אורניום משמש כמקור כוח בכורים גרעיניים ושימש לייצור פצצת האטום הראשונה, שהושלכה על הירושימה בשנת 1945. אורניום ממוקש כעפרה הנקראת פיצ'בלנדה, והיא מורכבת מכמה איזוטופים בעלי משקל אטומי וכמה רמות שונות. של רדיואקטיביות. לשימוש בתגובות ביקוע, מספר האיזוטופים 235יש להגדיל את U לרמה המוכנה לביקוע בכור או בפצצה. תהליך זה נקרא העשרת אורניום, וישנן מספר דרכים לעשות זאת.
שלב
שיטה 1 מתוך 7: תהליך העשרה בסיסי
שלב 1. החליטו למה ישמש האורניום
רוב האורניום שנכרה מכיל כ -0.7 אחוזים בלבד 235U, כאשר רוב היתר הוא האיזוטופ 238U יציב יותר. סוג תגובת הביקוע שאתה רוצה לבצע עם אורניום קובע כמה עליה 235עליך לעשות זאת על מנת שניתן יהיה להשתמש ביעילות באורניום.
- יש להעשיר את האורניום המשמש ברוב מנועי הכוח הגרעיני ל- 3-5 אחוזים 235U (כמה כורים גרעיניים, כגון כור CANDU בקנדה וכור מגנוקס בבריטניה, נועדו להשתמש באורניום לא מועשר).
- לעומת זאת, אורניום, המשמש לפצצות אטום וראשי נפץ, צריך להיות מועשר ל -90 אחוזים 235U.
שלב 2. להפוך עפרות אורניום לגז
רוב שיטות העשרת האורניום הקיימות כיום מחייבות הפיכת עפרות האורניום לגז בטמפרטורה נמוכה. בדרך כלל נשאב גז פלואור למכונת המרת העפרות; גז תחמוצת אורניום מגיב עם פלואור ליצירת אורניום הקספלואוריד (UF6). הגז מעובד לאחר מכן להפרדה ואיסוף האיזוטופים 235U.
שלב 3. העשיר אורניום
חלקים מאוחרים יותר במאמר זה מתארים את התהליכים השונים הקיימים להעשרת אורניום. מכל התהליכים, דיפוזיה של גז וצנטריפוגה של גז הם השניים הנפוצים ביותר, אך הפרדת איזוטופים בלייזר צפויה להחליף את השניים.
שלב 4. שנה גז UF6 לאורניום דו חמצני (UO2).
לאחר העשרת, יש להפוך את האורניום לצורה יציבה ויציבה לשימוש לפי הצורך.
אורניום דו חמצני המשמש כדלק לכורים גרעיניים עשוי מגרעיני ליבה קרמיים אשר עטופים בצינורות מתכת כך שיהפכו למוטות בגובה של עד 4 מ '
שיטה 2 מתוך 7: תהליך פיזור גז
שלב 1. משאבת גז UF גז6 דרך הצינור.
שלב 2. לשאוב את הגז דרך מסנן או קרום נקבובי
בגלל האיזוטופ 235U קל יותר מהאיזוטופ 238U, UF6 איזוטופים קלים יותר יתפזרו דרך הממברנה מהר יותר מאשר איזוטופים כבדים יותר.
שלב 3. חזור על תהליך הדיפוזיה עד שיהיה מספיק 235אתה אסוף.
דיפוזיה חוזרת נקראת מרובדת. זה יכול לקחת עד 1,400 סינון דרך קרום נקבובי כדי לקבל מספיק 235U להעשיר את האורניום היטב.
שלב 4. עיבוי גז UF6 לצורה נוזלית.
לאחר שהגז הועשר מספיק, הגז מתעבה לנוזל, ולאחר מכן מאוחסן במיכל, שם הוא מתקרר ומתגבש כדי להוביל אותו ולהפוך אותו לגרגרי דלק.
בשל כמות הסינון הנדרשת, תהליך זה הוא עתיר אנרגיה ולכן הוא נעצר. בארצות הברית נותר רק מפעל אחד להעשרת גזים הממוקם בפדוקה שבקנטקי
שיטה 3 מתוך 7: תהליך צנטריפוגה גז
שלב 1. התקן מספר גלילים מסתובבים במהירות גבוהה
גליל זה הוא צנטריפוגה. הצנטריפוגה מותקנת בסדרה או במקביל.
שלב 2. זרימת UF. גז6 לתוך הספינר.
הצנטריפוגה משתמשת בתאוצה צנטריפטלית כדי לספק גז המכיל 238U כבד יותר לדופן הצילינדר ומכיל גז 235מצית U למרכז הגליל.
שלב 3. לחלץ את הגזים המופרדים
שלב 4. עיבוד מחדש של שני הגזים המופרדים בשני צנטריפוגות נפרדות
גז עשיר 235U נשלח לצנטריפוגה לאן 235U עדיין מופק יותר, בעוד שהגז מכיל 235ה- U המופחת מוזרם לצנטריפוגה נוספת לחילוץ 235שאר U. זה מאפשר לצנטריפוגה לחלץ הרבה יותר 235U ממה שניתן לחלץ בתהליך דיפוזיה הגז.
