Як збагатити уран

Уран використовується як паливо для ядерних реакторів, а також застосовувався для створення першої атомної бомби, скинутої на Хіросіму в 1945 році.Уран добувається з смоляний уранової руди, що містить кілька ізотопів різної атомарної маси і різного рівня радіоактивності. Для використання в реакції розпаду кількість ізотопу Uдолжно бути збільшено до певного рівня. Цей процес називається збагаченням урану. Є кілька способів зробити це.

кроки

Метод 1 з 7:

Основний процес збагачення

1. Вирішіть, для чого ви збираєтеся використовувати уран. Як правило, уранова руда містить лише 0,7% U, а в іншому складається з відносно стабільного ізотопу U.Від типу реакції, в якій ви збираєтеся застосовувати уран, залежить рівень U, до якого потрібно збагатити руду, щоб використовувати наявний уран максимально ефективно.

Уран, який застосовується в ядерній енергетиці, повинен бути збагачений до рівня 3-5% U. (Деякі ядерні реактори припускають використання незбагаченого урану).
Уран, який використовується для створення ядерної зброї, повинен бути збагачений до 90% U.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 2

2. Перетворіть уранову руду в газ. Більшість методів збагачення урану вимагають перетворення руди в низькотемпературний газ. В установку перетворення руди закачують фтористий газ. Оксид урану взаємодіє з фтором, в результаті чого виходить гексафторид урану (UF₆). Після чого з газу виділяють ізотоп U.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 3

3. збагачення урану. Частина, що залишилася даного тексту описує різні способи збагачення урану. Найбільш поширеними є газова дифузія і газова центрифуга, однак лазерне поділ ізотопів незабаром має замінити їх.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 4

4. Перетворіть гексафторид урану в діоксид урану (UO₂). Після збагачення урану повинен бути перетворений в стабільну, міцну форму для подальшого використання.

Діоксид урану застосовується в якості палива для ядерних реакторів у вигляді гранул, поміщених в металеві труби, що утворюють 4-метрові стрижні.

Метод 2 з 7:

Процес газової дифузії

1. прокачування UF₆ через труби.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 6

2. Пропустіть газ через пористий фільтр або мембрану. Оскільки ізотоп U легше, ніж U, UF₆, містить легший ізотоп, пройде через мембрану швидше, ніж більш важкий ізотоп.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 7

3. Повторюйте процес дифузії, поки не зберете достатньо U. Періодична дифузія називається каскадом. Можливо, знадобиться до 1400 пропускання через мембрану, перш ніж збереться досить U.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 8

4. сконденсіруется UF₆ в рідину. Після збагачення газу він конденсується в рідину і поміщається в контейнери, де охолоджується і твердне для транспортування і перетворення в гранули.

Через великої кількості проходу газу через фільтри цей процес є енерговитратним і тому виходить з використання.

Метод 3 з 7:

Процес фугування газу

1. Зберіть кілька циліндрів, що обертаються на великій швидкості. Ці циліндри є центрифугами. Центрифуги збираються як паралельно, таки послідовно.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 10

2. закачайте UF₆ в центрифуги. Центрифуги використовують відцентрову силу, щоб змусити більш важкий газ, що містить, опинитися у стінок циліндра, а більш легкий, з U, - залишитися в центрі.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 11

3. Виділіть розділені гази.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 12

4. Повторіть процес з цими газами в різних центрифугах. Газ з високим вмістом U пропускають через центрифугу, щоб виділити ще більше U, а газ з низьким вмістом цього ізотопу вичавлюють, щоб отримати з нього залишки U. Таким чином, виходить більше U, ніж при газової дифузії.

Процес використання газових центрифуг був винайдений в 1940-х, але особливо не використовувався до 1960-х, коли менше енергоспоживання стало мати значення. На даний момент підприємство, що використовує даний процес, знаходиться в Юнісі, США.У Росії існує 4 таких підприємства, в Японії і Китаї - по 2, У Великобританії, Нідерландах і Німеччині - по одній.

