Naudingi patarimai

Urano sodrinimas

Pin
Send
Share
Send
Send


Urano sodrinimas yra vienas iš pagrindinių žingsnių kuriant branduolinius ginklus. Branduoliniuose reaktoriuose ir bombose veikia tik tam tikras urano tipas.

Nepaisant to, kad tam reikalinga technologija egzistuoja dešimtmečius, norint atskirti šio tipo uraną nuo plačiau paplitusios, reikia didelių inžinerinių įgūdžių. Užduotis yra ne išsiaiškinti, kaip atskirti uraną, o sukonstruoti ir paleisti įrangą, reikalingą šiai užduočiai atlikti.

Urano atomai, kaip ir elementų atomai, randami gamtoje daugybėje rūšių, yra vadinami izotopais. (Kiekvieno izotopo branduolyje yra skirtingas neutronų skaičius.) Uranas-235, izotopas, sudarantis mažiau nei 1 procentą viso urano, tiekia branduolinius reaktorius ir branduolines bombas, o uranas-238 - izotopas, kuris sudaro 99 procentus. natūralus uranas, neturi branduolinio panaudojimo.

Urano sodrinimo laipsniai

Branduolinė grandininė reakcija reiškia, kad bent vieną neutroną nuo urano atomo skilimo užfiksuoja kitas atomas ir atitinkamai sukels jo skilimą. Pirmuoju artinimu, tai reiškia, kad prieš išeidamas iš reaktoriaus, neutronas turi „suklupti“ ant 235 U atomo. Tai reiškia, kad konstrukcija su uranu turėtų būti pakankamai kompaktiška, kad tikimybė surasti kitą neutrono urano atomą būtų pakankamai didelė. Tačiau kai 235 U reaktorius veikia, jis palaipsniui išdegia, todėl sumažėja tikimybė, kad neutronas susitiks su 235 U atomu, ir tai verčia juos nustatyti tam tikrą šios tikimybės ribą reaktoriuose. Atitinkamai, atsižvelgiant į mažą 235 U kiekį branduoliniame kure, būtina:

  • didesnis reaktoriaus tūris, kad neutronas jame būtų ilgesnis
  • didesnę reaktoriaus tūrio dalį turėtų užimti degalai, kad padidėtų neutronų ir urano atomų susidūrimo tikimybė,
  • dažniau reikia perkrauti degalus į šviežius, kad reaktoriuje būtų išlaikytas nurodytas 235 U tūris,
  • didelė vertingo 235 U panaudoto kuro dalis.

Tobulinant branduolinę technologiją, buvo rasti ekonomiškai ir technologiškai optimalūs sprendimai, kuriems reikėjo padidinti 235 U kiekį degaluose, tai yra praturtinti uraną.

Branduoliniuose ginkluose praturtinimo užduotis yra beveik ta pati: reikalaujama, kad per ypač trumpą branduolinio sprogimo laiką maksimalus 235 U atomų skaičius atrastų savo neutroną, skilimą ir išlaisvintų energiją. Tam reikalingas didžiausias įmanomas 235 U atomų tūrinis tankis, kuris pasiekiamas maksimaliai praturtėjus.

Urano sodrinimo laipsniai [taisyti |

Raktas į atsiskyrimą

Jų atskyrimo pagrindas yra tas, kad urano-235 atomai sveria šiek tiek mažiau nei urano-238 atomai.

Norėdami atskirti mažą urano-235 kiekį, esantį kiekviename natūraliame urano rūdos pavyzdyje, inžinieriai pirmiausia paverčia uraną dujomis, naudodamiesi chemine reakcija.

Tada dujos įpilamos į centrifugos vamzdelį, kurio cilindro formos yra žmogus ar daugiau. Kiekvienas vamzdis sukasi apie savo ašį neįtikėtinai dideliu greičiu, traukdamas sunkesnes urano-238 dujų molekules į vamzdžio centrą, palikdamas lengvesnes urano-235 dujų molekules arčiau vamzdžio kraštų, kur jas galima išsiurbti.

Kiekvieną kartą, kai dujos sukasi centrifugoje, iš mišinio pašalinamas tik nedidelis kiekis urano-238 dujų, todėl vamzdžiai naudojami nuosekliai. Kiekviena centrifuga ištraukia šiek tiek urano-238, o po to šiek tiek išgrynintą dujų mišinį perpila į kitą vamzdį ir pan.

Urano dujų konversija

Po to, kai dujinis uranas-235 buvo atskirtas daugelyje centrifugos etapų, inžinieriai naudoja kitokią cheminę reakciją, paversdami urano dujas atgal į kietą metalą. Vėliau šis metalas gali būti suformuotas naudoti reaktoriuose arba bombose.

Kadangi kiekviename etape urano dujų mišinys išvalomas tik nedideliu kiekiu, šalys gali sau leisti vykdyti tik tas centrifugas, kurios yra suprojektuotos taip, kad būtų kuo efektyvesnės. Priešingu atveju net nedidelio gryno urano-235 kiekio gamyba tampa nepaprastai brangi.

