Полезни съвети

Обогатяване на уран

Обогатяване на уран е една от ключовите стъпки в създаването на ядрени оръжия. В ядрени реактори и бомби работи само определен вид уран.

Отделянето на този вид уран от по-широко разпространен сорт изисква големи инженерни умения, въпреки факта, че необходимата за това технология съществува от десетилетия. Задачата не е да се измисли как да се отдели уранът, а да се изгради и задейства оборудването, необходимо за изпълнение на тази задача.

Урановите атоми, като елементарни атоми, които се срещат в природата в разнообразие, се наричат ​​изотопи. (Всеки изотоп има различен брой неутрони в ядрото си.) Уран-235, изотопът, който съставлява по-малко от 1% от целия природен уран, осигурява гориво за ядрени реактори и ядрени бомби, докато уран-238, изотопът, който съставлява 99 процента естествен уран, няма ядрена употреба.

Степени на обогатяване на уран

Ядрената верижна реакция предполага, че поне един неутрон от разпадането на уранов атом ще бъде улавен от друг атом и съответно ще предизвика неговото разпадане. В първо приближение това означава, че неутронът трябва да се „спъне“ на 235 U атом, преди да напусне реактора. Това означава, че конструкцията с уран трябва да е достатъчно компактна, така че вероятността да се намери следващият уранов атом за неутрона е достатъчно висока. Но докато реакторът 235 U работи, той постепенно изгаря, което намалява вероятността неутронът да срещне атома 235 U, което ги принуждава да поставят известна граница на тази вероятност в реакторите. Съответно ниският дял от 235 U в ядреното гориво налага:

  • по-голям обем на реактора, така че неутронът да е в него по-дълго
  • по-голяма част от обема на реактора трябва да бъде заета от гориво, за да се увеличи вероятността от сблъсък на неутрон и уранов атом,
  • по-често се изисква презареждане на гориво на прясно, за да се поддържа дадена насипна плътност от 235 U в реактора,
  • висок дял от ценни 235 U в отработено гориво.

В процеса на усъвършенстване на ядрената технология бяха намерени икономически и технологично оптимални решения, които изискват увеличение на съдържанието на 235 U в горивото, тоест обогатяване на уран.

В ядрените оръжия задачата за обогатяване е почти същата: изисква се за изключително кратко време на ядрен взрив максималният брой от 235 U атома да намери своя неутрон, да се разпадне и да освободи енергия. За целта е необходима максимална възможна плътност на атомите 235 U, което е постижимо с крайното обогатяване.

Степени на обогатяване на уран [редактиране |

Ключът към раздялата

Ключът към тяхното разделяне е, че атомите на уран-235 тежат малко по-малко от атома уран-238.

За да отделят малкото количество уран-235, което присъства във всяка естествена проба уранова руда, инженерите първо превръщат урана в газ, използвайки химическа реакция.

Тогава газът се въвежда в центрофужна тръба в цилиндрична форма с размер на човек или повече. Всяка тръба се върти по оста си с невероятно високи скорости, издърпвайки по-тежки молекули на уран-238 до центъра на тръбата, оставяйки по-леки газови молекули уран-235 до краищата на тръбата, където могат да бъдат изсмукани.

Всеки път, когато газът се върти в центрофуга, само малко количество уран-238 газ се отстранява от сместа, така че тръбите се използват последователно. Всяка центрофуга изважда малко уран-238 и след това прехвърля леко пречистената газова смес в следващата тръба и т.н.

Преобразуване на уран

След отделянето на газообразен уран-235 на много етапи от центрофуги, инженерите използват различна химическа реакция, за да превърнат урановия газ обратно в твърд метал. По-късно този метал може да бъде оформен за използване в реактори или в бомби.

Тъй като всяка стъпка почиства сместа от уранов газ само с малко количество, страните могат да си позволят да пускат само центрофуги, които са проектирани с най-високо ниво на ефективност. В противен случай производството на дори малко количество чист уран-235 става непосилно скъпо.

