Hoe word uraan verryk? - Nuttige wenke - 2021
Uraanverryking is een van die belangrikste stappe in die skepping van kernwapens. Slegs 'n sekere soort uraan werk in kernreaktors en bomme.
Die skeiding van hierdie soort uraan van 'n meer wydverspreide variëteit verg baie ingenieursvaardighede, ondanks die feit dat die nodige tegnologie al dekades lank bestaan. Die taak is nie om uit te vind hoe om uraan te skei nie, maar om die toerusting te bou en te bestuur wat nodig is om hierdie taak te voltooi.
Uraanatome, soos elementatome wat in die natuur in 'n verskeidenheid voorkom, word isotope genoem. (Elke isotoop het 'n ander aantal neutrone in sy kern.) Uranium-235, die isotoop wat minder as 1 persent van alle natuurlike uraan uitmaak, voorsien brandstof vir kernreaktors en kernbomme, terwyl uraan-238, die isotoop wat 99 persent uitmaak. natuurlike uraan, het geen kerngebruik nie.
'N Kernkettingreaksie impliseer dat ten minste een neutron van die verval van 'n uraanatoom deur 'n ander atoom vasgevang sal word en gevolglik die verval daarvan sal veroorsaak. In 'n eerste benadering beteken dit dat die neutron op die 235 U-atoom moet "struikel" voordat hy die reaktor verlaat. Dit beteken dat die ontwerp met uraan kompak genoeg moet wees, sodat die waarskynlikheid om die volgende uraanatoom vir die neutron te vind, groot genoeg is. Terwyl die 235 U-reaktor werk, brand dit geleidelik uit, wat die waarskynlikheid verminder dat 'n neutron by die 235 U-atoom sal vergaan, wat hulle dwing om 'n sekere grens van hierdie waarskynlikheid in die reaktore te lê. Gevolglik is die lae persentasie van 235 U in kernbrandstof noodsaaklik:
'n groter reaktorvolume sodat die neutron langer daarin is
'n groter deel van die reaktorvolume moet deur brandstof beset word om die waarskynlikheid van 'n botsing van 'n neutron en 'n uraanatoom te verhoog,
Dit is dikwels nodig om brandstof weer vars te laai om 'n gegewe massa-digtheid van 235 U in die reaktor te handhaaf,
'n groot hoeveelheid waardevolle 235 U in verbruikte brandstof.
Tydens die verbetering van kerntegnologie is ekonomies en tegnologies optimale oplossings gevind wat 'n toename in die inhoud van 235 U in die brandstof benodig, dit wil sê uraanverryking.
In kernwapens is die verrykingstaak amper dieselfde: dit word vereis dat die maksimum aantal 235 U-atome binne 'n baie kort tydjie van 'n kernontploffing hul neutron vind, verval en energie vrystel. Hiervoor is die maksimum moontlike massadigtheid van atome 235 U nodig, wat haalbaar is met die uiteindelike verryking.
Uraanverrykingsgrade [wysig |
Die sleutel tot skeiding
Die sleutel tot hul skeiding is dat die uraan-235-atome effens minder weeg as die uraan-238-atome.
Om die klein hoeveelheid uraan-235 wat in elke natuurlike monster uraanerts voorkom, te skei, maak ingenieurs die uraan eers om in gas met behulp van 'n chemiese reaksie.
Dan word die gas in 'n sentrifuge-buis in 'n silindriese vorm van 'n persoon of groter, ingebring. Elke buis draai teen ongelooflike hoë snelhede op sy as, en trek swaarder uraan-238-gasmolekules na die middel van die buis, en laat ligter uraan-235-gasmolekules nader aan die rande van die buis waar dit uitgesuig kan word.
Elke keer as die gas in 'n sentrifuge gedraai word, word slegs 'n klein hoeveelheid uraan-238-gas uit die mengsel verwyder, sodat die pype in serie gebruik word. Elke sentrifuge trek 'n bietjie uraan-238 uit en dra dan die effens gesuiwerde gasmengsel oor na die volgende pyp, ens.
Na die skeiding van gasvormige uraan-235 in baie stadiums van sentrifuges, gebruik ingenieurs 'n ander chemiese reaksie om uraangas weer in vaste metaal om te skakel. Hierdie metaal kan later gevorm word vir reaksies of bomme.
Aangesien elke stap die mengsel van uraangas slegs met 'n klein hoeveelheid skoonmaak, kan lande dit slegs bekostig om sentrifuga's te ontwerp wat tot die hoogste vlak van doeltreffendheid ontwerp is. Andersins word die produksie van selfs 'n klein hoeveelheid suiwer uraan-235 buitengewoon duur.