Šių centrifugos vamzdžių projektavimui ir gamybai reikalingos tam tikros investicijos ir techninės žinios, neprieinamos daugeliui šalių. Vamzdžiams reikalingos specialios plieno rūšys arba mišiniai, kurie sukimo metu atlaiko didelį slėgį, turi būti visiškai cilindriniai ir pagaminti specializuotų mašinų, kurias sunku pastatyti.

Štai sprogimo, kurį JAV numetė ant Hirosimos, pavyzdys. Remiantis „atominės bombos pastatymu“ (Simon and Schuster, 1995) bombai pagaminti reikia 62 kg urano-235.

Šie 62 kg atsiskyrė nuo beveik 4 tonų urano rūdos didžiausiame pasaulyje pastate ir sunaudojo 10 procentų šalies elektros. „Pastato statybai prireikė 20 000 žmonių, 12 000 žmonių jį eksploatavo. 1944 m. Jo įrengimas kainavo daugiau nei 500 mln. USD.“ Tai 2018 m. Sudarė apie 7,2 mlrd.

Kodėl sodrintas uranas yra toks baisus?

Uranas arba ginklų klasės plutonis gryna forma yra pavojingi dėl vienos paprastos priežasties: iš jų, turint tam tikrą techninę bazę, gali būti pagamintas sprogstamasis branduolinis įtaisas.

Paveikslėlyje pavaizduota schematiškai parodyta paprasta branduolinė galvutė. 1 ir 2 branduolinio kuro ruošiniai yra korpuso viduje. Kiekviena iš jų yra viena iš viso rutulio dalių ir sveria šiek tiek mažiau nei bomba naudojamo ginklo metalo kritinė masė.

Kai detonuojamas TNT detonuojantis užtaisas, 1 ir 2 urano luitai sujungiami į vieną, jų bendra masė neabejotinai viršija šios medžiagos kritinę masę, kuri sukelia branduolinę grandininę reakciją ir atitinkamai atominį sprogimą.

Atrodytų, nieko sudėtingo, tačiau iš tikrųjų tai, žinoma, nėra taip. Priešingu atveju planetoje būtų daugiau masto šalių, turinčių branduolinius ginklus. Be to, labai padidėtų rizika, kad tokios pavojingos technologijos pateks į pakankamai galingų ir išsivysčiusių teroristų grupuočių rankas.

Apgaulė ta, kad tik labai turtingos jėgos, turinčios išvystytą mokslinę infrastruktūrą, gali praturtinti uraną, net ir plėtojant dabartinę technologiją. Dar sunkiau, be kurio atominis prietaisas neveiktų, atskirti 235 ir 238 urano izotopus.

Urano kasyklos: tiesa ir fantastika

SSRS filistinų lygmenyje buvo iškelta hipotezė, kad pasmerkti nusikaltėliai dirba urano kasyklose, taip išaiškindami savo kaltę prieš partiją ir sovietų žmones. Tai, be abejo, netiesa.

Urano gavyba yra aukštųjų technologijų kasybos pramonė ir mažai tikėtina, kad kas nors būtų prisipažinęs dirbantis su sudėtinga ir labai brangia įranga bei įkyriais žudikais su plėšikais. Be to, gandai, kad urano kalnakasiai būtinai dėvi dujokaukę ir švino apatinius, taip pat yra ne kas kita, kaip mitas.

Uranas kasamas kasyklose, kurios kartais būna iki kilometro gylio. Didžiausios šio elemento atsargos yra Kanadoje, Rusijoje, Kazachstane ir Australijoje. Rusijoje iš vienos tonos rūdos pagaminama vidutiniškai apie pusantro kilogramo urano. Tai toli gražu nėra didžiausias rodiklis. Kai kuriose Europos kasyklose šis skaičius siekia 22 kg už toną.

Spinduliuotės fonas minoje yra beveik toks pat kaip stratosferos pasienyje, kur pataisomi civiliniai keleiviniai orlaiviai.

Urano rūda

Urano sodrinimas prasideda iškart po kasybos, tiesiai šalia kasyklos. Be metalo, kaip ir bet kuri kita rūda, urane taip pat yra uolienų atliekų. Pradiniame sodrinimo etape reikia rūšiuoti iš minos iškeltus akmenukus: turtingus urano turinčius ir vargingus. Iš tikrųjų kiekvienas gabalas yra pasveriamas, matuojamas mašinomis ir, atsižvelgiant į savybes, siunčiamas į tam tikrą srautą.

Tuomet žaidžia malūnas, šlifuojantis urano turtingą rūdą į smulkius miltelius. Tačiau tai nėra uranas, o tik jo oksidas. Gryno metalo gavimas yra pati sudėtingiausia cheminių reakcijų ir transformacijų grandinė.

