Hyödyllisiä vinkkejä

Uraanin rikastaminen

Uraanin rikastaminen on yksi avainasemista ydinaseiden luomisessa. Vain tietyn tyyppinen uraani toimii ydinreaktoreissa ja pommeissa.

Tämän tyyppisen uraanin erottaminen laajemmasta lajikkeesta vaatii suurta suunnittelutaitoa huolimatta siitä, että tätä varten tarvittava tekniikka on ollut olemassa jo vuosikymmenien ajan. Tehtävänä ei ole selvittää, miten uraani erotetaan, vaan rakentaa ja käyttää laitteita, jotka ovat tarpeen tämän tehtävän suorittamiseksi.

Uraaniatomeja, kuten elementtiatomeja, joita löytyy luonnossa monista, kutsutaan isotoopeiksi. (Jokaisella isotoopilla on erilainen neutronien lukumäärä ytimessä.) Uraani-235, isotooppi, joka muodostaa alle yhden prosentin kaikesta luonnollisesta uraanista, tarjoaa polttoainetta ydinreaktoreille ja ydinpommeille, kun taas uraani-238, isotooppi, joka muodostaa 99 prosenttia luonnollinen uraani, sillä ei ole ydinkäyttöä.

Uraanin rikastusaste

Ydinketjureaktio merkitsee sitä, että ainakin yksi uraaniatomin hajoamisesta syntyvä neutroni tarttuu toiseen atomiin ja vastaavasti aiheuttaa sen hajoamisen. Ensimmäisessä lähestymisessä tämä tarkoittaa, että neutronin täytyy "kompastua" 235 U-atomiin ennen lähtöä reaktorista. Tämä tarkoittaa, että uraanin kanssa käytettävän mallin tulee olla riittävän kompakti, jotta todennäköisyys löytää seuraava neutraalin uraaniatomi on riittävän suuri. Mutta kun 235 U -reaktori toimii, se palautuu vähitellen, mikä vähentää 235 U-atomin tapaavan neutronin todennäköisyyttä, mikä pakottaa heidät asettamaan tietyn marginaalin tämän todennäköisyyden reaktoriin. Niinpä pieni 235 U: n osuus ydinpolttoaineessa edellyttää:

  • suurempi reaktoritilavuus niin, että neutroni on siinä pidempi
  • suuremman osan reaktorin tilavuudesta tulisi käyttää polttoaineella neutronin ja uraaniatomin törmäyksen todennäköisyyden lisäämiseksi,
  • useammin vaaditaan polttoaineen lataamista uudelleen tuoreeseen, jotta reaktorissa oleva tietyn tilavuuden tiheys 235 U säilyisi,
  • korkea osuus arvokasta 235 U käytetyssä polttoaineessa.

Ydinteknologian parantamisprosessissa löydettiin taloudellisesti ja teknisesti optimaalisia ratkaisuja, jotka vaativat 235 U: n lisäystä polttoaineessa, toisin sanoen uraanin rikastamista.

Ydinaseissa rikastustehtävä on melkein sama: vaaditaan, että erittäin lyhyessä ajassa ydinräjähdyksestä enimmäismäärä 235 U-atomia löytää neutronin, rappeutumisen ja vapauttaa energiaa. Tätä varten tarvitaan atomien 235 U suurin mahdollinen bulkkitiheys, mikä on saavutettavissa äärimmäisellä rikastamisella.

Uraanin rikastusaste [muokkaa |

Avain erotteluun

Avain niiden erotteluun on, että uraani-235-atomit painavat hieman vähemmän kuin uraani-238-atomit.

Jokaisessa uraanimalmin luonnollisessa näytteessä olevan pienen määrän uraani-235 erottamiseksi insinöörit muuntavat uraanin ensin kaasuksi kemiallisen reaktion avulla.

Sitten kaasu johdetaan sentrifugiputkeen, jonka sylinterimäinen muoto on vähintään ihmisen kokoinen. Jokainen putki pyörii akselillaan uskomattoman suurilla nopeuksilla vetämällä raskaampia uraani-238-kaasumolekyylejä putken keskelle, jolloin kevyemmät uraani-235-kaasumolekyylit pysyvät lähempänä putken reunoja, joista ne voidaan imeä pois.

Aina kun kaasua pyöritetään sentrifugissa, seoksesta poistetaan vain pieni määrä uraani-238-kaasua, joten putkia käytetään sarjassa. Jokainen sentrifugi vetää vähän uraania-238 ja siirtää sitten hiukan puhdistetun kaasuseoksen seuraavaan putkeen jne.

