Uranium wordt gebruikt als energiebron in kernreactoren en werd gebruikt om de eerste atoombom te maken, die in 1945 op Hiroshima werd gedropt. Uranium wordt gewonnen als een erts dat pekblende wordt genoemd en is samengesteld uit verschillende isotopen van atoomgewicht en verschillende niveaus van radioactiviteit. Voor gebruik bij splijtingsreacties is het aantal isotopen 235U moet worden verhoogd tot een niveau dat klaar is voor splijting in de reactor of bom. Dit proces wordt uraniumverrijking genoemd en er zijn verschillende manieren om dit te doen.
Stap
Methode 1 van 7: Basisverrijkingsproces
Stap 1. Bepaal waarvoor het uranium wordt gebruikt
Het meeste gewonnen uranium bevat slechts ongeveer 0,7 procent 235U, waarbij het grootste deel van de rest de isotoop is 238stabielere U Het type splijtingsreactie dat je wilt maken met uranium bepaalt hoeveel van een toename 235U moet ervoor zorgen dat uranium effectief kan worden gebruikt.
- Het uranium dat in de meeste kernenergiemotoren wordt gebruikt, moet worden verrijkt tot 3-5 procent 235U. (Sommige kernreactoren, zoals de CANDU-reactor in Canada en de Magnox-reactor in het Verenigd Koninkrijk, zijn ontworpen om niet-verrijkt uranium te gebruiken.)
- Daarentegen moet uranium, dat wordt gebruikt voor atoombommen en kernkoppen, worden verrijkt tot 90 procent 235u.
Stap 2. Verander uraniumerts in gas
De meeste van de momenteel beschikbare uraniumverrijkingsmethoden vereisen dat het uraniumerts wordt omgezet in een gas op lage temperatuur. Fluorgas wordt meestal in de ertsconversiemachine gepompt; uraniumoxidegas reageert met fluor om uraniumhexafluoride (UF6). Het gas wordt vervolgens verwerkt om de isotopen te scheiden en te verzamelen 235u.
Stap 3. Verrijk uranium
Latere secties van dit artikel beschrijven de verschillende processen die beschikbaar zijn om uranium te verrijken. Van alle processen zijn gasdiffusie en gascentrifugatie de twee meest voorkomende, maar de verwachting is dat laserisotoopscheiding de twee zal vervangen.
Stap 4. UF-gas wijzigen6 naar uraniumdioxide (UO2).
Eenmaal verrijkt, moet het uranium worden omgezet in een stabiele vaste vorm voor gebruik naar wens.
Uraniumdioxide dat als brandstof voor kernreactoren wordt gebruikt, wordt verwerkt tot keramische kernkorrels die in metalen buizen worden gewikkeld, zodat ze staven worden tot 4 m hoog
Methode 2 van 7: Gasdiffusieproces
Stap 1. Pomp UF-gasgas6 door de pijp.
Stap 2. Pomp het gas door een filter of poreus membraan
Door de isotoop 235U is lichter dan de isotoop 238U, UF6 lichtere isotopen zullen sneller door het membraan diffunderen dan zwaardere isotopen.
Stap 3. Herhaal het diffusieproces totdat er genoeg is 235U verzameld.
Herhaalde diffusie wordt gelaagd genoemd. Er kan wel 1400 filtratie door een poreus membraan nodig zijn om genoeg te krijgen 235U om uranium goed te verrijken.
Stap 4. Condensatie van UF-gasgas6 in vloeibare vorm.
Zodra het gas voldoende is verrijkt, wordt het gas gecondenseerd tot een vloeistof en vervolgens opgeslagen in een container, waar het afkoelt en stolt om te worden vervoerd en verwerkt tot brandstofkorrels.
Vanwege de grote hoeveelheid filtering die nodig is, is dit proces energie-intensief en wordt het daarom stopgezet. In de Verenigde Staten is er nog maar één gasdiffusieverrijkingsfabriek in Paducah, Kentucky
Methode 3 van 7: Gascentrifugeproces
Stap 1. Installeer een aantal snel draaiende cilinders
Deze cilinder is een centrifuge. De centrifuge wordt in serie of parallel geïnstalleerd.
Stap 2. Stroom UF.gas6 in de spinner.
De centrifuge gebruikt centripetale versnelling om een gas te leveren dat 238zwaardere U naar de cilinderwand en gashoudend 235lichter U naar het midden van de cilinder.
Stap 3. Extraheer de afgescheiden gassen
Stap 4. Verwerk de twee gescheiden gassen opnieuw in twee afzonderlijke centrifuges
Rijk gas 235U werd naar een centrifuge gestuurd waar 235U wordt nog meer geëxtraheerd, terwijl het gas met 235De gereduceerde U wordt in een andere centrifuge gevoerd om te extraheren 235De resterende U Hierdoor kan centrifugeren veel meer extraheren 235U dan kan worden geëxtraheerd door het gasdiffusieproces.
