Noderīgi padomi

Urāna bagātināšana

Pin
Send
Share
Send
Send


Urāna bagātināšana ir viens no galvenajiem kodolieroču radīšanas posmiem. Kodolreaktoros un bumbās darbojas tikai noteikts urāna tips.

Šāda urāna veida atdalīšana no plaši izplatītām šķirnēm prasa lielas inženiertehniskās prasmes, neskatoties uz to, ka šim nolūkam nepieciešamā tehnoloģija pastāv jau gadu desmitiem ilgi. Uzdevums nav izdomāt, kā atdalīt urānu, bet gan būvēt un darbināt iekārtas, kas vajadzīgas šī uzdevuma veikšanai.

Urāna atomus, tāpat kā elementu atomus, kas dabā sastopami dažādās šķirnēs, sauc par izotopiem. (Katra izotipa kodolā ir atšķirīgs neitronu skaits.) Urāns-235, izotops, kas veido mazāk nekā 1 procentu no visa dabiskā urāna, nodrošina degvielu kodolreaktoriem un atombumbām, bet urāns-238 - izotops, kas veido 99 procentus. dabīgais urāns, nav izmantojams kodolenerģētikā.

Urāna bagātināšanas pakāpes

Kodolķēdes reakcija nozīmē, ka vismaz vienu uronu atomu sabrukšanas neitronu sagūstīs cits atoms, un tas attiecīgi izraisīs tā sabrukšanu. Pirmajā tuvinājumā tas nozīmē, ka pirms aiziešanas no reaktora neitronam ir "jāpaklīst" uz 235 U atoma. Tas nozīmē, ka konstrukcijai ar urānu jābūt pietiekami kompaktai, lai iespējamība atrast nākamo urāna atomu neitronam būtu pietiekami augsta. Bet, darbojoties 235 U reaktoram, tas pakāpeniski izdeg, kas samazina neitrona iespējamību satikties ar 235 U atomu, kas liek tiem noteikt zināmu šīs varbūtības robežu reaktoros. Attiecīgi zemā 235 U daļa kodoldegvielā rada nepieciešamību:

  • lielāks reaktora tilpums, lai neitrons tajā atrastos ilgāk
  • lielāku reaktora tilpuma daļu vajadzētu aizņemt degvielai, lai palielinātu neitrona un urāna atoma sadursmes iespējamību,
  • biežāk ir nepieciešams pārlādēt degvielu svaigā veidā, lai reaktorā saglabātu noteikto tilpuma blīvumu 235 U,
  • liels vērtīgo 235 U īpatsvars izlietotajā kodoldegvielā.

Kodoltehnoloģijas uzlabošanas procesā tika atrasti ekonomiski un tehnoloģiski optimāli risinājumi, kuriem bija nepieciešams palielināt 235 U saturu degvielā, tas ir, bagātināt urānu.

Kodolieročos bagātināšanas uzdevums ir gandrīz tāds pats: tiek prasīts, lai ārkārtīgi īsā kodolsprādziena laikā maksimālais 235 U atomu skaits atrastu neitronu, sabrukšanu un atbrīvotu enerģiju. Šim nolūkam ir vajadzīgs maksimālais iespējamais 235 U atomu tilpuma blīvums, kas ir sasniedzams ar pilnīgu bagātināšanu.

Urāna bagātināšanas pakāpes [labot |

Atslēgas atslēga

To atdalīšanas atslēga ir tāda, ka urāna-235 atomi sver nedaudz mazāk nekā urāna-238 atomi.

Lai atdalītu niecīgo urāna-235 daudzumu, kas atrodas katrā dabiskajā urāna rūdas paraugā, inženieri vispirms pārveido urānu gāzē, izmantojot ķīmisku reakciju.

Tad gāzi ievada centrifūgas mēģenē, kuras cilindriskā forma ir cilvēka vai lielāka. Katra caurule griežas pa savu asi ar neticami lielu ātrumu, velkot smagākas urāna-238 gāzes molekulas caurules centrā, atstājot vieglākas urāna-235 gāzes molekulas tuvāk caurules malām, kur tās var izsūkt.

Katru reizi, kad gāze tiek pagriezta centrifūgā, no maisījuma tiek noņemts tikai neliels daudzums urāna-238 gāzes, tāpēc caurules tiek izmantotas virknē. Katra centrifūga izvelk nedaudz urāna-238 un pēc tam nedaudz attīrītu gāzes maisījumu pārnes uz nākamo cauruli utt.

Urāna gāzes konversija

Pēc gāzveida urāna-235 atdalīšanas daudzos centrifūgu posmos inženieri izmanto atšķirīgu ķīmisku reakciju, lai urāna gāzi pārveidotu atpakaļ cietā metālā. Šo metālu vēlāk var veidot izmantošanai vai nu reaktoros, vai bumbās.

Tā kā katrs solis tikai nelielu daudzumu attīra urāna gāzes maisījumu, valstis var atļauties darbināt tikai centrifūgas, kas paredzētas visaugstākajam efektivitātes līmenim. Pretējā gadījumā pat neliela daudzuma tīra urāna-235 ražošana kļūst pārmērīgi dārga.