תהליך צנטריפוגות הגז פותח לראשונה בשנות הארבעים, אך לא הועלה לשימוש משמעותי עד שנות השישים, אז הפכה להיות חשובה יכולתו לבצע תהליכי העשרת אורניום באנרגיה נמוכה יותר. נכון לעכשיו, מפעל תהליך הצנטריפוגות הגז בארצות הברית נמצא באוניס, ניו מקסיקו. לעומת זאת, לרוסיה יש כיום ארבעה מפעלים מסוג זה, ליפן ולסין יש שניים כל אחד, בעוד שבבריטניה, הולנד וגרמניה יש אחד כל אחד
שיטה 4 מתוך 7: תהליך הפרדה אווירודינמי
שלב 1. צור סדרה של גלילים צרים ונייחים
שלב 2. הזרק גז UF6 לתוך הצילינדר במהירות גבוהה.
גז נורה לתוך הצילינדר באופן שגורם לגז להסתובב כמו ציקלון, ובכך לייצר סוג של הפרדה 235U ו- 238אותו U כמו בתהליך הצנטריפוגה המסתובבת.
אחת השיטות שפותחו בדרום אפריקה היא הזרקת גז לצילינדרים זה לצד זה. שיטה זו נבדקת כעת עם איזוטופים קלים יותר כמו אלה המצויים בסיליקון
שיטה 5 מתוך 7: תהליך דיפוזיה תרמית נוזלית
שלב 1. נוזל גז UF6 תחת לחץ.
שלב 2. הכינו זוג צינורות תרכיז
הצינור חייב להיות גבוה מספיק, מכיוון שהצינור הגבוה יותר מאפשר הפרדה רבה יותר של איזוטופים 235U ו- 238U.
שלב 3. מצפים את הצינור בשכבת מים
זה יקרר את החלק החיצוני של הצינור.
שלב 4. משאבת UF6 נוזלים בין הצינורות.
שלב 5. מחממים את הצינור הפנימי בעזרת אדים
חום יגרום לזרמי הסעה ב- UF6 שימשוך את האיזוטופ 235ה- U הבהיר לכיוון הצינור הפנימי החם יותר ודוחף את האיזוטופ 238ה- U הכבד יותר לכיוון הצינור החיצוני הקריר יותר.
תהליך זה נחקר בשנת 1940 במסגרת פרויקט מנהטן, אך נזנח בשלב מוקדם של הפיתוח כאשר פותחו תהליכים יעילים יותר של הפצת גז
שיטה 6 מתוך 7: תהליך הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטיים
שלב 1. יינון של גז UF6.
שלב 2. העבירו את הגז דרך שדה מגנטי חזק
שלב 3. הפרד את האיזוטופים של אורניום מיונן על סמך העקבות שנותרו מאחור כשהם עוברים בשדה המגנטי
יוֹן 235U משאיר שובל עם קשת שונה מהיון 238U. ניתן לבודד את היונים להעשרת אורניום.
שיטה זו שימשה לעיבוד אורניום לפצצת האטום שהוטלה על הירושימה בשנת 1945 והיא גם שיטת ההעשרה בה השתמשה עיראק בתוכנית הנשק הגרעיני שלה בשנת 1992. שיטה זו דורשת פי 10 יותר אנרגיה מאשר דיפוזיה גזית, מה שהופך אותה לא מעשית לתוכנית.העשרה בקנה מידה גדול
שיטה 7 מתוך 7: תהליך הפרדת איזוטופים בלייזר
שלב 1. הגדר את הלייזר לצבע ספציפי
קרן הלייזר צריכה להיות מלאה באורך גל מסוים (מונוכרומטי). אורך גל זה יכוון לאטומים בלבד 235U, ותן לאטום 238U לא מושפעים.
שלב 2. להאיר קרן לייזר על האורניום
שלא כמו תהליכי העשרת אורניום אחרים, אין צורך להשתמש בגז אורניום הקספלואוריד, למרות שרוב תהליכי הלייזר כן. אתה יכול גם להשתמש בסגסוגות אורניום וברזל כמקור האורניום, המשמש בתהליך הפרדת איזוטופים לייזר אטומי לייזר (AVLIS).
שלב 3. הפקת אטומי אורניום בעזרת אלקטרונים נרגשים
זה יהיה אטום 235U.
טיפים
חלק מהמדינות עיבדו מחדש את הדלק הגרעיני כדי לשחזר את האורניום והפלוטוניום שבו שנוצר במהלך תהליך הביקוע. יש להסיר אורניום מעובד מהאיזוטופ 232U ו- 236U נוצר במהלך הביקוע, ואם הוא מועשר, יש להעשיר אותו בדרגה גבוהה יותר מאשר אורניום "טרי" מכיוון 236U סופג נויטרונים ובכך מעכב את תהליך הביקוע. לכן יש לאחסן אורניום מעובד בנפרד מאורניום שהועשר לאחרונה לראשונה.
אַזהָרָה
- אורניום פולט רדיואקטיביות חלשה בלבד; עם זאת, כאשר מעובדים לגז UF6, הוא הופך לחומר כימי רעיל המגיב עם מים ליצירת חומצה הידרופלואורית מאכלת. (חומצה זו נקראת בדרך כלל "חומצת חריטה" מכיוון שהיא משמשת לאיתור זכוכית.) לכן, מפעלי העשרת אורניום דורשים את אותם אמצעי הגנה כמו מפעלים כימיים העובדים עם פלואור, הכוללים שמירה על גז UF במפרץ.6 להישאר בלחץ נמוך רוב הזמן ולהשתמש ברמה נוספת של בלימה באזורים בהם נדרש לחץ גבוה.
- אורניום מעובד חייב להיות מאוחסן במארזים עבים, כי 232ה- U בו מתפרק ליסודות הפולטים קרינת גמא חזקה.
- בדרך כלל ניתן לעבד אורניום מועשר פעם אחת בלבד.