И проектирането и производството на тези тръби за центрофуги изискват определено ниво на инвестиции и техническо ноу-хау извън обсега на много страни. Тръбите изискват специални видове стомана или смеси, които издържат на значително налягане по време на въртене, трябва да бъдат напълно цилиндрични и изработени от специализирани машини, които са трудни за изграждане.

Ето пример за бомба, която САЩ хвърлиха върху Хирошима. Необходими са 62 кг уран-235, за да се направи бомба според "изграждането на атомна бомба" (Simon and Schuster, 1995).

Отделянето на тези 62 кг от близо 4 тона уранова руда се случи в най-голямата сграда в света и използва 10 процента от електроенергията в страната. „За изграждането на съоръжението бяха необходими 20 000 души, 12 000 души експлоатираха съоръжението, а през 1944 г. оборудването му струваше повече от 500 милиона долара.“ Това е около 7,2 милиарда долара през 2018 г.

Защо обогатеният уран е толкова ужасен?

Уран или плутоний с клас на оръжие е опасен в чистия си вид по една проста причина: от тях с определена техническа база може да се направи експлозивно ядрено устройство.

Фигурата показва схематично изображение на обикновена ядрена бойна глава. Заготовки 1 и 2 от ядрено гориво са вътре в корпуса. Всяка от тях е една от частите на цялата топка и тежи малко по-малко от критичната маса на металния оръжие, използван в бомбата.

Когато детониращият заряд на TNT се детонира, урановите слитъци 1 и 2 се комбинират в едно, общата им маса със сигурност надвишава критичната маса за този материал, което води до ядрена верижна реакция и съответно до атомна експлозия.

Изглежда нищо сложно, но всъщност това, разбира се, не е така. В противен случай ще има порядък повече държави с ядрени оръжия на планетата. Освен това рискът от подобни опасни технологии да попаднат в ръцете на достатъчно мощни и развити терористични групировки значително би се увеличил.

Номерът е, че само много богати сили с развита научна инфраструктура са в състояние да обогатяват уран, дори при сегашното развитие на технологиите. Още по-трудно, без което атомното устройство не би работило, отделете изотопите на 235 и 238 уран.

Уранови мини: Истина и измислица

В СССР на филистимно ниво имаше хипотеза, че обречените престъпници работят в уранови мини, като по този начин изтече вината им пред партията и съветския народ. Това, разбира се, не е вярно.

Добивът на уран е високотехнологична минна индустрия и е малко вероятно някой да е признал да работи със сложно и много скъпо оборудване и да работи с убийствени убийци с разбойници. Освен това слуховете, че миньорите на уран задължително носят противогаз и бельо от олово, също не са нищо повече от мит.

Уранът се добива в мини понякога до дълбочина до километър. Най-големите резерви на този елемент се намират в Канада, Русия, Казахстан и Австралия. В Русия един тон руда произвежда средно около един и половина килограма уран. Това в никакъв случай не е най-големият показател. В някои европейски мини тази цифра достига 22 кг на тон.

Радиационният фон в мината е приблизително същият като на границата на стратосферата, където се закърпват граждански пътнически самолети.

Урана руда

Обогатяването на урана започва веднага след добив, непосредствено близо до рудника. В допълнение към метала, като всяка друга руда, уранът съдържа отпадъчна скала. Първоначалният етап на обогатяване се свежда до сортиране на калдъръмени камъни, издигнати от мината: богати на уран и бедни. Буквално всяко парче се претегля, измерва се с машини и в зависимост от свойствата се изпраща до определен поток.

Тогава мелница влиза в игра, смилаща богатата на уран руда във фин прах. Това обаче не е уран, а само неговият оксид. Получаването на чист метал е най-сложната верига от химически реакции и трансформации.