Tačiau nepakanka gryno metalo išskirti iš pradinių cheminių junginių. 99% viso urano, esančio gamtoje, užima 238 izotopas, o jo 235 ekvivalentas yra mažiau nei vienas procentas. Juos atskirti yra labai sunki užduotis, kurią išspręsti gali ne kiekviena šalis.

Dujų difuzijos sodrinimo metodas

Tai yra pirmasis būdas, kuriuo uranas buvo praturtintas. Jis vis dar naudojamas JAV ir Prancūzijoje. Remiantis 235 ir 238 izotopų tankio skirtumu. Iš oksido išsiskiriančios urano dujos aukšto slėgio sąlygomis pumpuojamos į kamerą, atskirtą membrana. Izotopo 235 atomai yra lengvesni, todėl iš gaunamos šilumos dalies jie juda greičiau nei atitinkamai „lėti“ urano atomai 238, dažniau ir intensyviau sumušdami membraną. Pagal tikimybių teorijos dėsnius, jie labiau linkę patekti į vieną iš mikroporų ir būti kitoje šios membranos pusėje.

Šio metodo efektyvumas yra mažas, nes skirtumas tarp izotopų yra labai, labai mažas. Bet kaip padaryti, kad praturtintas uranas būtų tinkamas naudoti? Atsakymas yra šio metodo taikymas daugybę kartų. Norint gauti urano, tinkamo kurui gaminti iš reaktoriaus jėgainėje, dujų difuzinio apdorojimo sistema pakartojama kelis šimtus kartų.

Ekspertų nuomonės apie šį metodą yra nevienodos. Viena vertus, dujų difuzijos atskyrimo metodas yra pirmasis, aprūpinantis JAV aukštos kokybės uraną, paverčiant juos laikinai karinės srities lyderiu. Kita vertus, manoma, kad dujų difuzija sukelia mažiau atliekų. Vienintelis dalykas, kuris šiuo atveju nepavyksta, yra aukšta galutinio produkto kaina.

Centrifugos metodas

Tai yra sovietų inžinierių vystymasis. Šiuo metu, be Rusijos, yra nemažai šalių, kuriose uranas yra sodrinamas SSRS atrastu metodu. Tai yra Brazilija, Didžioji Britanija, Vokietija, Japonija ir kai kurios kitos valstybės. Metodas yra panašus į dujų difuzijos technologiją tuo, kad jame naudojamas 235 ir 238 izotopų masių skirtumas.

Urano dujos sukasi centrifugoje iki 1500 aps / min. Dėl skirtingo tankio izotopus veikia skirtingo dydžio išcentrinės jėgos. Uranas 238, kaip sunkesnis, kaupiasi šalia centrifugos sienų, o 235-asis izotopas kaupiasi arčiau centro. Dujų mišinys pumpuojamas į baliono viršutinę dalį. Išėję centrifugos dugną, izotopai turi laiko iš dalies atsiskirti ir yra parinkti atskirai.

Nepaisant to, kad metodas taip pat neužtikrina 100% izotopų atskyrimo, o norint pasiekti reikiamą sodrinimo laipsnį, jį reikia naudoti pakartotinai, jis yra daug ekonomiškai efektyvesnis nei dujų difuzija. Taigi praturtintas uranas Rusijoje, naudojant centrifugos technologiją, yra maždaug 3 kartus pigesnis nei tas, kuris gaunamas ant amerikietiškų membranų.

Praturtintas urano panaudojimas

Kodėl visa tai sudėtinga ir brangi biurokratinė našta su gryninimu, metalų atskyrimu nuo oksidų, izotopų atskyrimu? Vienas praturtinto urano 235, panaudoto branduolinėje energijoje, plovykla (iš tokių „tablečių“ yra surenkamų strypų - kuro strypų), sverianti 7 gramus, pakeičia maždaug tris 200 litrų barelį benzino arba maždaug toną anglių.

Praturtintas ir nusodrintas uranas yra naudojamas skirtingai, atsižvelgiant į 235 ir 238 izotopų grynumą ir santykį.

Izotopas 235 yra daug energijos reikalaujantis kuras. Praturtintas uranas laikomas, kai 235 izotopų yra daugiau kaip 20%. Tai yra branduolinių ginklų pagrindas.

Dėl ribotos masės ir dydžio, praturtintos energija prisotintos žaliavos taip pat naudojamos kaip povandeninių laivų ir kosminių laivų branduolinių reaktorių kuras.

Nusodrintasis uranas, kuriame daugiausia 238 izotopai, yra kuras civiliniams stacionariems branduoliniams reaktoriams. Natūralaus urano reaktoriai laikomi mažiau sprogstamaisiais.

Beje, remiantis Rusijos ekonomistų skaičiavimais, išlaikant dabartinį periodinės lentelės 92 elementų gamybos tempą, jo atsargos tyrinėtose kasyklose visame pasaulyje jau bus išeikvotos iki 2030 m. Štai kodėl mokslininkai ateityje tikisi sintezės kaip pigios ir prieinamos energijos šaltinio.

Pin
Send
Share
Send
Send