Uran används som kraftkälla i kärnreaktorer och användes för att göra den första atombomben, som släpptes på Hiroshima 1945. Uran bryts som en malm som kallas pitchblende och består av flera isotoper med atomvikt och flera olika nivåer av radioaktivitet. För användning i klyvningsreaktioner, antal isotoper 235U måste ökas till en nivå som är redo för klyvning i reaktorn eller bomben. Denna process kallas uranberikning, och det finns flera sätt att göra det.
Steg
Metod 1 av 7: Grundläggande berikningsprocess
Steg 1. Bestäm vad uranet ska användas till
Det mesta utvunna uranet innehåller bara cirka 0,7 procent 235U, med det mesta av resten är isotopen 238mer stabilt U. Den typ av klyvningsreaktion du vill göra med uran avgör hur mycket en ökning 235Du måste göra så att uran kan användas effektivt.
- Det uran som används i de flesta kärnkraftsmotorer måste berikas till 3-5 procent 235U. (Vissa kärnreaktorer, som CANDU -reaktorn i Kanada och Magnox -reaktorn i Storbritannien, är utformade för att använda anrikat uran.)
- Däremot måste uran, som används för atombomber och stridsspetsar, berikas till 90 procent 235U.
Steg 2. Vänd uranmalm till gas
De flesta tillgängliga metoder för anrikning av uran kräver att uranmalmen omvandlas till en lågtemperaturgas. Fluorgas pumpas vanligtvis in i malmomvandlingsmaskinen; uranoxidgas reagerar med fluor för att producera uranhexafluorid (UF6). Gasen bearbetas sedan för att separera och samla isotoperna 235U.
Steg 3. Berika uran
Senare avsnitt i denna artikel beskriver de olika processerna som finns tillgängliga för att berika uran. Av alla processer är gasdiffusion och gascentrifugering de två vanligaste, men laserisotopseparation förväntas ersätta de två.
Steg 4. Byt UF -gas6 till urandioxid (UO2).
Efter berikning måste uranet omvandlas till en stabil fast form för användning som önskat.
Uraniumdioxid som används som bränsle för kärnreaktorer görs till keramiska kärnkorn som är inslagna i metallrör så att de blir stavar upp till 4 m höga
Metod 2 av 7: Gasdiffusionsprocess
Steg 1. Pumpa UF -gasgas6 genom röret.
Steg 2. Pumpa gasen genom ett filter eller ett poröst membran
På grund av isotopen 235U är lättare än isotopen 238U, UF6 lättare isotoper diffunderar snabbare genom membranet än tyngre isotoper.
Steg 3. Upprepa diffusionsprocessen tills det är tillräckligt 235U samlad.
Upprepad diffusion kallas skiktad. Det kan ta så mycket som 1400 filtrering genom ett poröst membran för att få nog 235U för att berika uran väl.
Steg 4. Kondensering av UF -gasgas6 i flytande form.
När gasen har berikats tillräckligt kondenseras gasen till en vätska och lagras sedan i en behållare, där den svalnar och stelnar för att transporteras och göras till bränslekorn.
På grund av den stora mängden filtrering som krävs är denna process energikrävande så den stoppas. I USA finns bara en anläggning för anrikning av gasdiffusion kvar i Paducah, Kentucky
Metod 3 av 7: Gascentrifugprocess
Steg 1. Installera ett antal höghastighets roterande cylindrar
Denna cylinder är en centrifug. Centrifugen installeras i serie eller parallellt.
Steg 2. Flöde UF. Gas6 in i spinnaren.
Centrifugen använder centripetalacceleration för att leverera en gasinnehållande 238tyngre U till cylinderväggen och gasinnehåll 235lättare U till cylinderns centrum.
Steg 3. Extrahera de separerade gaserna
Steg 4. Bearbeta om de två separerade gaserna i två separata centrifuger
Rik gas 235U skickades till en centrifug var 235U extraheras fortfarande mer, medan gasen innehåller 235Det reducerade U matas in i en annan centrifug för att extrahera 235Resterande U. Detta gör att centrifugering kan extrahera mycket mer 235U än kan extraheras genom gasdiffusionsprocessen.
