Faydalı Bilgiler

Uranyum zenginleştirme

Uranyum zenginleştirme nükleer silah yaratmada önemli adımlardan biridir. Nükleer reaktörlerde ve bombalarda yalnızca belirli bir uranyum türü çalışıyor.

Bu tür uranyumun daha yaygın bir çeşitlilikten ayrılması, bunun için gerekli teknolojinin on yıllardır var olmasına rağmen, mükemmel bir mühendislik becerisi gerektiriyor. Görev uranyumun nasıl ayrılacağına karar vermek değil, bu görevi tamamlamak için gerekli ekipmanı inşa etmek ve işletmektir.

Uranyum atomları, doğadaki çeşitli bulunan element atomları gibi izotoplar olarak adlandırılır. (Her izotopun çekirdeğinde farklı sayıda nötron vardır.) Tüm doğal uranyumun yüzde 1'inden azını oluşturan izotop olan Uranyum-235, yüzde 99'unu oluşturan izotop olan uranyum-238, nükleer reaktörler ve nükleer bombalar için yakıt sağlar. doğal uranyumun nükleer kullanımı yoktur.

Uranyum Zenginleştirme Dereceleri

Bir nükleer zincir reaksiyonu, bir uranyum atomunun çürümesinden en az bir nötronun başka bir atom tarafından yakalanacağını ve buna bağlı olarak çürümesine neden olacağını ima eder. İlk yaklaşımda, bu, nötronun reaktörden ayrılmadan önce 235 U atomunda "yanılması" gerektiği anlamına gelir. Bu, uranyum içeren tasarımın, nötron için bir sonraki uranyum atomunu bulma ihtimalinin yeterince yüksek olması için yeterince kompakt olması gerektiği anlamına gelir. Fakat 235 U reaktörü çalıştıkça, yavaş yavaş tükenir, bu da onları 235 U atomuyla karşılaşan bir nötron olasılığını azaltarak reaktörlerde bu ihtimalin belli bir sınırını koymaya zorlar. Buna göre, nükleer yakıtta düşük 235 U oranı:

  • nötronun içinde daha uzun olması için daha büyük bir reaktör hacmi
  • Bir nötron ve bir uranyum atomunun çarpışma olasılığını arttırmak için reaktör hacminin daha büyük bir kısmının yakıt tarafından doldurulması gerekir,
  • daha sık reaktörde belirli bir 235 U'luk kütle yoğunluğunu korumak için yakıtın tekrar taze olarak doldurulması gerekir,
  • harcanan yakıtta yüksek oranda değerli 235 U.

Nükleer teknolojiyi geliştirme sürecinde, yakıtta 235 U içeriğinde, yani uranyum zenginleştirmesinde artış gerektiren ekonomik ve teknolojik açıdan en uygun çözümler bulundu.

Nükleer silahlarda zenginleştirme görevi neredeyse aynı: Nükleer patlamanın son derece kısa bir sürede, maksimum 235 U atomunun nötronlarını bulması, çürümesi ve enerjiyi serbest bırakması gerekiyor. Bunun için, nihai zenginleştirme ile elde edilebilecek maksimum atom yoğunluğu 235 U gereklidir.

Uranyum Zenginleştirme Dereceleri [değiştir |

Ayrılmanın anahtarı

Ayrılmalarının anahtarı, uranyum-235 atomlarının uranyum-238 atomlarından biraz daha hafif olmasıdır.

Her doğal uranyum cevheri örneğinde bulunan uranyum-235 miktarını ayırmak için, mühendisler önce kimyasal bir reaksiyon kullanarak uranyumu gaza dönüştürürler.

Daha sonra gaz, bir kişinin boyutunu veya daha fazlasını silindir biçiminde bir santrifüj tüpüne verilir. Her tüp kendi ekseni üzerinde inanılmaz yüksek hızlarda dönerek daha ağır uranyum-238 gaz moleküllerini tüpün ortasına çekerek daha hafif uranyum-235 gaz moleküllerini emilebilecekleri tüpün kenarlarına yaklaştırır.

Gaz bir santrifüjde her döndürüldüğünde, karışımdan sadece az miktarda uranyum-238 gazı uzaklaştırılır, böylece borular seri olarak kullanılır. Her santrifüj biraz uranyum-238 çeker ve ardından hafifçe saflaştırılmış gaz karışımını bir sonraki boruya, vb. Aktarır.

Uranyum gazı dönüşümü

Gazlı uranyum-235'in santrifüjlerin birçok aşamasında ayrılmasından sonra mühendisler, uranyum gazını tekrar katı metale dönüştürmek için farklı bir kimyasal reaksiyon kullanır. Bu metal daha sonra reaktörlerde veya bombalarda kullanılmak üzere oluşturulabilir.

Her adım uranyum gazı karışımını yalnızca az miktarda temizlediğinden, ülkeler yalnızca en yüksek verimlilik seviyesinde tasarlanmış santrifüjleri çalıştırabilir. Aksi takdirde, az miktarda saf uranyum-235'in bile üretimi engelleyici bir şekilde pahalı hale gelir.

