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 U має бути збільшено до певного рівня. Цей процес називається збагаченням урану. Є кілька способів зробити це.

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, застосовуваний в ядерній енергетиці, повинен бути збагачений до рівня 3-5% U. (деякі ядерні реактори припускають використання незбагаченого урану).
- Уран, використовуваний для створення ядерної зброї, повинен бути збагачений до 90% U.
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.
3
Збагачення урану. Частина, що залишилася даного тексту описує різні способи збагачення урану. Найбільш поширеними є газова дифузія і газова центрифуга, проте лазерне поділ ізотопів незабаром має замінити їх.
4
Перетворіть гексафторид урану в діоксид урану (UO₂). Після збагачення уран 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.
2
Пропустіть газ через пористий фільтр або мембрану. Оскільки ізотоп U легше, ніж U, UF₆, містить легший ізотоп, пройде через мембрану швидше, чим більш важкий ізотоп.
3
Повторюйте процес дифузії, поки не зберете достатньо U. Повторювана дифузія називається каскадом. Можливо, знадобиться до 1400 пропускання через мембрану, перш ніж збереться достатньо U.
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 великого числа проходу газу через фільтри цей процес є енерговитратним і тому виходить з використання.

Метод 3 з 7: Процес фугування газу

1
Зберіть декілька циліндрів, що обертаються на великій швидкості. Ці циліндри є центрифугами. Центрифуги збираються як паралельно, таки послідовно.
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.
3
Виділіть розділення гази.
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 та Китаї - по 2, У Великобританії, Нідерландах і Німеччині - по одній.

Метод 4 з 7: Процес аеродинамічного поділу

1
Побудуйте кілька стаціонарних вузьких циліндрів.
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 изотопах, в як в кремнії.

Метод 5 з 7: Процес рідкої теплової дифузії

1
Під тиском перетворите газ UF₆ в рідину.
2
Побудуйте дві концентричні труби. Труби повинні бути досить високими. Чим довше труби, тим більше газу можна розділити.
3
Оточіть труби оболонкою з рідкої води. Це охолодить зовнішню трубу.
4
Введіть рідкий гексафторид урану між труб.
5
Нагрійте внутрішню трубу за допомогою пари. Тепло створить конвекційний потік в UF₆, який змусить легкі ізотопи U рухатися до теплої внутрішній 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.
2
Пропустіть газ через сильне магнітне поле.
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.
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.
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 у 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 на токсичний хімікат, при контакті з водою утворює фторістоводородную кислоту (Цю кислоту називають травильної, оскільки з її допомогою труять скло). Тому підприємства, які збагачують уран, вимагають такого ж рівня безпеки та 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.