Uraanikaasun muuntaminen

Sen jälkeen kun kaasumainen uraani-235 on erotettu sentrifugoinnin monissa vaiheissa, insinöörit käyttävät erilaista kemiallista reaktiota muuntaakseen uraanikaasun takaisin kiinteään metalliin. Tämä metalli voidaan myöhemmin muodostaa käytettäväksi joko reaktoreissa tai pommeissa.

Koska jokainen vaihe puhdistaa vain pienen määrän uraanikaasuseosta, maat voivat varata vain sentrifugien suorittamisen, jotka on suunniteltu korkeimmalle hyötysuhteelle. Muutoin pienenkin määrän puhtaan uraani-235: n tuotannosta tulee kohtuuttoman kallista.

Ja näiden sentrifugiputkien suunnittelu ja valmistus vaatii tietyn tason investointeja ja teknistä osaamista monien maiden ulottumattomissa. Putket vaativat erityyppisiä teräksiä tai seoksia, jotka kestävät merkittävää painetta pyörimisen aikana, niiden on oltava täysin lieriömäisiä ja valmistettu erikoistuneiden koneiden avulla, joita on vaikea rakentaa.

Tässä on esimerkki pommista, jonka Yhdysvallat pudotti Hiroshimaan. Pommin tekeminen vie 62 kg uraani-235: tä "atomipommin rakentamisen" mukaan (Simon ja Schuster, 1995).

Nämä 62 kg erotettiin melkein 4 tonnista uraanimalmista maailman suurimmassa rakennuksessa, ja se käytti 10 prosenttia maan sähköstä. "Laitoksen rakentaminen kesti 20 000 ihmistä, 12 000 ihmistä käytti laitosta, ja vuonna 1944 sen varustaminen maksoi yli 500 miljoonaa dollaria." Se on noin 7,2 miljardia dollaria vuonna 2018.

Miksi rikastettu uraani on niin kauhea?

Uraani tai aseasetyyppinen plutonium on vaarallinen puhtaassa muodossaan yksinkertaisesta syystä: niistä voidaan tietyn teknisen perustan avulla valmistaa räjähtävä ydinlaite.

Kuvio esittää kaaviomaisesti yksinkertaista ydinaseita. Ydinpolttoaineen kannet 1 ja 2 ovat vaipan sisällä. Jokainen niistä on yksi koko pallon palloista ja painaa hieman vähemmän kuin pommissa käytetyn asemetallin kriittinen massa.

Kun räjähdyspanos TNT räjäytetään, uraaniharkot 1 ja 2 yhdistetään yhdeksi, niiden kokonaismassa ylittää varmasti tämän materiaalin kriittisen massan, mikä johtaa ydinketjureaktioon ja sen seurauksena atomiräjähdykseen.

Se ei tunnu olevan mitään monimutkaista, mutta todellisuudessa tämä ei tietenkään ole niin. Muutoin planeetalla olisi joukko suuruusluokkaa enemmän maita, joilla on ydinaseita. Lisäksi vaara, että tällaiset vaaralliset tekniikat joutuvat riittävän voimakkaiden ja kehittyneiden terroristiryhmien käsiin, kasvaa huomattavasti.

Temppu on, että vain erittäin rikkaat voimat, joilla on kehittynyt tieteellinen infrastruktuuri, kykenevät rikastamaan uraania jopa nykyisellä tekniikan kehityksellä. Vielä vaikeampaa, ilman jota atomaattinen laite ei toimisi, erota 235- ja 238-uraani-isotoopit.

Uraanikaivokset: totuus ja fiktio

Neuvostoliitossa, filistealaisen tasolla, oli hypoteesi, jonka mukaan tuomittu rikolliset työskentelevät uraanikaivoksissa ja paljastavat siten syyllisyytensä puolueen ja Neuvostoliiton kansalaisten edessä. Tämä ei tietenkään ole totta.

Uraanin louhinta on korkean teknologian kaivosteollisuus, ja on epätodennäköistä, että kukaan olisi myöntänyt työskentelevänsä hienostuneilla ja erittäin kalliilla laitteilla ja epätoivoisilla tappajilla ryöstäjien kanssa. Lisäksi huhut, että uraanikaivosten käyttäjät välttämättä käyttävät kaasunaamaria ja lyijyalusvaatteita, ovat myös vain myytti.

