اورانیوم به عنوان منبع نیرو در راکتورهای هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد و برای ساخت اولین بمب اتمی که در سال 1945 در هیروشیما پرتاب شد مورد استفاده قرار می گیرد. اورانیوم به عنوان سنگ معدن به نام pitchblende استخراج می شود و از چندین ایزوتوپ با وزن اتمی و چندین سطح مختلف تشکیل شده است. از رادیواکتیویته برای استفاده در واکنشهای شکافت ، تعداد ایزوتوپها 235U باید به حدی برسد که آماده شکافتن در راکتور یا بمب باشد. این فرایند غنی سازی اورانیوم نامیده می شود و روش های مختلفی برای انجام آن وجود دارد.
گام
روش 1 از 7: فرآیند غنی سازی اساسی
مرحله 1. تصمیم بگیرید که اورانیوم برای چه مواردی استفاده می شود
بیشتر اورانیوم استخراج شده تنها حدود 0.7 درصد دارد 235U ، که بیشتر بقیه آن ایزوتوپ است 238ثبات تر U. نوع واکنش شکافتی که می خواهید با اورانیوم انجام دهید ، میزان افزایش آن را تعیین می کند 235شما باید طوری عمل کنید که اورانیوم بتواند به طور مثر مورد استفاده قرار گیرد.
- اورانیوم مورد استفاده در اکثر موتورهای قدرت هسته ای باید تا 3-5 درصد غنی شود 235U. (برخی از راکتورهای هسته ای ، مانند راکتور CANDU در کانادا و راکتور Magnox در انگلستان ، برای استفاده از اورانیوم غنی شده طراحی شده اند.)
- در مقابل ، اورانیوم ، که برای بمب اتمی و کلاهک استفاده می شود ، باید تا 90 درصد غنی شود. 235U.
مرحله 2. سنگ معدن اورانیوم را به گاز تبدیل کنید
اکثر روشهای غنی سازی اورانیوم موجود در حال حاضر نیاز به تبدیل سنگ اورانیوم به گاز با درجه حرارت پایین دارد. گاز فلورین معمولاً به دستگاه تبدیل سنگ معدن پمپ می شود. گاز اکسید اورانیوم با فلورین واکنش داده و هگزا فلوراید اورانیوم (UF) تولید می کند6) سپس گاز برای جداسازی و جمع آوری ایزوتوپ ها پردازش می شود 235U.
مرحله 3. اورانیوم را غنی کنید
بخشهای بعدی این مقاله فرایندهای مختلف موجود برای غنی سازی اورانیوم را شرح می دهد. از بین همه فرایندها ، انتشار گاز و سانتریفیوژ گاز دو مورد رایج هستند ، اما انتظار می رود جداسازی ایزوتوپ لیزر جایگزین این دو شود.
مرحله 4. گاز UF را تغییر دهید6 به دی اکسید اورانیوم (UO)2).
پس از غنی سازی ، اورانیوم برای استفاده به صورت دلخواه باید به حالت جامد پایدار تبدیل شود.
دی اکسید اورانیوم که به عنوان سوخت برای راکتورهای هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد ، به شکل دانه های سرامیکی ساخته می شود که در لوله های فلزی پیچیده شده اند تا به میله ای تا ارتفاع 4 متر تبدیل شوند
روش 2 از 7: فرآیند انتشار گاز
مرحله 1. پمپ گاز گاز UF6 از طریق لوله
مرحله 2. گاز را از طریق یک فیلتر یا غشای متخلخل پمپ کنید
به دلیل ایزوتوپ 235U از ایزوتوپ سبک تر است 238U ، UF6 ایزوتوپهای سبک تر نسبت به ایزوتوپهای سنگینتر سریعتر در غشا پراکنده می شوند.
مرحله 3. فرآیند انتشار را تکرار کنید تا مقدار کافی وجود داشته باشد 235U جمع آوری شد
انتشار مکرر طبقه بندی می شود. برای فیلتراسیون کافی می تواند تا 1400 فیلتراسیون از طریق غشای متخلخل طول بکشد 235U برای غنی سازی خوب اورانیوم
مرحله 4. تراکم گاز UF6 به شکل مایع
هنگامی که گاز به اندازه کافی غنی شده است ، گاز به صورت مایع متراکم می شود ، سپس در ظرفی ذخیره می شود ، در آنجا سرد می شود و جامد می شود تا منتقل شود و به دانه های سوخت تبدیل شود.