En die ontwerp en vervaardiging van hierdie sentrifugeerbuise vereis 'n sekere vlak van belegging en tegniese kennis wat buite die bereik van baie lande is. Pype benodig spesiale soorte staal of mengsels wat 'n beduidende druk tydens die rotasie kan weerstaan, moet heeltemal silindries en vervaardig word deur gespesialiseerde masjiene wat moeilik is om te bou.
Hier is 'n voorbeeld van 'n bom wat die Verenigde State op Hiroshima laat val het. Dit verg 62 kg uraan-235 om 'n bom te maak volgens die bou van 'n atoombom (Simon en Schuster, 1995).
Die skeiding van hierdie 62 kg van byna 4 ton uraanerts het in die wêreld se grootste gebou plaasgevind en het 10 persent van die land se elektrisiteit gebruik. 'Dit het 20.000 mense benodig om die fasiliteit te bou, 12.000 mense het die fasiliteit bedryf, en in 1944 het die toerusting meer as $ 500 miljoen gekos.' Dit is ongeveer $ 7,2 miljard in 2018.
Waarom is verrykte uraan so verskriklik?
Uranium of wapengehalte plutonium is om een ​​eenvoudige rede gevaarlik in sy suiwer vorm: van hulle, met 'n sekere tegniese basis, kan 'n plofbare kerntoestel vervaardig word.
Die figuur toon 'n skematiese voorstelling van 'n eenvoudige kernkraghoof. Bane 1 en 2 kernbrandstof is in die dop. Elkeen van hulle is een van die dele van die hele bal en weeg effens minder as die kritieke massa van die wapenmetaal wat in die bom gebruik is.
Wanneer die TNT-ontgiftingslading ontplooi word, word die uraanbande 1 en 2 in een gekombineer, oortref hul totale massa sekerlik die kritieke massa vir hierdie materiaal, wat lei tot 'n kernkettingreaksie en gevolglik tot 'n atoomontploffing.
Dit lyk niks ingewikkeld nie, maar in werklikheid is dit natuurlik nie so nie. Anders sou daar 'n orde van meer lande met kernwapens op die planeet wees. Boonop sal die risiko dat sulke gevaarlike tegnologieë in die hande van voldoende kragtige en ontwikkelde terreurgroepe val, baie verhoog.
Die truuk is dat slegs baie ryk magte met ontwikkelde wetenskaplike infrastruktuur uraan kan verryk, selfs met die huidige ontwikkeling van tegnologie. Nog moeiliker, waarsonder die atoomapparaat nie sou werk nie, skei die 235 en 238 uraan-isotope.
Uraanmyne: Waarheid en fiksie
In die USSR, op filistynse vlak, was daar 'n hipotese dat verdoemende misdadigers in uraanmyne werk en sodoende hul skuld voor die party en die Sowjetmense blootlê. Dit is natuurlik nie waar nie.
Uraanmynbou is 'n hoë-tegnologie-mynbedryf, en dit is onwaarskynlik dat iemand sou erken het dat hy met gesofistikeerde en baie duur toerusting gewerk het en moordenaars met rowers verwoes het. Die gerugte dat uraanmyners noodwendig 'n gasmasker en loodonderklere dra, is ook niks meer as 'n mite nie.
Uraan word gemyn in myne, soms tot 'n kilometer diep. Die grootste reserwes van hierdie element word in Kanada, Rusland, Kazakstan en Australië aangetref. In Rusland lewer een ton erts gemiddeld ongeveer een en 'n half kilogram uraan. Dit is geensins die grootste aanwyser nie. In sommige Europese myne bereik hierdie syfer 22 kg per ton.
Die bestralingsagtergrond in die myn is ongeveer dieselfde as op die grens van die stratosfeer, waar burgerlike passasiersvliegtuie gelap word.
Die verryking van uraan begin onmiddellik na ontginning, direk naby die myn. Benewens metaal, soos enige ander erts, bevat uraan afvalrots. Die aanvanklike stadium van verryking kom neer op die sorteer van die geplaveide stene uit die myn: dié wat ryk is aan uraan en wat arm is. Elke stuk word letterlik geweeg, gemeet deur masjiene en na gelang van die eienskappe na 'n bepaalde stroom gestuur.
Dan kom 'n meule aan die rol wat die uraanryke erts in fyn poeier maal. Dit is egter nie uraan nie, maar slegs die oksied daarvan. Die verkryging van suiwer metaal is die ingewikkeldste chemiese reaksie en transformasie.