Un šo centrifūgas cauruļu projektēšanai un ražošanai ir vajadzīgs noteikts ieguldījums un tehniskā kompetence, kas ir pieejama daudzām valstīm. Cauruļvadiem ir nepieciešami īpaši tērauda vai maisījumu veidi, kas rotācijas laikā iztur ievērojamu spiedienu, tiem jābūt pilnīgi cilindriskiem un izgatavotiem ar specializētām mašīnām, kuras ir grūti būvēt.

Šeit ir piemērs sprādzienam, kuru Savienotās Valstis nogāza Hirosimā. Bumbas izgatavošana prasa 62 kg urāna-235, saskaņā ar “atombumbas būvēšanu” (Simon and Schuster, 1995).

Šie 62 kg atdalījās no gandrīz 4 tonnām urāna rūdas pasaules lielākajā ēkā, un tajā tika izmantoti 10 procenti valsts elektrības. “Objekta būvniecībai vajadzēja 20 000 cilvēku, 12 000 cilvēku to vadīja, un 1944. gadā tā aprīkošana izmaksāja vairāk nekā 500 miljonus USD.” Tas ir aptuveni 7,2 miljardi USD 2018. gadā.

Kāpēc bagātinātais urāns ir tik briesmīgs?

Urāns vai ieroču klases plutonijs tīrā veidā ir bīstams viena vienkārša iemesla dēļ: no tiem ar noteiktu tehnisko bāzi var izgatavot sprādzienbīstamu kodolierīci.

Attēlā parādīts vienkāršas kodolgalviņas shematisks attēlojums. Kodoldegvielas 1. un 2. partija atrodas korpusa iekšpusē. Katra no tām ir viena no visas bumbas daļām un sver nedaudz mazāk par bumbā izmantotā ieroča metāla kritisko masu.

Kad detonē TNT detonējošo lādiņu, urāna lietņi 1 un 2 tiek apvienoti vienā, to kopējā masa noteikti pārsniedz šī materiāla kritisko masu, kas izraisa kodola ķēdes reakciju un līdz ar to arī atomu eksploziju.

Šķiet, ka tas nav nekas sarežģīts, bet patiesībā tas, protams, nav tā. Pretējā gadījumā uz planētas būtu par vairākām valstīm vairāk ar kodolieročiem. Turklāt ievērojami palielinātos risks, ka šādas bīstamas tehnoloģijas nonāk pietiekami spēcīgu un attīstītu teroristu grupu rokās.

Viltība ir tāda, ka tikai ļoti bagātīgas lielvaras ar attīstītu zinātnisko infrastruktūru spēj bagātināt urānu pat ar pašreizējo tehnoloģiju attīstību. Vēl grūtāk, bez kura atomu ierīce nedarbotos, atdaliet 235 un 238 urāna izotopus.

Urāna raktuves: patiesība un fantastika

PSRS filistiešu līmenī pastāvēja hipotēze, ka lemti noziedznieki strādā urāna raktuvēs, tādējādi atceļot savu vainu partijas un padomju tautas priekšā. Tas, protams, nav taisnība.

Urāna ieguve ir augsto tehnoloģiju ieguves rūpniecība, un ir maz ticams, ka kāds būtu atzinis strādāt ar sarežģītu un ļoti dārgu aprīkojumu un neuzmanīgiem slepkavām ar laupītājiem. Turklāt baumas, ka urāna ieguvēji obligāti nēsā gāzes masku un svina apakšveļu, arī nav nekas vairāk kā mīts.

Urānu iegūst raktuvēs, dažreiz līdz kilometra dziļumam. Lielākās šī elementa rezerves ir Kanādā, Krievijā, Kazahstānā un Austrālijā. Krievijā no vienas tonnas rūdas iegūst vidēji apmēram pusotru kilogramu urāna. Tas nekādā ziņā nav lielākais rādītājs. Dažās Eiropas raktuvēs šis skaitlis sasniedz 22 kg uz tonnu.

Radiācijas fons raktuvēs ir aptuveni tāds pats kā uz stratosfēras robežas, kur tiek novietoti civilie pasažieru gaisa kuģi.

Urāna rūda

Urāna bagātināšana sākas tūlīt pēc ieguves, tieši raktuves tuvumā. Papildus metālam, tāpat kā jebkurai citai rūdai, urānā ir arī iežu atkritumi. Sākotnējā bagātināšanas stadija ir bruģakmeņu šķirošana no raktuvēm: bagātīgi ar urānu un nabadzīgie. Burtiski katru gabalu nosver, mēra ar mašīnām un atkarībā no īpašībām nosūta uz noteiktu straumi.

Tad sāk darboties dzirnavas, sasmalcinot ar urānu bagātu rūdu smalkā pulverī. Tomēr tas nav urāns, bet tikai tā oksīds. Tīra metāla iegūšana ir vissarežģītākā ķīmisko reakciju un pārvērtību ķēde.

