Užitočné tipy

Obohatenie uránu

Obohatenie uránu je jedným z kľúčových krokov pri výrobe jadrových zbraní. V jadrových reaktoroch a bombách funguje iba určitý druh uránu.

Oddelenie tohto typu uránu od rozšírenejšej odrody si vyžaduje veľké technické zručnosti, napriek tomu, že technológia potrebná na tento účel existuje už desaťročia. Úlohou nie je zistiť, ako oddeliť urán, ale vybudovať a prevádzkovať zariadenie potrebné na dokončenie tejto úlohy.

Atómy uránu, ako atómy prvkov nachádzajúce sa v prírode v rozmanitosti, sa nazývajú izotopy. (Každý izotop má vo svojom jadre iný počet neutrónov.) Urán-235, izotop, ktorý tvorí menej ako 1 percento všetkého prírodného uránu, poskytuje palivo pre jadrové reaktory a jadrové bomby, zatiaľ čo urán-238, izotop, ktorý predstavuje 99%. prírodný urán, nemá jadrové využitie.

Stupne obohacovania uránu

Reakcia jadrového reťazca znamená, že najmenej jeden neutrón z rozpadu atómu uránu bude zachytený iným atómom, a teda spôsobí jeho rozpad. V prvej aproximácii to znamená, že neutrón musí „naraziť“ na atóm 235 U pred opustením reaktora. To znamená, že konštrukcia s uránom by mala byť dostatočne kompaktná, takže pravdepodobnosť nájdenia nasledujúceho atómu uránu pre neutrón je dostatočne vysoká. Ale keď je reaktor 235 U v prevádzke, postupne sa vyhorí, čo znižuje pravdepodobnosť, že neutrón sa stretne s atómom 235 U, čo ich núti v reaktoroch ukladať určitú hranicu tejto pravdepodobnosti. Nízky podiel 235 U v jadrovom palive si preto vyžaduje:

  • väčší objem reaktora, takže neutrón je v ňom dlhší
  • väčšia časť objemu reaktora by mala byť obsadená palivom, aby sa zvýšila pravdepodobnosť kolízie neutrónu a atómu uránu,
  • častejšie sa vyžaduje doplňovanie paliva na čerstvé palivo, aby sa v reaktore udržala objemová hmotnosť 235 U,
  • vysoký podiel hodnotného 235 U vo vyhoretom palive.

V procese zlepšovania jadrovej technológie boli nájdené ekonomicky a technologicky optimálne riešenia, ktoré si vyžadovali zvýšenie obsahu 235 U v palive, to znamená obohacovanie uránu.

V jadrových zbraniach je úloha obohacovania takmer rovnaká: je potrebné, aby v extrémne krátkom čase jadrovej explózie maximálny počet 235 U atómov našiel svoju neutrón, rozpad a uvoľňoval energiu. Na tento účel sa vyžaduje maximálna možná objemová hmotnosť atómov 235 U, čo sa dá dosiahnuť pri konečnom obohatení.

Stupne obohacovania uránu [upraviť |

Kľúč k oddeleniu

Kľúčom k ich separácii je to, že atómy uránu 235 vážia o niečo menej ako atómy uránu 238.

Aby sa oddelilo malé množstvo uránu-235, ktoré je prítomné v každej prírodnej vzorke uránovej rudy, inžinieri najskôr prevádzajú urán na plyn pomocou chemickej reakcie.

Potom sa plyn zavedie do odstredivkovej skúmavky vo valcovom tvare s veľkosťou osoby alebo viac. Každá skúmavka sa otáča na svojej osi neuveriteľne vysokými rýchlosťami a ťažšie molekuly plynu urán-238 ťahá do stredu rúrky, takže ľahšie molekuly plynu urán-235 zostávajú bližšie k okrajom rúrky, kde môžu byť odsávané.

Zakaždým, keď sa plyn otáča v odstredivke, zo zmesi sa odstráni len malé množstvo plynu urán-238, takže rúry sa používajú sériovo. Každá odstredivka vytiahne trochu uránu-238 a potom prenesie mierne vyčistenú zmes plynov do ďalšej rúrky atď.

Premena plynného uránu

Po oddelení plynného uránu 235 v mnohých fázach odstrediviek používajú inžinieri inú chemickú reakciu na premenu plynného uránu späť na pevný kov. Tento kov môže byť neskôr formovaný na použitie v reaktoroch alebo bombách.

Pretože každý krok čistí zmes plynného uránu iba v malom množstve, krajiny si môžu dovoliť prevádzkovať len odstredivky, ktoré sú navrhnuté s najvyššou úrovňou účinnosti. V opačnom prípade je výroba i malého množstva čistého uránu 235 neúmerne drahá.

