Korisni savjeti

Obogaćivanje urana

Obogaćivanje urana je jedan od ključnih koraka u stvaranju nuklearnog oružja. U nuklearnim reaktorima i bombama djeluje samo određena vrsta urana.

Izdvajanje ove vrste urana od šire rasprostranjene sorte zahtijeva veliku inženjersku vještinu, uprkos činjenici da je tehnologija potrebna za to već desetljećima. Zadatak nije smisliti kako odvojiti uranij, već izgraditi i pokrenuti opremu potrebnu za dovršavanje ovog zadatka.

Atomi urana, poput atoma elemenata koji se u prirodi nalaze u različitim vrstama, nazivaju se izotopi. (Svaki izotop ima različit broj neutrona u svom jezgru.) Uranijum-235, izotop koji čini manje od 1 procenta svih prirodnih urana, osigurava gorivo za nuklearne reaktore i nuklearne bombe, dok uranijum-238, izotop koji čini 99 posto prirodni uranijum, nema nuklearnu upotrebu.

Stepeni obogaćivanja urana

Nuklearna lančana reakcija podrazumijeva da će najmanje jedan neutron iz raspada uranijumovog atoma uhvatiti drugi atom i, u skladu s tim, prouzrokovati će njegov raspad. U prvom aproksimaciji to znači da se neutron mora "posrnuti" na atomu 235 U prije nego što napusti reaktor. To znači da bi dizajn s uranijumom trebao biti dovoljno kompaktan, tako da je vjerovatnoća pronalaska sljedećeg atoma urana za neutron dovoljno velika. No, kako reaktor 235 U djeluje, on se postupno sagorijeva, što smanjuje vjerojatnost da će neutron naići na atom 235 U, što ih prisiljava da polože određenu granicu ove vjerojatnosti u reaktore. U skladu s tim, nizak udio 235 U nuklearnog goriva zahtijeva:

  • veći volumen reaktora tako da neutron bude u njemu duže
  • veći udio reaktorske zapremine treba zauzeti gorivom kako bi se povećala vjerojatnost sudara neutrona i atoma urana,
  • češće je potrebno ponovno puniti gorivo u svježe da bi se održavala dana dana nasipna gustina od 235 U,
  • visok udio vrijednih 235 U u potrošenom gorivu.

U procesu poboljšanja nuklearne tehnologije pronađena su ekonomski i tehnološki optimalna rješenja koja zahtijevaju porast sadržaja od 235 U u gorivu, odnosno obogaćivanje urana.

U nuklearnom oružju je zadatak obogaćivanja gotovo isti: potrebno je da u izuzetno kratkom vremenu nuklearne eksplozije, maksimalni broj 235 atoma U pronađe svoj neutron, propadne i oslobađa energiju. Za to je potrebna najveća moguća nasipna gustoća atoma 235 U, što je moguće postići krajnjim obogaćivanjem.

Stupni obogaćivanja urana [uredi |

Ključ za odvajanje

Ključno za njihovo razdvajanje je to što atomi urana-235 teže nešto manje od atoma urana-238.

Da bi odvojili sitnu količinu uranijuma-235 koja je prisutna u svakom prirodnom uzorku uranijumske rude, inženjeri prvo pretvaraju uranij u plin pomoću hemijske reakcije.

Zatim se plin uvodi u cijev za centrifugu u cilindričnom obliku veličine osobe ili više. Svaka cijev rotira na svojoj osi nevjerojatno velikim brzinama, povlačeći teže molekule plina uranijuma-238 u sredinu cijevi, ostavljajući lakše molekule plina uranijuma-235 bliže ivicama cijevi gdje se mogu usisati.

Svaki put kada se plin rotira u centrifugi, iz smjese se uklanja samo mala količina plina uranijuma-238, pa se cijevi koriste serijski. Svaka centrifuga izvadi malo urana-238, a zatim lagano pročišćenu mješavinu plina prenese u sljedeću cijev, itd.

Konverzija uranijumskog plina

Nakon odvajanja plinovitog uranijuma-235 u mnogim fazama centrifuga, inženjeri koriste drugačiju kemijsku reakciju kako bi pretvorili uranijumski plin nazad u čvrsti metal. Taj se metal kasnije može formirati za upotrebu u reaktorima ili bombama.

Budući da svaki korak samo malu količinu čisti smjesu uranijuma, zemlje mogu priuštiti samo pokretanje centrifuga koje su dizajnirane na najviši stupanj učinkovitosti. U suprotnom, proizvodnja čak i male količine čistog uranijuma-235 postaje neizmjerno skupa.

