Užitečné tipy

Obohacování uranu

Pin
Send
Share
Send
Send


Obohacování uranu je jedním z klíčových kroků při výrobě jaderných zbraní. Pouze určitý typ uranu pracuje v jaderných reaktorech a bombách.

Oddělení tohoto typu uranu od rozšířené odrůdy vyžaduje velké technické dovednosti, a to i přesto, že technologie potřebná k tomu existuje již po celá desetiletí. Úkolem není zjistit, jak oddělit uran, ale postavit a spustit zařízení nezbytné k dokončení tohoto úkolu.

Atomy uranu, jako atomy prvků vyskytující se v přírodě v rozmanitosti, se nazývají izotopy. (Každý izotop má ve svém jádru jiný počet neutronů.) Uran-235, izotop, který tvoří méně než 1 procento veškerého přírodního uranu, poskytuje palivo pro jaderné reaktory a jaderné bomby, zatímco uran-238, izotop, který tvoří 99 procent přírodní uran, nemá jaderné využití.

Stupně obohacování uranu

Reakce jaderného řetězce znamená, že alespoň jeden neutron z rozpadu atomu uranu bude zachycen jiným atomem, a proto způsobí jeho rozpad. V první aproximaci to znamená, že neutron musí „narazit“ na atom 235 U před opuštěním reaktoru. To znamená, že konstrukce s uranem by měla být dostatečně kompaktní, takže pravděpodobnost nalezení dalšího atomu uranu pro neutron je dostatečně vysoká. Ale jak reaktor 235 U pracuje, postupně hoří, což snižuje pravděpodobnost, že se neutron setká s atomem 235 U, což je nutí, aby v reaktorech položili určitou rezervu této pravděpodobnosti. Nízký podíl 235 U v jaderném palivu proto vyžaduje:

  • větší objem reaktoru, takže neutron je v něm delší
  • větší část objemu reaktoru by měla být obsazena palivem, aby se zvýšila pravděpodobnost kolize neutronu a atomu uranu,
  • častěji je nutné znovu naplnit palivo, aby se v reaktoru udržela daná objemová hustota 235 U,
  • vysoký podíl cenných 235 U ve vyhořelém palivu.

V procesu zlepšování jaderné technologie byla nalezena ekonomicky a technologicky optimální řešení, která vyžadovala zvýšení obsahu 235 U v palivu, tj. Obohacování uranu.

U jaderných zbraní je úkol obohacování téměř stejný: je nutné, aby v extrémně krátké době jaderného výbuchu našel maximální počet 235 U atomů neutron, rozpad a uvolňovací energii. K tomu je nutná maximální možná objemová hustota atomů 235 U, což je dosažitelné konečným obohacením.

Stupně obohacení uranu [Upravit |

Klíč k oddělení

Klíčem k jejich oddělení je to, že atomy uranu 235 váží o něco méně než atomy uranu 238.

Aby se oddělilo malé množství uranu-235, které je přítomno v každém přírodním vzorku uranové rudy, inženýři nejprve přeměňují uran na plyn pomocí chemické reakce.

Poté se plyn zavede do centrifugační zkumavky ve válcovém tvaru o velikosti osoby nebo více. Každá zkumavka se otáčí na své ose neuvěřitelně vysokými rychlostmi, táhne těžší molekuly plynu uranu-238 do středu zkumavky a zanechává lehčí molekuly plynu uranu-235 blíže k okrajům zkumavky, kde je lze vysávat.

Pokaždé, když se plyn točí v odstředivce, ze směsi se odstraní jen malé množství plynu uran-238, takže trubky se používají v sérii. Každá odstředivka vytáhne trochu uranu-238 a poté přenese mírně vyčištěnou směs plynu do další trubky atd.

Konverze plynného uranu

Po oddělení plynného uranu-235 v mnoha fázích odstředivek inženýři používají jinou chemickou reakci k přeměně plynného uranu zpět na pevný kov. Tento kov může být později vytvořen pro použití v reaktorech nebo bombách.

Protože každý krok čistí pouze směs uranového plynu jen v malém množství, mohou si země dovolit provozovat pouze odstředivky, které jsou navrženy s nejvyšší úrovní účinnosti. Jinak se výroba i malého množství čistého uranu-235 stane neúměrně drahou.