Konštrukcia a výroba týchto odstredivkových skúmaviek si vyžaduje určitú úroveň investícií a technického know-how mimo dosahu mnohých krajín. Potrubie vyžaduje špeciálne druhy ocele alebo zmesi, ktoré počas rotácie vydržia významný tlak, musia byť úplne valcovité a musia byť vyrobené špecializovanými strojmi, ktoré sa ťažko stavajú.

Tu je príklad bomby, ktorú USA uvrhli na Hirošimu. Podľa „stavby atómovej bomby“ je potrebné vyrobiť bombu 62 kg uránu-235 (Simon a Schuster, 1995).

Oddelenie týchto 62 kg od takmer 4 ton uránovej rudy sa uskutočnilo v najväčšej budove na svete a spotrebovalo 10 percent elektrickej energie v krajine. "Stavba zariadenia si vyžiadala 20 000 ľudí, 12 000 ľudí ju prevádzkovalo a vybavenie v roku 1944 stálo viac ako 500 miliónov dolárov." To je asi 7,2 miliardy dolárov v roku 2018.

Prečo je obohatený urán taký hrozný?

Urán alebo plutónium na úrovni zbraní je vo svojej čistej forme nebezpečné z jedného jednoduchého dôvodu: z nich je možné s určitým technickým základom vyrobiť výbušné jadrové zariadenie.

Obrázok ukazuje schematické znázornenie jednoduchej jadrovej hlavice. Vnútri puzdra sú bloky 1 a 2 jadrového paliva. Každá z nich je jednou z častí celej gule a váži o niečo menej ako kritická hmotnosť kovového materiálu použitého v bombe.

Keď je detonačná nálož TNT vybuchnutá, uránové ingoty 1 a 2 sú zlúčené do jedného, ​​ich celková hmotnosť určite prekračuje kritickú hmotnosť tohto materiálu, čo vedie k jadrovej reťazovej reakcii a následne k atómovej explózii.

Zdalo by sa, že to nie je nič komplikované, ale v skutočnosti to tak samozrejme nie je. Inak by bol počet rádovo väčšieho počtu krajín s jadrovými zbraňami na planéte. Okrem toho by sa výrazne zvýšilo riziko, že sa takéto nebezpečné technológie dostanú do rúk dostatočne silných a rozvinutých teroristických skupín.

Trik je v tom, že iba veľmi bohaté sily s rozvinutou vedeckou infraštruktúrou dokážu obohacovať urán, a to aj pri súčasnom vývoji technológie. Ešte ťažšie, bez ktorých by atómové zariadenie nefungovalo, oddelilo izotopy uránu 235 a 238.

Uránové bane: Pravda a beletria

V Sovietskom zväze na philistínskej úrovni existovala hypotéza, že zločinci odsúdení na záhubu pracujú v uránových baniach, čím rozširujú svoju vinu pred stranu a sovietsky ľud. To samozrejme nie je pravda.

Ťažba uránu je vysoko technologický ťažobný priemysel a je nepravdepodobné, že by niekto súhlasil s prácou so sofistikovaným a veľmi drahým vybavením a zabil vrahov s lupičmi. Okrem toho zvesti o tom, že baníci uránu nevyhnutne nosia plynovú masku a olovené spodné prádlo, nie sú nič viac ako mýtus.

Urán sa ťaží v baniach až do hĺbky jedného kilometra. Najväčšie rezervy tohto prvku sa nachádzajú v Kanade, Rusku, Kazachstane a Austrálii. V Rusku vyprodukuje jedna tuna rudy v priemere asi jeden a pol kilogramu uránu. Toto v žiadnom prípade nie je najväčší ukazovateľ. V niektorých európskych baniach dosahuje toto číslo 22 kg na tonu.

Radiačné pozadie v bani je približne rovnaké ako na hranici stratosféry, kde sa opravujú civilné osobné lietadlá.

Uránová ruda

Obohatenie uránu začína okamžite po ťažbe, priamo v blízkosti bane. Okrem kovu, rovnako ako akákoľvek iná ruda, urán obsahuje odpadovú horninu. Počiatočné štádium obohacovania spočíva v triedení dlažebných kameňov vyrastených z bane: bohatých na urán a chudobných. Doslova je každý kus vážený, meraný strojmi a podľa vlastností odosielaný do konkrétneho prúdu.

Potom príde do mlyna mletie rudy bohatej na urán na jemný prášok. Nie je to však urán, ale iba jeho oxid. Získanie čistého kovu je najzložitejšou reťazou chemických reakcií a transformácií.