Het gascentrifugeproces werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1940, maar werd pas in de jaren zestig op significante wijze gebruikt, toen het vermogen om uraniumverrijkingsprocessen met lagere energie uit te voeren belangrijk werd. Momenteel bevindt de gascentrifuge-procesfabriek in de Verenigde Staten zich in Eunice, New Mexico. Daarentegen heeft Rusland momenteel vier fabrieken van dit type, Japan en China hebben er elk twee, terwijl het Verenigd Koninkrijk, Nederland en Duitsland er elk één hebben
Methode 4 van 7: Aerodynamisch scheidingsproces
Stap 1. Maak een reeks smalle, stationaire cilinders
Stap 2. Injecteer UF-gasgas6 met hoge snelheid in de cilinder.
Er wordt gas in de cilinder geschoten op een manier die ervoor zorgt dat het gas gaat roteren als een cycloon, waardoor een soort scheiding ontstaat 235jij en ik 238dezelfde U als in het roterende centrifugeproces.
Een methode die in Zuid-Afrika is ontwikkeld, is om gas naast elkaar in cilinders te injecteren. Deze methode wordt momenteel getest met lichtere isotopen zoals die in silicium voorkomen
Methode 5 van 7: Vloeibaar thermisch diffusieproces
Stap 1. UF-gas vloeibaar maken6 onder druk.
Stap 2. Maak een paar concentraatpijpen
De leiding moet hoog genoeg zijn, omdat de hogere leiding meer isotopenscheiding mogelijk maakt 235jij en ik 238u.
Stap 3. Bedek de buis met een laagje water
Dit zal de buitenkant van de pijp koelen.
Stap 4. Pomp UF6 vloeistof tussen de leidingen.
Stap 5. Verwarm de binnenband met stoom
Warmte veroorzaakt convectiestromen in UF6 die de isotoop zal aantrekken 235De lichtere U richting de warmere binnenband en duwt de isotoop 238de zwaardere U richting de koelere buitenpijp.
Dit proces werd in 1940 onderzocht als onderdeel van het Manhattan Project, maar werd in een vroeg ontwikkelingsstadium verlaten toen efficiëntere gasdiffusieprocessen werden ontwikkeld
Methode 6 van 7: Elektromagnetisch isotopenscheidingsproces
Stap 1. Ionisatie van UF-gas6.
Stap 2. Leid het gas door een sterk magnetisch veld
Stap 3. Scheid de isotopen van geïoniseerd uranium op basis van de sporen die achterblijven als ze door het magnetische veld gaan
Ion 235U laat een spoor achter met een andere boog dan het ion 238U. De ionen kunnen worden geïsoleerd om uranium te verrijken.
Deze methode werd gebruikt om uranium te verwerken voor de atoombom die in 1945 op Hiroshima is gevallen en is ook de verrijkingsmethode die Irak in zijn kernwapenprogramma in 1992 gebruikte. Deze methode vereist 10 keer meer energie dan gasdiffusie, waardoor het onpraktisch is voor het programma grootschalige verrijking
Methode 7 van 7: Laserisotoopscheidingsproces
Stap 1. Stel de laser in op een specifieke kleur
De laserstraal moet volledig van één bepaalde golflengte zijn (monochromatisch). Deze golflengte richt zich alleen op atomen 235U, en laat het atoom 238U wordt niet beïnvloed.
Stap 2. Schijn een laserstraal op het uranium
In tegenstelling tot andere uraniumverrijkingsprocessen, hoeft u geen uraniumhexafluoridegas te gebruiken, hoewel de meeste laserprocessen dat wel doen. U kunt ook uranium en ijzerlegeringen gebruiken als uraniumbron, die wordt gebruikt in het Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS)-proces.
Stap 3. Extractie van uraniumatomen met aangeslagen elektronen
Het zal een atoom zijn 235u.
Tips
Sommige landen verwerken verbruikte splijtstof om het uranium en plutonium erin terug te winnen dat tijdens het splijtingsproces is gevormd. Opgewerkt uranium moet uit de isotoop worden verwijderd 232jij en ik 236U wordt gevormd tijdens splijting, en indien verrijkt, moet het worden verrijkt tot een hogere graad dan "vers" uranium omdat 236U absorbeert neutronen en remt zo het splijtingsproces. Opgewerkt uranium moet daarom gescheiden worden opgeslagen van uranium dat voor het eerst is verrijkt.
Waarschuwing
- Uranium zendt slechts een zwakke radioactiviteit uit; echter, wanneer verwerkt tot UF.gas6wordt het een giftige chemische stof die reageert met water om bijtend fluorwaterstofzuur te vormen. (Dit zuur wordt gewoonlijk "etszuur" genoemd omdat het wordt gebruikt om glas te etsen.) Daarom vereisen uraniumverrijkingsfabrieken dezelfde beschermende maatregelen als chemische fabrieken die met fluor werken, waaronder het op afstand houden van UF-gas.6 blijf meestal onder lage druk en gebruik een extra inperkingsniveau in gebieden waar hoge druk vereist is.
- Opgewerkt uranium moet worden opgeslagen in dikke omhulsels, omdat: 232De U daarin valt uiteen in elementen die sterke gammastraling uitzenden.
- Verrijkt uranium kan meestal maar één keer worden opgewerkt.