Не е достатъчно само да се изолира чист метал от изходните химични съединения. От общия уран, съдържащ се в природата, 99% е зает от изотопа 238, а 235-ият му колега е по-малко от един процент. Разделянето им е много трудна задача, която не всяка държава може да реши.

Метод за обогатяване на газовата дифузия

Това е първият метод, чрез който се обогатява уранът. Все още се използва в САЩ и Франция. Въз основа на разликата в плътността на 235 и 238 изотопа. Газът на уран, отделен от оксида, се изпомпва под високо налягане в камера, отделена от мембрана. Атомите 235 на изотопа са по-леки, поради което от получената част от топлината те се движат по-бързо от „бавните“ уранови атоми 238, съответно, по-често и по-интензивно бият срещу мембраната. Според законите на теорията на вероятностите е по-вероятно да попаднат в една от микропорите и да бъдат от другата страна на тази мембрана.

Ефективността на този метод е малка, тъй като разликата между изотопите е много, много малка. Но как да направим обогатен уран подходящ за употреба? Отговорът е прилагането на този метод много, много пъти. За да се получи уран, подходящ за производството на гориво от реактор в електроцентрала, системата за обработка на газово дифузия се повтаря няколкостотин пъти.

Прегледите на експерти за този метод са смесени. От една страна, методът за разделяне на газово дифузия е първият, който осигурява на САЩ висококачествен уран, което ги прави временно лидер във военната сфера. От друга страна се смята, че дифузията на газ произвежда по-малко отпадъци. Единственото нещо, което не успява в този случай, е високата цена на крайния продукт.

Метод на центрофуга

Това е развитието на съветските инженери. Понастоящем в допълнение към Русия има редица страни, в които уранът се обогатява по метода, открит в СССР. Това са Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и някои други държави. Методът е подобен на технологията за дифузия на газ по това, че използва разликата в масата от 235 и 238 изотопи.

Уранният газ се върти в центрофуга до 1500 об / мин. Поради различната плътност изотопите се влияят от центробежни сили с различна големина. Уран 238 като по-тежък се натрупва близо до стените на центрофугата, докато 235-ият изотоп се събира по-близо до центъра. Газовата смес се изпомпва в горната част на цилиндъра. Преминавайки пътя към дъното на центрофугата, изотопите имат време частично да се разделят и се избират отделно.

Въпреки факта, че методът също не осигурява 100% разделяне на изотопите и за постигане на необходимата степен на обогатяване той трябва да се използва многократно, той е много по-икономически ефективен от газовото дифузия. По този начин, обогатен уран в Русия, използващ технологията за центрофугиране, е около 3 пъти по-евтин от този, получен на американските мембрани.

Приложение за обогатен уран

Защо всичко това е сложна и скъпа бюрокрация с пречистване, отделяне на метали от оксиди, отделяне на изотопи? Една шайба с обогатен уран 235, от тези, използвани в ядрената енергия (от такива „хапчета“ са сглобени пръти - горивни пръчки), с тегло 7 грама замества около три 200-литрови бъчви бензин или около тон въглища.

Обогатен и обеднен уран се използват различно в зависимост от чистотата и съотношението на 235 и 238 изотопи.

Изотоп 235 е по-енергоемко гориво. Обогатен уран се счита, когато съдържанието на 235 изотопа е повече от 20%. Това е основата на ядрените оръжия.

Обогатените с наситени с енергия суровини се използват и като гориво за ядрени реактори в подводници и космически кораби поради ограничената маса и размери.

Обеднен уран, съдържащ основно 238 изотопа, е гориво за цивилни стационарни ядрени реактори. Природните уранови реактори се считат за по-малко експлозивни.

Между другото, според изчисленията на руските икономисти, запазвайки текущия темп на производство на 92 елемента от периодичната таблица, резервите му в проучени мини по света вече ще бъдат изчерпани до 2030 г. Ето защо учените с нетърпение очакват синтеза като източник на евтина и достъпна енергия в бъдеще.