A dizajn i proizvodnja ovih cijevi za centrifugu iziskuju određeni nivo ulaganja i tehničkog znanja izvan domašaja mnogih zemalja. Za cijevi su potrebne posebne vrste čelika ili smjese koje podnose značajan pritisak tijekom rotacije, moraju biti u potpunosti cilindrične i izrađene od specijaliziranih strojeva koje je teško izgraditi.

Evo primjera bombe koju su Sjedinjene Države bacile na Hirošimu. Za izradu bombe potrebno je 62 kg uranijuma-235, prema "izgradnji atomske bombe" (Simon i Schuster, 1995.).

Odvajanje tih 62 kg od gotovo 4 tone uranijumske rude dogodilo se u najvećoj svjetskoj zgradi i iskoristilo je 10 posto električne energije u zemlji. „Za izgradnju objekta bilo je potrebno 20 000 ljudi, 12.000 ljudi je upravljalo objektom, a 1944. oprema je koštala više od 500 miliona dolara.“ To je oko 7,2 milijarde dolara u 2018. godini.

Zašto je obogaćeni uranijum tako užasan?

Uranijum ili plutonijum s oružjem opasan je u svom čistom obliku iz jednog jednostavnog razloga: iz njih se, uz određenu tehničku bazu, može napraviti eksplozivna nuklearna naprava.

Na slici je shematski prikaz jednostavne nuklearne bojeve glave. Naboji 1 i 2 nuklearnog goriva nalaze se unutar ljuske. Svaki od njih jedan je od dijelova čitave kugle i teži nešto manje od kritične mase metala oružja koji se koristi u bombi.

Kad se eksplodira naboj TNT-a, ingoti uranijuma 1 i 2 se kombiniraju u jedan, njihova ukupna masa sigurno prelazi kritičnu masu ovog materijala, što dovodi do reakcije nuklearnog lanca i, posljedično, do atomske eksplozije.

Činilo bi se da nije ništa komplicirano, ali u stvarnosti to, naravno, nije tako. U suprotnom, na planeti bi bio red više zemalja sa nuklearnim oružjem. Štoviše, rizik da takve opasne tehnologije dođu u ruke dovoljno moćnih i razvijenih terorističkih grupa znatno bi se povećao.

Trik je u tome što su samo vrlo bogate sile s razvijenom naučnom infrastrukturom u stanju obogatiti uranijum, čak i uz trenutni razvoj tehnologije. Još je teže, bez kojeg atomski aparat ne bi radio, razdvojiti 235 i 238 izotopa urana.

Rudnici urana: istina i fikcija

U SSSR-u, na filistinskom nivou, postojala je hipoteza da osuđeni kriminalci rade u rudnicima urana, čime bi istekli svoju krivicu pred strankom i sovjetskim narodom. To, naravno, nije tačno.

Iskopavanje urana je rudarska industrija visoke tehnologije i malo je vjerovatno da bi itko priznao da radi s sofisticiranom i vrlo skupom opremom i ubojicama s pljačkašima. Štaviše, glasine da rudari uranijuma obavezno nose gas masku i olovno donje rublje takođe nisu ništa više od mita.

Uran se minira u rudnicima ponekad i do kilometra dubine. Najveće rezerve ovog elementa nalaze se u Kanadi, Rusiji, Kazahstanu i Australiji. U Rusiji jedna tona rude u prosjeku proizvede oko jedan i pol kilograma uranijuma. Ovo nikako nije najveći pokazatelj. U nekim evropskim rudnicima ta brojka dostiže 22 kg po toni.

Pozadina zračenja u rudniku otprilike je ista kao i na granici stratosfere, gdje se patkiraju civilni putnički avioni.

Uranijum ruda

Obogaćivanje uranijuma započinje odmah nakon kopanja, neposredno u blizini rudnika. Osim metala, kao i svaka druga ruda, uranijum sadrži otpadnu stijenu. Početna faza obogaćivanja svodi se na razvrstavanje kaldrme podignute iz rudnika: one bogate uranijumom i siromašne. Bukvalno se svaki komad izvaga, mjeri strojevima i, ovisno o svojstvima, šalje u određeni tok.

Tada se mlin ulazi u igru, melje rudu bogatu uranijumom u sitan prah. Međutim, ovo nije uranijum, već samo njegov oksid. Dobijanje čistog metala je najsloženiji lanac hemijskih reakcija i transformacija.

