Uran brukes som kraftkilde i atomreaktorer og ble brukt til å lage den første atombomben, som ble kastet på Hiroshima i 1945. Uran utvinnes som en malm som kalles pitchblende, og består av flere isotoper med atomvekt og flere forskjellige nivåer av radioaktivitet. For bruk i fisjonreaksjoner, antall isotoper 235U må økes til et nivå som er klart for fisjon i reaktoren eller bomben. Denne prosessen kalles uranberikelse, og det er flere måter å gjøre det på.
Steg
Metode 1 av 7: Grunnleggende berikelsesprosess
Trinn 1. Bestem hva uranet skal brukes til
Det meste utvunnet uran inneholder bare omtrent 0,7 prosent 235U, med det meste av resten som er isotopen 238mer stabil U. Den type fisjonreaksjon du vil utføre med uran, avgjør hvor mye økning 235Du må gjøre slik at uran kan brukes effektivt.
- Uranet som brukes i de fleste kjernekraftmotorer må anrikes til 3-5 prosent 235U. (Noen atomreaktorer, for eksempel CANDU -reaktoren i Canada og Magnox -reaktoren i Storbritannia, er designet for å bruke uberiket uran.)
- Derimot må uran, som brukes til atombomber og stridshoder, berikes til 90 prosent 235U.
Trinn 2. Gjør uranmalm til gass
De fleste tilgjengelige metoder for berikelse av uran krever at uranmalmen omdannes til en lavtemperaturgass. Fluorgass pumpes vanligvis inn i malmkonverteringsmaskinen; uranoksidgass reagerer med fluor for å produsere uranheksafluorid (UF6). Gassen blir deretter behandlet for å skille og samle isotopene 235U.
Trinn 3. Berik uran
Senere deler av denne artikkelen beskriver de forskjellige prosessene som er tilgjengelige for å berike uran. Av alle prosessene er gassdiffusjon og gasssentrifugering de to vanligste, men laserisotopseparasjon forventes å erstatte de to.
Trinn 4. Bytt UF -gass6 til urandioksid (UO2).
Når den er beriket, må uranet omdannes til en stabil fast form for bruk etter ønske.
Urandioksid som brukes som drivstoff for atomreaktorer blir til keramiske kjernekorn som er pakket inn i metallrør slik at de blir stenger opp til 4 m høye
Metode 2 av 7: Gassdiffusjonsprosess
Trinn 1. Pump UF -gass6 gjennom røret.
Trinn 2. Pump gassen gjennom et filter eller en porøs membran
På grunn av isotopen 235U er lettere enn isotopen 238U, UF6 lettere isotoper vil diffundere raskere gjennom membranen enn tyngre isotoper.
Trinn 3. Gjenta diffusjonsprosessen til det er nok 235U samlet.
Gjentatt diffusjon kalles stratifisert. Det kan ta så mye som 1400 filtrering gjennom en porøs membran for å få nok 235U for å berike uran godt.
Trinn 4. Kondensering av UF -gass6 til flytende form.
Når gassen er tilstrekkelig beriket, kondenseres gassen til en væske, deretter lagres den i en beholder, hvor den avkjøles og størkner for å bli transportert og gjort til drivstoffkorn.
På grunn av den store mengden filtrering som kreves, er denne prosessen energikrevende, så den stoppes. I USA gjenstår bare ett anlegg for anriking av gassdiffusjon i Paducah, Kentucky
Metode 3 av 7: Gass -sentrifugeringsprosess
Trinn 1. Installer et antall høyhastighets roterende sylindere
Denne sylinderen er en sentrifuge. Sentrifugen er installert i serie eller parallell.
Trinn 2. Strøm UF. Gass6 inn i spinneren.
Sentrifugen bruker sentripetal akselerasjon for å levere en gass som inneholder 238tyngre U til sylinderveggen og gassinneholdende 235lettere U til midten av sylinderen.
Trinn 3. Trekk ut de separerte gassene
Trinn 4. Behandle de to separerte gassene på nytt i to separate sentrifuger
Rik gass 235U ble sendt til en sentrifuge hvor 235U er fortsatt mer ekstrahert, mens gassen inneholder 235Det reduserte U føres inn i en annen sentrifuge for å ekstrahere 235Det gjenværende U. Dette gjør at sentrifugering kan trekke ut mye mer 235U enn det som kan ekstraheres ved gassdiffusjonsprosessen.