Метод 4 з 7:

Процес аеродинамічного поділу

1. Побудуйте кілька стаціонарних вузьких циліндрів.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 14

2. Введіть UF₆ в циліндри на великій швидкості. Газ, введений таким способом, буде обертатися в циліндрі як циклон, в результаті чого він розділиться на U і U, як під обертається центрифузі.

У Південній Африці придумали вводить газ в циліндр по дотичній. В даний момент він випробовується на легких ізотопів, в як в кремнії.

Метод 5 з 7:

Процес рідкої теплової дифузії

1. Під тиском перетворите газ UF₆ в рідину.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 16

2. Побудуйте дві концентричні труби. Труби повинні бути досить високими. Чим довше труби, тим більше газу можна розділити.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 17

3. Оточіть труби оболонкою з рідкої води. Це охолодить зовнішню трубу.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 18

4. Введіть рідкий гексафторид урану між труб.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 19

5. Нагрійте внутрішню трубу за допомогою пари. Тепло створить конвекційний потік в UF₆, який змусить легкі ізотопи U рухатися до теплої внутрішньої трубі, а важкі U - до холодної зовнішньої.

Цей процес був придуманий в 1940 році в рамках Манхеттенського проекту, але був покинутий на ранній стадії після розвитку більш ефективного процесу газової дифузії.

Метод 6 з 7:

Процес електромагнітного ізотопного розділення

1. Іонізуючого газ UF₆.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 21

2. Пропустіть газ через сильне магнітне поле.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 22

3. Відокремте іонізовані ізотопи урану по слідах, які вони залишають, проходячи через магнітне поле. Іони U залишають сліди, які загинаються інакше, ніж у U. Ці іони можуть бути відокремлені, для отримання збагаченого урану.

Цей метод використовувався для виробництва урану для атомної бомби, скинутої на Хіросіму в 1945 році і використовувався Іраком для його програми ядерного озброєння в 1992 році. Даний спосіб вимагає в 10 разів більше енергії, ніж метод газової дифузії, що робить його непрактичним для великомасштабних програм.

Метод 7 з 7:

Процес лазерного розділення ізотопів

1. Налаштуйте лазер на певну частоту. Світло лазера повинен мати особливу довжину хвилі (одноколірну). При даній довжині хвилі лазер буде направлятися тільки на атоми U, залишаючи атоми U недоторканими.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 24

2. Направте лазер на уран. На відміну від інших методів збагачення урану, даний процес не вимагає використання газу гексафториду урану. Ви можете використовувати сплав урану і заліза, що, найчастіше, і роблять в промисловості.

Зображення з назвою Enrich Uranium Step 25

3. Виділить атоми урану з порушеними електронами. Це і будуть атоми U.

Поради

У деяких країнах ядерні відходи використовуються заново, щоб виділити з них уран і плутоній, що залишилися після процесу розпаду. Повторно використовуваний уран доведеться витягувати з U і U, отриманих в процесі розпаду, причому тепер уран слід збагатити до більш високого рівня, ніж спочатку, оскільки U поглинає нейтрони і тако чином уповільнює процес розпаду. Через це, уран, використовуваний вперше, слід тримати окремо від повторно використовуваного.

попередження

Насправді, уран слабо радіоактивний. Однак, при перетворенні його в UF₆ , він перетворюється в токсичний хімікат, при контакті з водою утворює фторістоводородную кислоту (Цю кислоту називають травильної, так як з її допомогою труять скло). Тому підприємства, які збагачують уран, вимагають такого ж рівня безпеки і захисту, як і хімічні підприємства, що працюють з фтором, що включає в себе зберігання газу UF₆ під слабким тиском і використання додаткової герметизації при роботі під високим тиском.
Повторно використовуваний уран повинен знаходитися під серйозним захистом, так як ізотопи U, які в ньому містяться, розпадаються на елементи, що виділяють сильне гамма-випромінювання.
Збагачений уран, як правило, можна повторно використовувати тільки один раз.