Tomēr nepietiek tikai ar tīra metāla izolēšanu no izejmateriāliem. No kopējā dabā esošā urāna 99% aizņem izotops 238, un tā 235. ekvivalents ir mazāks par vienu procentu. To atdalīšana ir ļoti grūts uzdevums, kuru ne katra valsts var atrisināt.

Gāzu difūzijas bagātināšanas metode

Šī ir pirmā metode, ar kuras palīdzību urāns tika bagātināts. To joprojām izmanto ASV un Francijā. Balstoties uz 235 un 238 izotopu blīvuma atšķirībām. Urāna gāze, kas izdalās no oksīda, zem augsta spiediena tiek iesūknēta kamerā, kuru atdala membrāna. Izotopa 235 atomi ir vieglāki, tāpēc no saņemtā siltuma daudzuma tie pārvietojas ātrāk nekā attiecīgi “lēnie” urāna atomi 238, biežāk un intensīvāk sitas pret membrānu. Saskaņā ar varbūtības teorijas likumiem, visticamāk, viņi nokļūst vienā no mikroporām un atrodas šīs membrānas otrā pusē.

Šīs metodes efektivitāte ir maza, jo atšķirība starp izotopiem ir ļoti, ļoti maza. Bet kā padarīt bagātinātu urānu izmantojamu? Atbilde ir šīs metodes piemērošana daudzas, daudzas reizes. Lai iegūtu urānu, kas piemērots kurināmā ražošanai no reaktora elektrostacijā, gāzes difūzijas apstrādes sistēmu atkārto vairākus simtus reizes.

Ekspertu atsauksmes par šo metodi ir dažādi. No vienas puses, gāzes difūzijas atdalīšanas metode ir pirmā, kas Amerikas Savienotajām Valstīm piegādā augstas kvalitātes urānu, padarot tās uz laiku par līderi militārajā sfērā. No otras puses, domājams, ka gāzes difūzija rada mazāk atkritumu. Vienīgais, kas šajā gadījumā neizdodas, ir galaprodukta augstā cena.

Centrifūgas metode

Tā ir padomju inženieru attīstība. Pašlaik papildus Krievijai ir arī vairākas valstis, kurās urānu bagātina ar PSRS atklāto metodi. Tās ir Brazīlija, Lielbritānija, Vācija, Japāna un dažas citas valstis. Metode ir līdzīga gāzes difūzijas tehnoloģijai, jo tajā izmanto 235 un 238 izotopu masu starpību.

Urāna gāze centrifūgā griežas līdz 1500 apgr./min. Dažādu blīvumu dēļ izotopus ietekmē dažāda lieluma centrbēdzes spēki. Urāns 238, kā smagāks, uzkrājas netālu no centrifūgas sienām, bet 235. izotops sakrājas tuvāk centram. Gāzes maisījumu iesūknē balona augšpusē. Izgājuši ceļu līdz centrifūgas apakšai, izotopiem ir laiks daļēji atdalīties un tiek atlasīti atsevišķi.

Neskatoties uz to, ka šī metode arī nenodrošina izotopu 100% atdalīšanu un lai sasniegtu nepieciešamo bagātināšanas pakāpi, tā atkārtoti jāizmanto, tā ir daudz ekonomiski efektīvāka nekā gāzes difūzija. Tādējādi bagātināts urāns Krievijā, izmantojot centrifūgu tehnoloģiju, ir apmēram 3 reizes lētāks nekā tas, kas iegūts uz Amerikas membrānām.

Bagātināts urāna pielietojums

Kāpēc visa šī sarežģītā un dārgā birokrātija ir ar attīrīšanu, metālu atdalīšanu no oksīdiem, izotopu atdalīšanu? Viens bagātināta urāna 235 mazgātājs, kas tiek izmantots kodolenerģijā (no šādām “tabletēm” veido saliktus stieņus - degvielas stieņus), kas sver 7 gramus, aizstāj apmēram trīs 200 litru barelu benzīna vai apmēram tonnu ogļu.

Bagātināts un noplicinātais urāns tiek izmantots atšķirīgi atkarībā no 235 un 238 izotopu tīrības un attiecības.

Izotops 235 ir energoietilpīgāka degviela. Bagātināts urāns tiek uzskatīts par 235 izotopu saturu vairāk nekā 20%. Tas ir kodolieroču pamats.

Ierobežotas ar enerģiju piesātinātas izejvielas ierobežotas masas un izmēra dēļ arī tiek izmantotas kā degviela kodolreaktoriem zemūdenēs un kosmosa kuģos.

Noplicināts urāns, kas satur galvenokārt 238 izotopus, ir degviela civiliem stacionāriem kodolreaktoriem. Dabiskā urāna reaktorus uzskata par mazāk sprādzienbīstamiem.

Starp citu, saskaņā ar Krievijas ekonomistu aprēķiniem, saglabājot pašreizējo periodiskās tabulas 92 elementu ražošanas ātrumu, tās rezerves izpētītajās raktuvēs visā pasaulē līdz 2030. gadam jau būs noplicinātas. Tāpēc zinātnieki nākotnē cer uz kodolsintēzi kā lētas un pieejamas enerģijas avotu.

Pin
Send
Share
Send
Send