با توجه به مقدار زیادی فیلتر مورد نیاز ، این فرآیند انرژی زیادی می طلبد بنابراین متوقف می شود. در ایالات متحده ، تنها یک کارخانه غنی سازی انتشار گاز باقی مانده است که در پادوکا ، کنتاکی واقع شده است
روش 3 از 7: فرآیند سانتریفیوژ گاز
مرحله 1. تعدادی سیلندر دوار با سرعت بالا نصب کنید
این سیلندر سانتریفیوژ است. سانتریفیوژ به صورت سری یا موازی نصب می شود.
مرحله 2. جریان UF. گاز6 به چرخنده
سانتریفیوژ از شتاب گریز از مرکز برای رساندن گاز حاوی استفاده می کند 238U سنگین تر به دیواره سیلندر و حاوی گاز است 235U سبک تر به مرکز استوانه.
مرحله 3. گازهای جدا شده را استخراج کنید
مرحله 4. دو گاز جدا شده را در دو سانتریفیوژ جداگانه مجددا پردازش کنید
گاز غنی 235U به سانتریفیوژ فرستاده شد 235U هنوز بیشتر استخراج می شود ، در حالی که گاز حاوی آن است 235U کاهش یافته در سانتریفیوژ دیگری تغذیه می شود تا استخراج شود 235باقیمانده U. این به سانتریفیوژ اجازه می دهد تا مقدار بیشتری استخراج کند 235U را می توان با فرایند انتشار گاز استخراج کرد.
فرآیند سانتریفیوژ گازی برای اولین بار در دهه 1940 توسعه یافت ، اما تا سال 1960 ، هنگامی که توانایی آن برای انجام فرایندهای غنی سازی اورانیوم با انرژی کمتر اهمیت زیادی پیدا کرد ، مورد استفاده قابل توجهی قرار نگرفت. در حال حاضر ، کارخانه فرآیند سانتریفیوژ گازی در ایالات متحده در یونیس ، نیومکزیکو قرار دارد. در مقابل ، روسیه در حال حاضر دارای چهار کارخانه از این نوع است ، ژاپن و چین هر کدام دو کارخانه دارند ، در حالی که انگلستان ، هلند و آلمان هر کدام یک کارخانه دارند
روش 4 از 7: فرایند جداسازی آیرودینامیکی
مرحله 1. یک سری استوانه های باریک و ثابت ایجاد کنید
مرحله 2. گاز UF را تزریق کنید6 با سرعت بالا وارد سیلندر شوید.
گاز به داخل سیلندر شلیک می شود که باعث می شود گاز مانند یک سیکلون بچرخد ، بنابراین نوعی جداسازی ایجاد می شود 235U و 238همان U در فرآیند سانتریفیوژ دوار.
یکی از روشهای توسعه یافته در آفریقای جنوبی تزریق گاز به سیلندرها در کنار یکدیگر است. این روش در حال حاضر با ایزوتوپ های سبک تری مانند آنهایی که در سیلیکون یافت می شود ، آزمایش می شود
روش 5 از 7: فرآیند انتشار حرارتی مایع
مرحله 1. گاز UF را مایع کنید6 تحت فشار.
مرحله 2. یک جفت لوله کنسانتره درست کنید
لوله باید به اندازه کافی بالا باشد ، زیرا لوله بلندتر امکان جداسازی بیشتر ایزوتوپ ها را فراهم می کند 235U و 238U.
مرحله 3. لوله را با یک لایه آب بپوشانید
با این کار قسمت بیرونی لوله خنک می شود.
مرحله 4. پمپ UF6 مایع بین لوله ها
مرحله 5. لوله داخلی را با بخار گرم کنید
گرما باعث ایجاد جریان همرفت در UF می شود6 که ایزوتوپ را جذب می کند 235U سبک تر به سمت لوله داخلی گرمتر و ایزوتوپ را هل می دهد 238U سنگین تر به سمت لوله بیرونی سردتر
این فرایند در سال 1940 به عنوان بخشی از پروژه منهتن مورد تحقیق قرار گرفت ، اما در مراحل اولیه توسعه و با توسعه کارآمدتر فرآیندهای انتشار گاز رها شد
روش 6 از 7: فرایند جداسازی ایزوتوپ های الکترومغناطیسی
مرحله 1. یونیزاسیون گاز UF6.