Konstrukce a výroba těchto odstředivkových zkumavek vyžaduje určitou úroveň investic a technického know-how mimo dosah mnoha zemí. Potrubí vyžaduje speciální druhy oceli nebo směsí, které odolávají významnému tlaku během rotace, musí být zcela válcové a musí být vyrobeny specializovanými stroji, které je obtížné stavět.

Zde je příklad bomby, kterou USA na Hirošimu upustily. Podle „stavby atomové bomby“ trvá výroba bomby 62 kg uranu-235 (Simon a Schuster, 1995).

K separaci těchto 62 kg od téměř 4 tun uranové rudy došlo v největší budově na světě a spotřebovalo 10 procent elektřiny v zemi. "Vybudování zařízení trvalo 20 000 lidí, 12 000 lidí jej provozovalo a jeho vybavení stálo v roce 1944 více než 500 milionů dolarů." To je v roce 2018 asi 7,2 miliardy dolarů.

Proč je obohacený uran tak hrozný?

Uran nebo plutonium na úrovni zbraní je ve své čisté formě nebezpečné z jediného jednoduchého důvodu: z nich může být s určitou technickou základnou vyrobeno výbušné jaderné zařízení.

Obrázek ukazuje schematické znázornění jednoduché jaderné hlavice. Předlitky 1 a 2 jaderného paliva jsou uvnitř pláště. Každá z nich je jednou z částí celé koule a váží o něco méně než kritická hmotnost kovového materiálu použitého v bombě.

Když je detonační náboj TNT vybuchnut, uranové ingoty 1 a 2 jsou sloučeny do jednoho, jejich celková hmotnost jistě převyšuje kritickou hmotnost tohoto materiálu, což vede k reakci jaderného řetězce a následně k atomové explozi.

Zdálo by se, že nic komplikovaného, ​​ale ve skutečnosti tomu tak samozřejmě není. Jinak by byl řád o více zemí s jadernými zbraněmi na planetě. Kromě toho by se riziko těchto nebezpečných technologií dostalo do rukou dostatečně silných a rozvinutých teroristických skupin.

Trik je v tom, že jen velmi bohaté síly s rozvinutou vědeckou infrastrukturou jsou schopné obohacovat uran, a to i při současném vývoji technologie. Ještě těžší, bez nichž by atomové zařízení nefungovalo, oddělily izotopy uranu 235 a 238.

Uranové doly: Pravda a beletrie

V SSSR na philistinské úrovni existovala hypotéza, že zločinci odsouzeni k záhubě pracují v uranových dolech, čímž vyvrhují svou vinu před stranou a sovětským lidem. To samozřejmě není pravda.

Těžba uranu je technologický průmysl těžby a je nepravděpodobné, že by kdokoli připustil, že bude pracovat se sofistikovaným a velmi drahým zařízením a zabijáky zabije lupiči. Navíc zvěsti o tom, že horníci uranu nutně nosí plynovou masku a olověné spodní prádlo, nejsou nic jiného než mýtus.

Uran se těží v dolech někdy až do hloubky jednoho kilometru. Největší rezervy tohoto prvku jsou v Kanadě, Rusku, Kazachstánu a Austrálii. V Rusku produkuje jedna tuna rudy v průměru asi jeden a půl kilogramu uranu. V žádném případě to není největší ukazatel. V některých evropských dolech dosahuje toto číslo 22 kg na tunu.

Radiační pozadí v dole je přibližně stejné jako na hranici stratosféry, kde se opravují civilní osobní letadla.

Uranová ruda

Obohacení uranu začíná ihned po těžbě, přímo u dolu. Kromě kovu, stejně jako jakákoli jiná ruda, uran obsahuje odpadní horninu. Počáteční fáze obohacení sestává z třídění dlažebních kostek vytěžených z dolu: těch bohatých na uran a chudých. Doslova je každý kus vážen, měřen stroji a v závislosti na vlastnostech odeslán do konkrétního proudu.

Poté se do hry dostane mlýn, který rozdrtí rudu bohatou na uran na jemný prášek. Nejedná se však o uran, ale pouze o oxid. Získání čistého kovu je nejsložitější řetěz chemických reakcí a transformací.

