Корисни савети

Обогаћивање урана

Pin
Send
Share
Send
Send


Обогаћивање урана је један од кључних корака у стварању нуклеарног оружја. У нуклеарним реакторима и бомбама делује само одређена врста уранијума.

Раздвајање ове врсте уранијума од шире распрострањене сорте захтева велику инжењерску вештину, упркос чињеници да је технологија неопходна за то постоји већ деценијама. Задатак није смислити како раздвојити уранијум, већ изградити и покренути опрему потребну за завршетак овог задатка.

Атоми урана, попут атома елемената који се у природи налазе у различитим врстама, називају се изотопи. (Сваки изотоп има различит број неутрона у свом језгру.) Уранијум-235, изотоп који чини мање од једног процента целокупног природног уранијума, обезбеђује гориво за нуклеарне реакторе и нуклеарне бомбе, док уранијум-238, изотоп који чини 99 процената природни уранијум, нема нуклеарну употребу.

Степени обогаћивања урана

Реакција нуклеарног ланца подразумева да ће бар један неутрон из распада уранијумовог атома бити заробљен другим атомом и, у складу са тим, проузроковати његово распадање. У првом апроксимацији, то значи да се неутрон мора „спотакнути“ на атом 235 У пре него што напусти реактор. То значи да би дизајн са уранијумом требао бити довољно компактан, тако да је вероватноћа проналаска следећег атома урана за неутрон довољно велика. Али како реактор 235 У дјелује, он се постепено сагорева, што смањује вероватноћу да ће се неутрон сусрести са атомом 235 У, што их присиљава да поставе одређену границу ове вероватноће у реакторима. Сходно томе, низак удио 235 У нуклеарног горива захтијева:

  • већа запремина реактора тако да неутрон буде у њему дуже
  • већи део запремине реактора треба да буде заузет горивом како би се повећала вероватноћа судара неутрона и атома уранијума,
  • чешће је потребно поновно пунити гориво у свеже да би се одржавала задата густина од 235 У у реактору,
  • висок удио вриједних 235 У у потрошеном гориву.

У процесу унапређења нуклеарне технологије пронађена су економски и технолошки оптимална решења која захтевају повећање садржаја од 235 У у гориву, односно обогаћивање уранијума.

У нуклеарном оружју је задатак обогаћивања готово исти: потребно је да у изузетно кратком времену нуклеарне експлозије, максимални број 235 атома У пронађе свој неутрон, пропадне и ослобађа енергију. За то је потребна највећа могућа насипна густина атома 235 У, што је могуће постићи крајњим обогаћивањем.

Степени обогаћивања урана [уреди |

Кључ за одвајање

Кључно за њихово раздвајање је то што атоми урана-235 теже нешто мање од атома уранијума-238.

Да би одвојили ситну количину уранијума-235 која је присутна у сваком природном узорку уранијумске руде, инжењери прво претварају уранијум у гас користећи хемијску реакцију.

Затим се гас уводи у епрувету за центрифугу у цилиндричном облику величине особе или више. Свака цев се ротира на својој оси невероватно великом брзином, повлачећи теже молекуле гаса уранијума-238 до центра цеви, остављајући лакше молекуле плина уранијума-235 ближе ивицама цеви где се могу усисати.

Сваки пут када се гас ротира у центрифуги, из смеше се уклања само мала количина уранијума-238 гаса, тако да се цеви користе серијски. Свака центрифуга извуче мало уранијума-238, а затим пребаци мало прочишћену гасну смешу у следећу цев, итд.

Конверзија уранијумског гаса

Након одвајања гасовитог уранијума-235 у многим фазама центрифуга, инжењери користе другачију хемијску реакцију да би претворили уранијумски гас назад у чврсти метал. Овај метал се касније може формирати за употребу или у реакторима или у бомбама.