Gasssentrifugeringsprosessen ble først utviklet på 1940 -tallet, men ble ikke tatt i bruk i betydelig grad før på 1960 -tallet, da dens evne til å utføre prosesser for urananrikning med lavere energi ble viktig. For tiden er prosessanlegget for gass -sentrifuge i USA i Eunice, New Mexico. I kontrast har Russland for tiden fire fabrikker av denne typen, Japan og Kina har to hver, mens Storbritannia, Nederland og Tyskland har en hver
Metode 4 av 7: Aerodynamisk separasjonsprosess
Trinn 1. Lag en serie smale, stasjonære sylindere
Trinn 2. Injiser UF -gass6 inn i sylinderen ved høy hastighet.
Gass blir skutt inn i sylinderen på en måte som får gassen til å rotere som en syklon, og dermed produsere en type separasjon 235U og 238samme U som i den roterende sentrifugeringsprosessen.
En metode utviklet i Sør -Afrika er å injisere gass i sylindere side om side. Denne metoden testes for tiden med lettere isotoper som de som finnes i silisium
Metode 5 av 7: Flytende termisk spredningsprosess
Trinn 1. Gjør flytende UF -gass flytende6 under press.
Trinn 2. Lag et par konsentratrør
Røret må være høyt nok, fordi det høyere røret tillater mer isotopseparasjon 235U og 238U.
Trinn 3. Dekk røret med et lag vann
Dette vil avkjøle utsiden av røret.
Trinn 4. Pump UF6 væske mellom rørene.
Trinn 5. Varm det indre røret med damp
Varme vil forårsake konveksjonsstrømmer i UF6 som vil tiltrekke seg isotopen 235Den lettere U mot det varmere indre røret og skyver isotopen 238den tyngre U mot det kjøligere ytre røret.
Denne prosessen ble undersøkt i 1940 som en del av Manhattan -prosjektet, men ble forlatt på et tidlig utviklingsstadium da mer effektive gassdiffusjonsprosesser ble utviklet
Metode 6 av 7: Elektromagnetisk separasjon av isotoper
Trinn 1. Ionisering av UF. Gass6.
Trinn 2. Før gassen gjennom et sterkt magnetfelt
Trinn 3. Skill isotoper av ionisert uran basert på sporene som er igjen når de passerer gjennom magnetfeltet
Ion 235U etterlater et spor med en annen bue enn ionet 238U. Ionene kan isoleres for å berike uran.
Denne metoden ble brukt til å behandle uran for atombomben som ble kastet på Hiroshima i 1945 og er også berikelsesmetoden som ble brukt av Irak i atomvåpenprogrammet i 1992. Denne metoden krever 10 ganger mer energi enn gassformig diffusjon, noe som gjør det upraktisk for programmet. storskala berikelse
Metode 7 av 7: Laser Isotop -separasjonsprosess
Trinn 1. Sett laseren til en bestemt farge
Laserstrålen må være fullstendig av en bestemt bølgelengde (monokromatisk). Denne bølgelengden vil bare målrette mot atomer 235U, og la atomet 238U påvirkes ikke.
Trinn 2. Lys en laserstråle på uran
I motsetning til andre prosesser for berikelse av uran, trenger du ikke å bruke uranheksafluoridgass, selv om de fleste laserprosesser gjør det. Du kan også bruke uran og jernlegeringer som urankilde, som brukes i Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS) -prosessen.
Trinn 3. Ekstraksjon av uranatomer med eksiterte elektroner
Det blir atom 235U.
Tips
Noen land bearbeider brukt atombrensel for å gjenvinne uran og plutonium i det som ble dannet under fisjonen. Opparbeidet uran må fjernes fra isotopen 232U og 236U dannes under fisjon, og hvis det er beriket, må det beriges til en høyere grad enn "ferskt" uran fordi 236U absorberer nøytroner og hemmer dermed fisjonprosessen. Derfor må opparbeidet uran lagres separat fra uran som ble nylig beriket for første gang.
Advarsel
- Uran avgir bare svak radioaktivitet; imidlertid når den behandles til UF. gass6, blir det et giftig kjemisk stoff som reagerer med vann for å danne etsende flussyre. (Denne syren kalles vanligvis "etsesyre" fordi den brukes til å etse glass.) Derfor krever anrikningsanlegg for uran de samme beskyttende tiltakene som kjemiske anlegg som arbeider med fluor, som inkluderer å holde UF -gass i sjakk.6 Hold deg under lavt trykk mesteparten av tiden og bruk et ekstra nivå av inneslutning i områder der høyt trykk er nødvendig.
- Opparbeidet uran må lagres i tykke skap, fordi 232U'en i det brytes ned til elementer som avgir sterk gammastråling.
- Beriket uran kan vanligvis bare bearbeides én gang.