Bu santrifüj tüplerinin tasarımı ve üretimi, birçok ülkenin erişiminin ötesinde belirli düzeyde bir yatırım ve teknik bilgi birikimi gerektirir. Borular, dönme sırasında önemli bir basınca dayanabilen özel çelik tipleri veya karışımları gerektirir, tamamen silindirik olmalı ve yapımı zor özel makineler tarafından yapılmalıdır.

İşte ABD'nin Hiroşima'ya düşürdüğü bir bomba örneği. “Atom bombası inşa etmek” e göre bomba yapmak 62 kg uranyum-235 alır (Simon ve Schuster, 1995).

Bu 62 kg'ın yaklaşık 4 ton uranyum cevherinden ayrılması dünyanın en büyük binasında meydana geldi ve ülke elektriğinin yüzde 10'unu kullandı. “Tesisin kurulması 20.000 kişiyi aldı, 12.000 kişi tesisi işletti ve 1944'te bunun 500 milyon dolardan fazlaya mal olduğunu” söyledi. Bu 2018'de yaklaşık 7.2 milyar dolar.

Zenginleştirilmiş uranyum neden bu kadar korkunç?

Uranyum veya silah sınıfı plütonyum tek bir nedenden dolayı saf haliyle tehlikelidir: onlardan belirli bir teknik temele sahip, patlayıcı bir nükleer cihaz yapılabilir.

Şekil basit bir nükleer savaş başlığının şematik bir gösterimini göstermektedir. 1 ve 2 nükleer yakıt kütüğü kabuğun içindedir. Bunların her biri, tüm topun parçalarından biridir ve bombada kullanılan silah metalinin kritik kütlesinden biraz daha azdır.

TNT patlama yükü patladığında, uranyum külçeleri 1 ve 2 bire birleştirilir, toplam kütleleri kesinlikle bu maddenin kritik kütlesini aşar ve bu da nükleer zincir reaksiyonuna ve dolayısıyla da bir atom patlamasına yol açar.

Bu karmaşık bir şey değil gibi görünüyor, ama gerçekte bu, elbette öyle değil. Aksi takdirde, gezegende nükleer silah bulunan daha fazla ülke olacak. Dahası, bu tür tehlikeli teknolojilerin yeterince güçlü ve gelişmiş terörist grupların eline geçme riski büyük ölçüde artacaktır.

İşin püf noktası, yalnızca gelişmiş bilimsel altyapıya sahip olan çok zengin güçlerin, mevcut teknolojinin gelişmesine rağmen uranyumu zenginleştirebilmesidir. Daha da zor, atomik cihazın çalışmadığı durumlarda, 235 ve 238 uranyum izotoplarını ayırın.

Uranyum Madenleri: Gerçek ve Kurgu

SSCB'de, filistin düzeyinde, mahkum suçluların uranyum madenlerinde çalıştığı, dolayısıyla parti ve Sovyet halkı önünde suçluluklarını sona erdiren bir hipotez vardı. Bu elbette doğru değil.

Uranyum madenciliği, yüksek teknolojili bir madencilik endüstrisidir ve herkesin karmaşık ve çok pahalı ekipmanlarla çalışabileceğini ve katilleri soyguncuyla canlandırdığını kabul etmesi pek olası değildir. Ayrıca, uranyum madencilerinin mutlaka bir gaz maskesi ve kurşun iç çamaşırları giydiği söylentileri de bir efsaneden başka bir şey değildir.

Uranyum bazen bir kilometreye kadar olan madenlerde mayınlı. Bu elementin en büyük rezervi Kanada, Rusya, Kazakistan ve Avustralya'da bulunmaktadır. Rusya'da, bir ton cevher ortalama olarak bir buçuk kilo uranyum üretiyor. Bu hiçbir şekilde en büyük gösterge değildir. Bazı Avrupa madenlerinde, bu rakam ton başına 22 kg'a ulaşmaktadır.

Madendeki radyasyon geçmişi, sivil yolcu uçaklarının yamalı olduğu stratosfer sınırındaki ile aynı.

Uranyum cevheri

Zenginleştiren uranyum doğrudan maden ocağının yakınında, madencilikten hemen sonra başlar. Metale ek olarak, diğer tüm cevherler gibi uranyum da atık kaya içerir. Zenginleştirmenin ilk aşaması, madenden toplanan kaldırım taşı taşları: uranyum bakımından zengin ve fakir olanlar. Kelimenin tam anlamıyla, her parça tartılır, makineler tarafından ölçülür ve özelliklere bağlı olarak belirli bir akışa gönderilir.

Ardından uranyum bakımından zengin cevherin ince toz halinde öğütülmesiyle bir değirmen devreye girer. Ancak, bu uranyum değil, sadece oksittir. Saf metal almak, kimyasal reaksiyonların ve dönüşümlerin en karmaşık zinciridir.

Bununla birlikte, sadece saf metalin başlangıçtaki kimyasal bileşiklerden izole edilmesi yeterli değildir. Doğada bulunan toplam uranyumun% 99'u izotop 238 tarafından işgal edilir ve 235'in karşılığı ise% 1'den azdır. Bunları ayırmak, her ülkenin çözemeyeceği çok zor bir iştir.