Dit is egter nie genoeg om suiwer metaal van die uitgangs chemiese verbindings te isoleer nie. Van die totale uraan wat in die natuur voorkom, word 99% deur die isotoop 238 beset, en die 235ste eweknie daarvan is minder as een persent. Die skeiding van hulle is 'n baie moeilike taak wat nie elke land kan oplos nie.
Verrykingsmetode vir gasdiffusie
Dit is die eerste metode waardeur uraan verryk is. Dit word steeds in die VSA en Frankryk gebruik. Op grond van die verskil in digtheid van 235 en 238 isotope. Uraangas wat vrygestel word van die oksied word onder hoë druk gepomp in 'n kamer geskei deur 'n membraan. Atome 235 van die isotoop is ligter, daarom beweeg hulle vanaf die ontvangde porsie hitte vinniger as 'stadige' uraanatome 238, wat meer gereeld en meer intensief teen die membraan klop. Volgens die wette van die waarskynlikheidsleer, is dit meer geneig om in een van die mikropore in te kom en aan die ander kant van hierdie membraan te wees.
Die effektiwiteit van hierdie metode is klein, omdat die verskil tussen die isotope baie, baie klein is. Maar hoe maak u verrykte uraan geskik vir gebruik? Die antwoord is om hierdie metode baie, baie keer toe te pas. Ten einde uraan te kry wat geskik is vir die vervaardiging van brandstof uit 'n reaktor in 'n kragsentrale, word die gasdiffusie-behandelingstelsel 'n paar honderd keer herhaal.
Deskundige beoordelings oor hierdie metode is gemeng. Aan die een kant is die gas-diffusie-skeidingsmetode die eerste wat die Verenigde State van uraan van hoë gehalte voorsien, wat hulle tydelik 'n leier op militêre gebied maak. Aan die ander kant word daar gedink dat gasdiffusie minder afval lewer. Die enigste ding wat in hierdie geval misluk, is die hoë prys van die finale produk.
Dit is die ontwikkeling van Sowjet-ingenieurs. Benewens Rusland is daar tans 'n aantal lande waar uraan verryk word volgens die metode wat in die USSR ontdek is. Dit is Brasilië, Groot-Brittanje, Duitsland, Japan en 'n paar ander lande. Die metode is soortgelyk aan gasdiffusietegnologie deurdat dit die massa-verskil van 235 en 238 isotope gebruik.
Uraangas draai in 'n sentrifuge tot 1 500 r / min. As gevolg van verskillende digthede word isotope beïnvloed deur sentrifugale kragte van verskillende groottes. Uraan 238, soos swaarder, versamel naby die mure van die sentrifuge, terwyl die 235ste isotoop nader aan die middel versamel. Die gasmengsel word na die bokant van die silinder gepomp. Nadat die isotope deurgedring het na die onderkant van die sentrifuge, is dit tyd om gedeeltelik te skei en word hulle apart gekies.
Ondanks die feit dat die metode ook nie 100% skeiding van isotope bied nie, en om die nodige mate van verryking te bereik, moet dit herhaaldelik gebruik word, is dit baie meer ekonomies doeltreffend as gasdiffusie. Verrykte uraan in Rusland met behulp van sentrifuge-tegnologie is dus ongeveer drie keer goedkoper as wat op Amerikaanse membrane verkry word.
Waarom is al hierdie ingewikkelde en duur rompslomp met suiwering, metaalskeiding van oksiede, skeiding van isotope? Een wasser van verrykte uraan 235, van die wat in kernenergie gebruik word (uit sulke "pille" is saamgestelde stawe - brandstofstawe), wat 7 gram weeg, vervang ongeveer 200 liter-vate petrol of 'n ton steenkool.
Verrykte en verarmde uraan word verskillend gebruik, afhangende van die suiwerheid en verhouding van 235 en 238 isotope.
Isotoop 235 is 'n meer energie-intensiewe brandstof. Verrykte uraan word oorweeg as die inhoud van 235 isotope meer as 20% is. Dit is die basis van kernwapens.
Verrykte energieversadigde grondstowwe word ook gebruik as brandstof vir kernreaktors in duikbote en ruimtetuie vanweë die beperkte massa en grootte.
Ontwaterde uraan, wat hoofsaaklik 238 isotope bevat, is 'n brandstof vir siviele stilstaande kernreaktors. Natuurlike uraanreaktore word as minder plofbaar beskou.
Terloops, volgens die berekeninge van Russiese ekonome, terwyl die huidige produksietempo van 92 elemente van die periodieke tabel gehandhaaf word, sal sy reserwes in verkende myne regoor die wêreld reeds teen 2030 uitgeput word. Daarom sien wetenskaplikes uit na samesmelting in die toekoms as 'n bron van goedkoop en bekostigbare energie.