مرحله 2. گاز را از یک میدان مغناطیسی قوی عبور دهید
مرحله 3 ایزوتوپ های اورانیوم یونیزه را بر اساس آثار به جا مانده از میدان مغناطیسی جدا کنید
یون 235U دنباله ای با قوس متفاوتی نسبت به یون باقی می گذارد 238U. یونها را می توان برای غنی سازی اورانیوم جدا کرد.
این روش برای پردازش اورانیوم برای بمب اتمی که در 1945 در هیروشیما انداخته شد استفاده شد و همچنین روش غنی سازی است که عراق در برنامه تسلیحات هسته ای خود در سال 1992 استفاده کرد. این روش 10 برابر انرژی بیشتری نسبت به انتشار گازی نیاز دارد ، و این را برای برنامه غیر عملی می کند. غنی سازی در مقیاس بزرگ
روش 7 از 7: فرایند جداسازی ایزوتوپ لیزر
مرحله 1. لیزر را روی یک رنگ خاص تنظیم کنید
پرتو لیزر باید به طور کامل دارای یک طول موج خاص (تک رنگ) باشد. این طول موج فقط اتم ها را هدف قرار می دهد 235U ، و اجازه دهید اتم 238U تحت تأثیر قرار نمی گیرند.
مرحله 2. اشعه لیزر را بر روی اورانیوم بتابانید
برخلاف سایر فرآیندهای غنی سازی اورانیوم ، مجبور نیستید از گاز هگزافلوراید اورانیوم استفاده کنید ، اگرچه اکثر فرآیندهای لیزری این کار را انجام می دهند. همچنین می توانید از اورانیوم و آلیاژهای آهن به عنوان منبع اورانیوم استفاده کنید که در فرایند جداسازی ایزوتوپ لیزر بخار اتمی (AVLIS) استفاده می شود.
مرحله 3. استخراج اتم های اورانیوم با الکترون های برانگیخته
اتمی خواهد بود 235U.
نکات
برخی از کشورها برای بازیابی اورانیوم و پلوتونیوم موجود در آن که طی فرآیند شکافت تشکیل شده بود ، سوخت هسته ای مصرفی را مجدداً پردازش کردند. اورانیوم بازفرآوری شده باید از ایزوتوپ خارج شود 232U و 236U در حین شکافت تشکیل می شود و اگر غنی شود ، باید به درجه بالاتری از اورانیوم "تازه" غنی شود زیرا 236U نوترون ها را جذب می کند و در نتیجه فرایند شکافت را مهار می کند. بنابراین ، اورانیوم دوباره پردازش شده باید جدا از اورانیوم که برای اولین بار غنی سازی شده بود ، ذخیره شود.
هشدار
- اورانیوم فقط رادیواکتیویته ضعیفی را منتشر می کند. با این حال ، هنگامی که به گاز UF تبدیل می شود6، تبدیل به یک ماده شیمیایی سمی می شود که با آب واکنش داده و اسید هیدروفلوریک خورنده ایجاد می کند. (این اسید معمولاً "اسید اچینگ" نامیده می شود زیرا از آن برای تراش شیشه استفاده می شود.) بنابراین ، کارخانه های غنی سازی اورانیوم نیاز به اقدامات حفاظتی مشابه کارخانه های شیمیایی با فلورین دارند که شامل دور نگه داشتن گاز UF می شود.6 بیشتر اوقات تحت فشار کم بمانید و در مناطقی که به فشار زیاد نیاز است از یک سطح اضافی مهار استفاده کنید.
- اورانیوم بازفرآوری شده باید در محفظه های ضخیم ذخیره شود ، زیرا 232U موجود در آن به عناصری تبدیل می شود که تابش گامای قوی از خود ساطع می کنند.
- اورانیوم غنی شده معمولاً تنها یکبار قابل پردازش مجدد است.