Nestačí len izolovať čistý kov od východiskových chemických zlúčenín. Z celkového množstva uránu v prírode je 99% obsadených izotopom 238 a jeho 235. Náprotivok je menší ako jedno percento. Ich oddelenie je veľmi náročná úloha, ktorú nie každá krajina dokáže vyriešiť.

Metóda obohatenia difúziou plynu

Toto je prvý spôsob obohacovania uránu. Stále sa používa v USA a Francúzsku. Na základe rozdielu v hustote izotopov 235 a 238. Uránový plyn uvoľňovaný z oxidu sa čerpá pod vysokým tlakom do komory oddelenej membránou. Atómy 235 izotopu sú ľahšie, a preto sa z prijatej časti tepla pohybujú rýchlejšie ako „pomalé“ atómy 238 uránu, častejšie a intenzívnejšie bijú proti membráne. Podľa zákonov teórie pravdepodobnosti sa častejšie dostanú do jedného z mikropórov a nachádzajú sa na druhej strane tejto membrány.

Účinnosť tejto metódy je malá, pretože rozdiel medzi izotopmi je veľmi, veľmi malý. Ale ako urobiť obohatený urán vhodným na použitie? Odpoveďou je táto metóda mnohokrát. Aby sa získal urán vhodný na výrobu paliva z reaktora v elektrárni, systém úpravy difúzie plynu sa opakuje niekoľkokrát.

Odborné recenzie na túto metódu sú zmiešané. Na jednej strane je metóda separácie difúzie plynu prvá, ktorá poskytuje USA vysoko kvalitný urán, čím sa stáva dočasne lídrom vo vojenskej oblasti. Na druhej strane sa predpokladá, že difúzia plynu produkuje menej odpadu. Jedinou vecou, ​​ktorá v tomto prípade zlyhá, je vysoká cena konečného produktu.

Metóda odstreďovania

Toto je vývoj sovietskych inžinierov. V súčasnosti existuje okrem Ruska niekoľko krajín, v ktorých je urán obohatený o metódu objavenú v ZSSR. Sú to Brazília, Veľká Británia, Nemecko, Japonsko a niektoré ďalšie štáty. Táto metóda je podobná technológii difúzie plynu v tom, že používa hmotnostný rozdiel izotopov 235 a 238.

Uránový plyn sa točí v odstredivke na 1 500 ot / min. V dôsledku rôznych hustôt sú izotopy ovplyvnené odstredivými silami rôznych veľkostí. Urán 238, ktorý je ťažší, sa hromadí v blízkosti stien odstredivky, zatiaľ čo 235. izotop sa zhromažďuje bližšie k stredu. Plynná zmes sa čerpá na vrch valca. Po prechode na dno odstredivky majú izotopy čas na čiastočné oddelenie a sú vybrané osobitne.

Napriek tomu, že táto metóda tiež nezabezpečuje 100% separáciu izotopov a na dosiahnutie potrebného stupňa obohatenia sa musí použiť opakovane, je oveľa ekonomickejšia ako difúzia plynu. Takto je obohatený urán v Rusku pomocou technológie odstrediviek asi 3-krát lacnejší ako roztok získaný na amerických membránach.

Obohatená aplikácia uránu

Prečo je všetko toto zložité a drahé byrokracie s čistením, separáciou kovov od oxidov, separáciou izotopov? Jedna podložka z obohateného uránu 235, z tých, ktoré sa používajú v jadrovej energii (z takýchto „piluliek“ sú zostavené tyče - palivové tyče), s hmotnosťou 7 gramov nahrádza asi tri 200-litrové bary benzínu alebo asi tonu uhlia.

Obohatený a ochudobnený urán sa používajú odlišne v závislosti od čistoty a pomeru izotopov 235 a 238.

Izotop 235 je energeticky náročnejšie palivo. Obohatený urán sa zvažuje, ak je obsah 235 izotopov vyšší ako 20%. To je základ jadrových zbraní.

Obohatené energeticky nasýtené suroviny sa tiež používajú ako palivo pre jadrové reaktory v ponorkách a kozmických lodiach kvôli obmedzenej hmotnosti a veľkosti.

Ochudobnený urán, ktorý obsahuje hlavne 238 izotopov, je palivom pre civilné stacionárne jadrové reaktory. Prírodné uránové reaktory sa považujú za menej výbušné.

Mimochodom, podľa výpočtov ruských ekonómov, pri zachovaní súčasnej miery produkcie 92 prvkov periodickej tabuľky sa jej zásoby v skúmaných baniach po celom svete už vyčerpajú do roku 2030. Preto sa vedci tešia na fúziu ako zdroj lacnej a dostupnej energie v budúcnosti.