Gaz difüzyon zenginleştirme yöntemi

Uranyumun zenginleştirildiği ilk yöntem budur. Hala ABD ve Fransa'da kullanılıyor. 235 ve 238 izotoplarının yoğunluğundaki farka göre. Oksitten salınan uranyum gazı, yüksek basınç altında bir zarla ayrılmış bir odaya pompalanır. İzotopun 235 atomları daha hafiftir, bu nedenle ısının alınan kısmından sırasıyla "yavaş" uranyum atomlarından 238 daha hızlı hareket ederler, zara karşı daha sık ve daha yoğun şekilde vururlar. Olasılık teorisi yasalarına göre, mikroporlardan birine girme ve bu zarın diğer tarafında olma olasılığı daha yüksektir.

Bu yöntemin etkinliği azdır, çünkü izotoplar arasındaki fark çok, çok küçüktür. Fakat zenginleştirilmiş uranyumun kullanıma nasıl uygun hale getirileceği? Cevap, bu yöntemi pek çok kez uygulamaktır. Bir enerji santralindeki bir reaktörden yakıt üretmeye uygun uranyum elde etmek için, gaz difüzyon işlem sistemi birkaç yüz kez tekrarlanır.

Bu yöntemle ilgili uzman yorumları karışık. Bir yandan, gaz difüzyon ayırma yöntemi, Amerika Birleşik Devletleri'ne yüksek kalitede uranyum sağlayan ilk yöntem olup, onları geçici olarak askeri alanda bir lider haline getirmiştir. Öte yandan, gaz difüzyonunun daha az atık ürettiği düşünülmektedir. Bu durumda başarısız olan tek şey nihai ürünün yüksek fiyatıdır.

Santrifüj yöntemi

Sovyet mühendislerinin gelişimi budur. Şu anda, Rusya'ya ek olarak, SSCB'de keşfedilen yöntemle uranyumun zenginleştirildiği birkaç ülke var. Bunlar Brezilya, İngiltere, Almanya, Japonya ve diğer bazı eyaletlerdir. Yöntem, 235 ve 238 izotoplarının kütle farkını kullanması nedeniyle gaz difüzyon teknolojisine benzer.

Uranyum gazı santrifüjde 1.500 rpm'ye döner. Farklı yoğunluklardan dolayı, izotoplar, farklı boyutlardaki merkezkaç kuvvetlerinden etkilenir. Uranyum 238, daha ağır olarak, santrifüjün duvarlarının yakınında birikirken, 235'inci izotop merkeze daha yakındır. Gaz karışımı, silindirin üstüne pompalanır. Santrifüjün dibine giden yolu geçtikten sonra, izotopların kısmen ayrılma zamanları vardır ve ayrıca seçilirler.

Yöntemin ayrıca izotopların% 100 ayrılmasını sağlamadığı ve gerekli zenginleştirme derecesine ulaşmak için tekrar tekrar kullanılması gerektiği gerçeğine rağmen, gaz difüzyonundan çok daha ekonomiktir. Bu nedenle, Rusya'daki santrifüj teknolojisi kullanılarak zenginleştirilmiş uranyum, Amerikan membranlarından elde edilenden yaklaşık 3 kat daha ucuzdur.

Zenginleştirilmiş Uranyum Uygulaması

Neden tüm bu karmaşık ve pahalı bürokrasi saflaştırma, oksitlerden metal ayrımı, izotopların ayrılması ile ilgilidir? Nükleer enerjide kullanılanların (bu tür “haplardan”) zenginleştirilmiş uranyum 235'ten oluşan bir rondela, 7 gram ağırlığında, yaklaşık 200 litrelik varil veya yaklaşık bir ton kömürün yerine geçer.

Zenginleştirilmiş ve tükenmiş uranyum, 235 ve 238 izotoplarının saflığına ve oranına bağlı olarak farklı şekillerde kullanılır.

İzotop 235 daha fazla enerji harcayan bir yakıttır. Zenginleştirilmiş uranyum, 235 izotop içeriğinin% 20'den fazla olduğu durumlarda göz önünde bulundurulur. Bu nükleer silahların temelidir.

Zenginleştirilmiş enerji doymuş hammaddeler, denizaltılarda ve uzay gemilerinde sınırlı kütle ve büyüklük nedeniyle nükleer reaktörler için yakıt olarak da kullanılır.

Çoğunlukla 238 izotop içeren tükenmiş uranyum sivil sabit nükleer reaktörler için bir yakıttır. Doğal uranyum reaktörleri daha az patlayıcı olarak kabul edilir.

Bu arada, Rus ekonomistlerinin hesaplamalarına göre, periyodik tablonun 92 elementinin mevcut üretim hızını korurken, dünyadaki keşfedilmiş madenlerde rezervleri 2030 yılına kadar tükenecek. Bu yüzden bilim adamları gelecekte ucuz ve uygun fiyatlı bir enerji kaynağı olarak füzyon için sabırsızlanıyorlar.