Будући да сваки корак само чисти мешавину уранијумовог гаса у малој количини, земље могу приуштити само покретање центрифуга које су дизајниране на највиши ниво ефикасности. Иначе, производња чак и мале количине чистог уранијума-235 постаје неизмјерно скупа.

А дизајн и производња ових цеви за центрифугу захтева одређени ниво улагања и техничког знања изван домашаја многих земаља. Цеви захтевају посебне врсте челика или смеше које подносе значајан притисак током ротације, морају бити у потпуности цилиндричне и израђене од специјалних машина које је тешко изградити.

Ево примера бомбе коју су Сједињене Државе бациле на Хирошиму. За израду бомбе потребно је 62 кг уранијума-235, према "изградњи атомске бомбе" (Симон и Сцхустер, 1995).

Одвајање тих 62 кг од готово 4 тоне уранијумске руде догодило се у највећој светској згради и користило је 10 процената електричне енергије у земљи. „За изградњу објекта било је потребно 20 000 људи, 12.000 људи је управљало објектом, а 1944. опрема је коштала више од 500 милиона долара.“ То је око 7,2 милијарде долара у 2018. години.

Зашто је обогаћени уранијум тако ужасан?

Уранијум или плутонијум с нивоом оружја опасан је у свом чистом облику из једног простог разлога: из њих се, уз одређену техничку базу, може направити експлозивна нуклеарна направа.

Слика приказује шематски приказ једноставне нуклеарне бојеве главе. Запоке 1 и 2 нуклеарног горива налазе се унутар шкољке. Сваки од њих један је од делова целе кугле и тежи нешто мање од критичне масе метала оружја коришћеног у бомби.

Када се детонира набој ТНТ-а, уранијуми инготи 1 и 2 се комбинују у један, њихова укупна маса сигурно прелази критичну масу овог материјала, што доводи до реакције нуклеарног ланца и, следствено, атомске експлозије.

Чини се да ништа није компликовано, али у стварности то, наравно, није тако. У супротном, на планети би био ред више земаља са нуклеарним оружјем. Штавише, ризик да такве опасне технологије дођу у руке довољно моћних и развијених терористичких група знатно би се повећао.

Трик је у томе што су само врло богате силе са развијеном научном инфраструктуром у стању да обогаћују уранијум, чак и уз тренутни развој технологије. Још је теже, без којег атомски апарат не би функционисао, одвојити 235 и 238 изотопа урана.

Рудници урана: истина и фикција

У СССР-у, на филистерском нивоу, постојала је хипотеза да осуђени криминалци раде у рудницима урана, чиме је прерасла кривица пред партију и совјетски народ. То, наравно, није тачно.

Ископавање уранијума је рударска индустрија високе технологије и мало је вероватно да би неко признао да ради са софистицираном и веома скупом опремом и убеђеним убицама са разбојницима. Штавише, гласине да рудари уранијума обавезно носе гас маску и оловно доње рубље такође нису ништа више од мита.

Уранијум се минира у рудницима понекад и до километра дубине. Највеће резерве овог елемента налазе се у Канади, Русији, Казахстану и Аустралији. У Русији једна тона руде производи у просеку око један и по килограм уранијума. Ово никако није највећи показатељ. У неким европским рудницима та бројка достиже 22 кг по тони.

Зрачна позадина у руднику је приближно иста као и на граници стратосфере, где се крпају цивилни путнички авиони.

Уранијум руда

Обогаћивање уранијума почиње одмах након копања, директно у близини рудника. Поред метала, као и било које друге руде, уранијум садржи отпадну стену. Почетна фаза обогаћивања своди се на сортирање калдрме подигнуте из рудника: оне богате уранијумом и сиромашне. Буквално сваки комад се одмерава, мери машинама и, у зависности од својстава, шаље у одређени ток.

Тада долази у игру млин, који меље руду богату уранијумом у ситан прах. Међутим, ово није уранијум, већ само његов оксид. Добијање чистог метала је најсложенији ланац хемијских реакција и трансформација.