Nestačí však pouze izolovat čistý kov od výchozích chemických sloučenin. Z celkového množství uranu obsaženého v přírodě je 99% obsazeno izotopem 238 a jeho 235. protějšek je menší než jedno procento. Jejich rozdělení je velmi obtížný úkol, který ne každá země dokáže vyřešit.

Metoda obohacení difúzí plynu

Toto je první metoda obohacení uranu. Stále se používá v USA a Francii. Na základě rozdílu v hustotě izotopů 235 a 238. Uranový plyn uvolňovaný z oxidu se čerpá pod vysokým tlakem do komory oddělené membránou. Atomy 235 izotopu jsou lehčí, a proto se z přijaté části tepla pohybují rychleji než „pomalé“ atomy uranu 238, v tomto pořadí, častěji a intenzivněji proti membráně. Podle zákonů teorie pravděpodobnosti se častěji dostanou do jednoho z mikropórů a jsou na druhé straně této membrány.

Účinnost této metody je malá, protože rozdíl mezi izotopy je velmi, velmi malý. Ale jak udělat obohacený uran vhodným pro použití? Odpověď je mnohokrát tuto metodu použít. Za účelem získání uranu vhodného pro výrobu paliva z reaktoru v elektrárně se systém úpravy difúze plynu několikrát opakuje.

Odborné recenze o této metodě jsou smíšené. Na jedné straně je metoda separace rozptylu plynu první, která Spojeným státům poskytla vysoce kvalitní uran, což je činí dočasně lídrem ve vojenské sféře. Na druhé straně se předpokládá, že difúze plynu produkuje méně odpadu. Jedinou věcí, která v tomto případě selže, je vysoká cena konečného produktu.

Metoda odstředění

To je vývoj sovětských inženýrů. V současné době existuje vedle Ruska také řada zemí, kde je uran obohacen metodou objevenou v SSSR. Jsou to Brazílie, Velká Británie, Německo, Japonsko a některé další státy. Tato metoda je podobná technologii difúze plynů v tom, že používá hmotnostní rozdíl izotopů 235 a 238.

Uranový plyn se točí v odstředivce na 1 500 ot / min. V důsledku různých hustot jsou izotopy ovlivněny odstředivými silami různých velikostí. Uran 238, jako těžší, se hromadí poblíž stěn odstředivky, zatímco 235. izotop se shromažďuje blíže ke středu. Směs plynu se čerpá na horní část válce. Po průchodu na dno odstředivky mají izotopy čas na částečné oddělení a jsou vybrány samostatně.

Navzdory skutečnosti, že způsob také nezajišťuje 100% separaci izotopů a pro dosažení potřebného stupně obohacení musí být použit opakovaně, je mnohem ekonomičtější než difúze plynů. Takto je obohacený uran v Rusku využívající technologii odstředivek asi třikrát levnější než ten získaný na amerických membránách.

Obohacená aplikace uranu

Proč je to všechno komplikované a drahé byrokracie s čištěním, separací kovů od oxidů, separací izotopů? Jedna pračka obohaceného uranu 235, z těch používaných v jaderné energii (z takových „pilulek“ jsou sestavené tyče - palivové tyče), o hmotnosti 7 gramů nahradí asi tři 200 litrové sudy benzínu nebo asi tunu uhlí.

Obohacený a ochuzený uran se používají odlišně v závislosti na čistotě a poměru izotopů 235 a 238.

Izotop 235 je energeticky náročnější palivo. Obohatený uran je považován za obsah 235 izotopů vyšší než 20%. To je základ jaderných zbraní.

Obohacené energeticky nasycené suroviny se také používají jako palivo pro jaderné reaktory v ponorkách a kosmických lodích kvůli omezené hmotnosti a velikosti.

Ochuzený uran, obsahující hlavně 238 izotopů, je palivem pro civilní stacionární jaderné reaktory. Přírodní uranové reaktory jsou považovány za méně výbušné.

Mimochodem, podle výpočtů ruských ekonomů bude při současném tempu produkce 92 prvků periodické tabulky její zásoby ve prozkoumaných dolech po celém světě již vyčerpány do roku 2030. Proto se vědci těší na fúzi jako zdroj levné a dostupné energie v budoucnosti.

Pin
Send
Share
Send
Send