omdannes til en stabil fast form til brug som ønsket.
Uraniumdioxid, der bruges som brændstof til atomreaktorer, laves til keramiske kernekorn, der er pakket ind i metalrør, så de bliver stænger op til 4 m høje
Metode 2 af 7: Gasdiffusionsproces
Trin 1. Pump UF -gasgas6 gennem røret.
Trin 2. Pump gassen gennem et filter eller en porøs membran
På grund af isotopen 235U er lettere end isotopen 238U, UF6 lettere isotoper vil diffundere hurtigere gennem membranen end tungere isotoper.
Trin 3. Gentag diffusionsprocessen, indtil der er nok 235U indsamlet.
Gentagen diffusion kaldes stratificeret. Det kan tage op til 1.400 filtrering gennem en porøs membran for at få nok 235U for at berige uran godt.
Trin 4. Kondensering af UF -gasgas6 i flydende form.
Når gassen er blevet tilstrækkeligt beriget, kondenseres gassen til en væske og opbevares derefter i en beholder, hvor den afkøles og størkner for at blive transporteret og omdannet til brændstofkorn.
På grund af den nødvendige mængde filtrering er denne proces energikrævende, så den stoppes. I USA er der kun et anlæg til berigelse af gasdiffusion tilbage i Paducah, Kentucky
Metode 3 af 7: Gascentrifugeringsproces
Trin 1. Installer et antal højhastigheds-roterende cylindre
Denne cylinder er en centrifuge. Centrifugen installeres i serie eller parallelt.
Trin 2. Flow UF. Gas6 ind i spinneren.
Centrifugen anvender centripetal acceleration til at levere en gas, der indeholder 238tungere U til cylindervæggen og gasholdig 235lettere U til midten af cylinderen.
Trin 3. Ekstraher de adskilte gasser
Trin 4. Genbehandl de to adskilte gasser i to separate centrifuger
Rig gas 235U blev sendt til en centrifuge hvor 235U ekstraheres stadig mere, mens gassen indeholder 235Det reducerede U føres ind i en anden centrifuge for at ekstrahere 235Det resterende U. Dette gør det muligt for centrifugering at udtrække meget mere 235U end kan ekstraheres ved gasdiffusionsprocessen.
Gascentrifugeringsprocessen blev først udviklet i 1940'erne, men blev først taget i brug i 1960'erne, da dens evne til at udføre uranberigelsesprocesser med lavere energi blev vigtig. I øjeblikket er gascentrifugeringsprocessanlægget i USA i Eunice, New Mexico. Derimod har Rusland i øjeblikket fire fabrikker af denne type, Japan og Kina har to hver, mens Storbritannien, Holland og Tyskland har en hver
Metode 4 af 7: Aerodynamisk adskillelsesproces
Trin 1. Opret en række smalle, stationære cylindre
Trin 2. Injicer UF -gasgas6 ind i cylinderen ved høj hastighed.
Gas fyres ind i cylinderen på en måde, der får gassen til at rotere som en cyklon og dermed frembringe en slags adskillelse 235U og 238det samme U som i den roterende centrifugeringsproces.
En metode udviklet i Sydafrika er at injicere gas i cylindre side om side. Denne metode testes i øjeblikket med lettere isotoper, såsom dem, der findes i silicium
Metode 5 af 7: Flydende termisk diffusionsproces
Trin 1. Flydende UF -gas6 under pres.
Trin 2. Lav et par koncentratrør
Røret skal være højt nok, fordi det højere rør tillader mere isotopseparation 235U og 238U.
Trin 3. Coat røret med et lag vand
Dette vil afkøle ydersiden af røret.
Trin 4. Pump UF6 væske mellem rørene.
Trin 5. Opvarm det indre rør med damp
Varme vil forårsage konvektionsstrømme i UF6 som vil tiltrække isotopen 235Den lettere U mod det varmere indre rør og skubber isotopen 238den tungere U mod det køligere ydre rør.
Denne proces blev undersøgt i 1940 som en del af Manhattan -projektet, men blev opgivet på et tidligt udviklingsstadium, da mere effektive gasdiffusionsprocesser blev udviklet
Metode 6 af 7: Elektromagnetisk isotopseparationsproces
Trin 1. Ionisering af UF. Gas6.
Trin 2. Før gassen gennem et stærkt magnetfelt
Trin 3. Adskil isotoperne af ioniseret uran på grundlag af de spor, der efterlades, når de passerer gennem magnetfeltet
Ion 235U efterlader et spor med en anden bue end ion 238U. Ionerne kan isoleres for at berige uran.
Denne metode blev brugt til at behandle uran til atombomben, der faldt på Hiroshima i 1945 og er også den berigelsesmetode, som Irak anvendte i sit atomvåbenprogram i 1992. Denne metode kræver 10 gange mere energi end gasformig diffusion, hvilket gør det upraktisk for programmet. stor berigelse
Metode 7 af 7: Laserisotopseparationsproces
Trin 1. Indstil laseren til en bestemt farve
Laserstrålen skal have en bestemt bølgelængde (monokromatisk). Denne bølgelængde vil kun målrette mod atomer 235U, og lad atomet 238U påvirkes ikke.
Trin 2. Lys en laserstråle på uran
I modsætning til andre uranberigelsesprocesser behøver du ikke bruge uranhexafluoridgas, selvom de fleste laserprocesser gør det. Du kan også bruge uran og jernlegeringer som urankilde, som bruges i processen Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS).
Trin 3. Ekstraktion af uranatomer med ophidsede elektroner
Det bliver atom 235U.
Tips
Nogle lande genoparbejdede brugt nukleart brændstof til at genvinde uran og plutonium i det, der blev dannet under fissionsprocessen. Oparbejdet uran skal fjernes fra isotopen 232U og 236U dannes under fission, og hvis det er beriget, skal det beriges til en højere kvalitet end "frisk" uran, fordi 236U absorberer neutroner og hæmmer derved fissionsprocessen. Derfor skal oparbejdet uran opbevares adskilt fra uran, der var nyberiget for første gang.
Advarsel
- Uran udsender kun svag radioaktivitet; når den forarbejdes til UF. gas6, bliver det et giftigt kemisk stof, som reagerer med vand for at danne ætsende flussyre. (Denne syre kaldes almindeligvis "ætsesyre", fordi den bruges til at ætse glas.) Derfor kræver uranberigelsesanlæg de samme beskyttelsesforanstaltninger som kemiske anlæg, der arbejder med fluor, herunder at holde UF -gas i skak.6 forbliv under lavt tryk det meste af tiden og brug et ekstra indeslutningsniveau i områder, hvor der kræves højt tryk.
- Oparbejdet uran skal opbevares i tykke kabinetter, fordi 232U'et i det nedbrydes til elementer, der udsender stærk gammastråling.
- Beriget uran kan normalt kun bearbejdes én gang.