Међутим, није довољно само изоловати чисти метал од почетних хемијских једињења. Од укупног уранијума који се налази у природи 99% заузима изотоп 238, а његов 235. део је мање од један проценат. Њихово раздвајање је веома тежак задатак који не може да реши свака држава.

Метода обогаћивања дифузне дифузије

Ово је прва метода којом се уранијум обогатио. И даље се користи у САД-у и Француској. На основу разлике у густини 235 и 238 изотопа. Гас урана који се ослобађа из оксида упумпава се под високим притиском у комору одвојену мембраном. Атоми 235 изотопа су лакши, стога се од примљеног дела топлоте крећу брже од „спорих“ атома урана 238, односно чешће и интензивније туку о мембрану. Према законима теорије вероватноће, већа је вероватноћа да ће ући у један од микропора и наћи се на другој страни ове мембране.

Ефикасност ове методе је мала, јер је разлика између изотопа врло, врло мала. Али како начинити обогаћени уранијум погодним за употребу? Одговор се користи овом методом много, много пута. Да би се добио уранијум погодан за производњу горива из реактора у термоелектрани, систем за дифузију гаса се понавља неколико стотина пута.

Рецензије стручњака о овој методи су мешане. С једне стране, метода раздвајања гасовитом дифузијом прва је која САД пружа висококвалитетни уранијум, чинећи их привремено лидером у војној сфери. С друге стране, сматра се да дифузија плина ствара мање отпада. Једино што у овом случају не успева је висока цена крајњег производа.

Метода центрифуге

Ово је развој совјетских инжењера. Тренутно, поред Русије, постоји одређени број земаља урана који се обогаћују методом откривеном у СССР-у. То су Бразил, Велика Британија, Немачка, Јапан и неке друге државе. Метода је слична технологији дифузије гаса по томе што користи масу разлике 235 и 238 изотопа.

Уранијум се врти у центрифуги до 1.500 о / мин. Због различитих густина, на изотопе утичу центрифугалне силе различитих величина. Уранијум 238, као тежи, акумулира се близу зидова центрифуге, док се 235. изотоп скупља ближе центру. Правна смеша се пумпа на врх цилиндра. Прошавши пут до дна центрифуге, изотопи се имају времена да се делимично одвоје и одаберу одвојено.

Упркос чињеници да метода такође не омогућава 100% одвајање изотопа, а да би се постигао неопходан степен обогаћивања мора се користити више пута, много је економски ефикаснији од дифузије гаса. Тако је обогаћени уранијум у Русији употребом технологије центрифуге око 3 пута јефтинији од оног добијеног на америчким мембранама.

Примјена обогаћеног урана

Зашто је све ово компликовано и скупо црвена трака са пречишћавањем, одвајањем метала од оксида, одвајањем изотопа? Једна пера обогаћеног уранијума 235, која се користи у нуклеарној енергији (од таквих „пилула“ су састављене шипке - шипке за гориво), тежине 7 грама замењује око три литре барела са бензином или око тону угља.

Обогаћени и осиромашени уранијум користи се различито у зависности од чистоће и односа 235 и 238 изотопа.

Изотоп 235 гориво је енергетски веће. Обогаћен уранијумом сматра се када је садржај 235 изотопа већи од 20%. То је основа нуклеарног оружја.

Обогаћене сировине са засићеном енергијом такође се користе као гориво за нуклеарне реакторе у подморницама и свемирским бродовима због ограничене масе и величине.

Осиромашени уранијум, који садржи углавном 238 изотопа, гориво је за цивилне стационарне нуклеарне реакторе. Природни уранијуми реактори сматрају се мање експлозивним.

Узгред, према прорачунима руских економиста, задржавајући тренутну стопу производње од 92 елемента периодичне табеле, њене резерве у истраженим рудницима широм света већ ће се потрошити до 2030. године. Зато се научници радују фузији као извору јефтине и приступачне енергије у будућности.

Pin
Send
Share
Send
Send