Gascentrifugprocessen utvecklades först på 1940 -talet, men togs inte i betydande användning förrän på 1960 -talet, då dess förmåga att utföra urananrikningsprocesser med lägre energi blev viktig. För närvarande är gascentrifugprocessanläggningen i USA i Eunice, New Mexico. Däremot har Ryssland för närvarande fyra fabriker av denna typ, Japan och Kina har två vardera, medan Storbritannien, Nederländerna och Tyskland har en var
Metod 4 av 7: Aerodynamisk separationsprocess
Steg 1. Skapa en serie smala, stationära cylindrar
Steg 2. Injicera UF -gasgas6 in i cylindern med hög hastighet.
Gas eldas in i cylindern på ett sätt som får gasen att rotera som en cyklon, vilket ger en typ av separation 235U och 238samma U som i den roterande centrifugprocessen.
En metod som utvecklats i Sydafrika är att injicera gas i cylindrar sida vid sida. Denna metod testas för närvarande med lättare isotoper som de som finns i kisel
Metod 5 av 7: Flytande termisk spridningsprocess
Steg 1. Flytande UF -gas6 under press.
Steg 2. Gör ett par koncentratrör
Röret måste vara tillräckligt högt, eftersom det högre röret tillåter mer isotopseparation 235U och 238U.
Steg 3. Täck röret med ett lager vatten
Detta kommer att kyla utsidan av röret.
Steg 4. Pump UF6 vätska mellan rören.
Steg 5. Värm innerröret med ånga
Värme orsakar konvektionsströmmar i UF6 som kommer att locka isotopen 235Den lättare U mot det hetare innerröret och skjuter isotopen 238det tyngre U mot det svalare yttre röret.
Denna process undersöktes 1940 som en del av Manhattan -projektet, men övergavs i ett tidigt utvecklingsstadium när mer effektiva gasdiffusionsprocesser utvecklades
Metod 6 av 7: Elektromagnetisk isotopseparationsprocess
Steg 1. Jonisering av UF -gas6.
Steg 2. För gasen genom ett starkt magnetfält
Steg 3. Separera isotoperna för joniserat uran baserat på de spår som finns kvar när de passerar genom magnetfältet
Jon 235U lämnar ett spår med en annan båge än jonen 238U. Jonerna kan isoleras för att berika uran.
Denna metod användes för att bearbeta uran för atombomben som släpptes på Hiroshima 1945 och är också den berikningsmetod som Irak använde i sitt kärnvapenprogram 1992. Denna metod kräver 10 gånger mer energi än gasformig diffusion, vilket gör det opraktiskt för programmet. storskalig berikning
Metod 7 av 7: Laserisotopseparationsprocess
Steg 1. Ställ in lasern på en specifik färg
Laserstrålen måste vara helt av en viss våglängd (monokromatisk). Denna våglängd kommer endast att rikta sig mot atomer 235U, och låt atomen 238U påverkas inte.
Steg 2. Ljusa en laserstråle på uranet
Till skillnad från andra urananrikningsprocesser behöver du inte använda uranhexafluoridgas, även om de flesta laserprocesser gör det. Du kan också använda uran och järnlegeringar som urankälla, som används i processen Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS).
Steg 3. Extraktion av uranatomer med exciterade elektroner
Det kommer att vara atom 235U.
Tips
Vissa länder omarbetar använt kärnbränsle för att återvinna uran och plutonium i det som bildades under klyvningsprocessen. Upparbetat uran måste avlägsnas från isotopen 232U och 236U bildas under klyvning, och om det berikas måste det berikas till en högre grad än "färskt" uran eftersom 236U absorberar neutroner och hämmar därigenom klyvningsprocessen. Därför måste upparbetat uran lagras separat från uran som nyberikades för första gången.
Varning
- Uran avger endast svag radioaktivitet; dock vid bearbetning till UF -gas6, blir det en giftig kemisk substans som reagerar med vatten för att bilda frätande fluorvätesyra. (Denna syra kallas vanligen”etsningssyra” eftersom den används för att etsa glas.) Därför kräver urananrikningsanläggningar samma skyddsåtgärder som kemiska anläggningar som arbetar med fluor, vilket inkluderar att hålla UF -gas i avsikt.6 håll dig under lågt tryck för det mesta och använd en extra inneslutning i områden där högt tryck krävs.
- Upparbetat uran måste förvaras i tjocka höljen, eftersom 232U i det sönderdelas till element som avger stark gammastrålning.
- Anrikat uran kan vanligtvis bara bearbetas en gång.