Međutim, nije dovoljno samo izolirati čisti metal od početnih hemijskih spojeva. Od ukupnog urana koji se nalazi u prirodi 99% zauzima izotop 238, a njegov 235. pandan manje od jedan posto. Razdvajanje ih je vrlo težak zadatak, koji ne može riješiti svaka država.

Metoda obogaćivanja difuzijom plina

Ovo je prva metoda kojom se uran obogatio. I dalje se koristi u SAD-u i Francuskoj. Na osnovu razlike u gustoći 235 i 238 izotopa. Uranijumski plin oslobođen iz oksida upumpava se pod visokim pritiskom u komoru odvojenu membranom. Atomi 235 izotopa su lakši, stoga se od primljenog dijela topline kreću brže od „sporih“ atoma urana 238, odnosno češće i intenzivnije tuku o membranu. Prema zakonima teorije vjerojatnosti, vjerovatnije je da će oni ući u jedan od mikropora i biti na drugoj strani ove membrane.

Efikasnost ove metode je mala, jer je razlika između izotopa vrlo, vrlo mala. Ali kako načiniti obogaćeni uranijum prikladnim za upotrebu? Odgovor se koristi ovom metodom mnogo, puno puta. Da bi se dobio uran pogodan za proizvodnju goriva iz reaktora u termoelektrani, sistem difuzije plina za difuziju ponavlja se nekoliko stotina puta.

Recenzije stručnjaka o ovoj metodi su miješane. S jedne strane, metoda razdvajanja plinskom difuzijom prva je koja SAD pruža visokokvalitetni uranijum, što ih čini privremeno liderima u vojnoj sferi. S druge strane, smatra se da difuzija plina stvara manje otpada. Jedino što u ovom slučaju ne uspijeva je visoka cijena konačnog proizvoda.

Metoda centrifuge

Ovo je razvoj sovjetskih inženjera. Trenutno, pored Rusije, postoji određeni broj zemalja u kojima je uranijum obogaćen metodom otkrivenom u SSSR-u. To su Brazil, Velika Britanija, Njemačka, Japan i neke druge države. Metoda je slična tehnologiji difuzije plina po tome što koristi masu razlike 235 i 238 izotopa.

Uranijumski plin vrti se u centrifugi do 1.500 o / min. Zbog različitih gustoća, na izotope utječu centrifugalne sile različitih veličina. Uran 238 se, kao teži, nakuplja u blizini zidova centrifuge, dok se 235. izotop nalazi skuplje bliže centru. Pravna smeša se pumpa na vrh cilindra. Prošavši put do dna centrifuge, izotopi se imaju vremena da se djelomično odvoje i odaberu odvojeno.

Unatoč činjenici da metoda također ne osigurava 100% odvajanje izotopa, a da bi se postigao potrebni stupanj obogaćivanja mora se višekratno koristiti, mnogo je ekonomski učinkovitiji od difuzije plina. Tako je obogaćeni uranij u Rusiji pomoću tehnologije centrifuge oko 3 puta jeftiniji od onog dobivenog na američkim membranama.

Primjena obogaćenog urana

Zašto je sve ovo komplicirano i skupo crvena traka s pročišćavanjem, odvajanjem metala od oksida, odvajanjem izotopa? Jedna perilica obogaćenog urana 235, koja se koristi u nuklearnoj energiji (od takvih „pilula“ su sastavljene šipke - šipke za gorivo), težine 7 grama zamjenjuje oko tri litre barela benzina ili oko tonu uglja.

Obogaćeni i osiromašeni uranij koristi se različito ovisno o čistoći i omjeru 235 i 238 izotopa.

Isotope 235 gorivo je energetski veće. Obogaćenim uranom smatra se kada je sadržaj 235 izotopa veći od 20%. To je osnova nuklearnog oružja.

Obogaćene energetski zasićene sirovine se zbog ograničene mase i veličine koriste i kao gorivo za nuklearne reaktore u podmornicama i svemirskim brodovima.

Osiromašeni uranijum, koji sadrži uglavnom 238 izotopa, gorivo je za civilne stacionarne nuklearne reaktore. Prirodni uranijumski reaktori smatraju se manje eksplozivnim.

Uzgred, prema proračunima ruskih ekonomista, zadržavajući trenutnu stopu proizvodnje od 92 elementa periodične tablice, njene će se rezerve u istraženim rudnicima širom svijeta već potrošiti do 2030. godine. Zato se znanstvenici raduju fuziji kao izvoru jeftine i pristupačne energije u budućnosti.