Uraania louhitaan kaivoksissa, joiden syvyys on jopa kilometri. Tämän elementin suurimmat varannot ovat Kanadassa, Venäjällä, Kazakstanissa ja Australiassa. Venäjällä yksi tonni malmia tuottaa keskimäärin puolitoista kilogrammaa uraania. Tämä ei ole mitenkään suurin indikaattori. Joissakin eurooppalaisissa kaivoksissa tämä luku on 22 kg tonnilta.

Säteilytausta kaivoksessa on suunnilleen sama kuin stratosfäärin rajalla, missä siviili matkustajalentokoneita korjataan.

Uraanimalmi

Uraanin rikastaminen alkaa heti kaivoksen jälkeen, suoraan kaivoksen lähellä. Metallin lisäksi, kuten minkä tahansa muun malmin, uraani sisältää jätekiviä. Rikastumisen alkuvaiheessa lajitellaan kaivoksesta nostetut mukulakivit: uraanirikkaat ja köyhät. Jokainen kappale punnitaan kirjaimellisesti, mitataan koneilla ja lähetetään ominaisuuksista riippuen tiettyyn virtaan.

Sitten mylly tulee peliin, jauhamalla uraanirikas malmi hienoksi jauheeksi. Tämä ei kuitenkaan ole uraania, vaan vain sen oksidi. Puhtaan metallin saaminen on monimutkaisin kemiallisten reaktioiden ja muutosten ketju.

Ei kuitenkaan riitä, että eristetään puhdas metalli lähtöaineista. Luonnon sisältämästä uraanista 99% on isotoopin 238 varassa, ja sen 235. vastine on vähemmän kuin yksi prosentti. Niiden erottaminen on erittäin vaikea tehtävä, jota kaikki maat eivät pysty ratkaisemaan.

Kaasun diffuusiorikastusmenetelmä

Tämä on ensimmäinen menetelmä, jolla uraania rikastettiin. Sitä käytetään edelleen Yhdysvalloissa ja Ranskassa. Perustuu 235- ja 238-isotooppien tiheyseroon. Oksidista vapautunut uraanikaasu pumpataan korkeassa paineessa kalvon erottamaan kammioon. Isotoopin atomit 235 ovat kevyempiä, joten ne siirtyvät vastaanotetusta lämmön osasta nopeammin kuin vastaavasti vastaavasti “hitaat” uraaniatomit 238, lyövät useammin ja voimakkaammin kalvoa vasten. Todennäköisyysteorian lakien mukaan ne pääsevät todennäköisemmin yhteen mikroporeihin ja sijaitsevat tämän kalvon toisella puolella.

Tämän menetelmän tehokkuus on pieni, koska ero isotooppien välillä on hyvin, hyvin pieni. Mutta miten tehdä rikastettu uraani käyttökelpoiseksi? Vastaus on soveltaa tätä menetelmää monta, monta kertaa. Polttoaineen valmistukseen sopivan uraanin saamiseksi voimalaitoksen reaktorista kaasun diffuusiokäsittelyjärjestelmä toistetaan useita satoja kertoja.

Asiantuntija-arviot tästä menetelmästä ovat erilaisia. Yhtäältä kaasun diffuusioerotusmenetelmä tarjoaa ensimmäisenä Yhdysvalloille korkealaatuista uraania, mikä tekee niistä väliaikaisesti johtajan armeijan alueella. Toisaalta kaasun diffuusion uskotaan tuottavan vähemmän jätettä. Ainoa asia, joka epäonnistuu tässä tapauksessa, on lopputuotteen korkea hinta.

Sentrifugointimenetelmä

Tämä on neuvostoliittolaisten insinöörien kehitys. Nykyään on Venäjän lisäksi useita maita, joissa uraania rikastetaan Neuvostoliitossa löydetyllä menetelmällä. Nämä ovat Brasilia, Iso-Britannia, Saksa, Japani ja jotkut muut valtiot. Menetelmä on samanlainen kuin kaasudiffuusiotekniikka siinä mielessä, että siinä käytetään 235- ja 238-isotooppien massaeroa.

Uraanikaasu pyörii sentrifugissa nopeuteen 1 500 rpm. Eri tiheyksistä johtuen erikokoiset keskipakoisvoimat vaikuttavat isotooppeihin. Uraani 238, kuten raskaampi, kertyy lähellä sentrifugin seinää, kun taas 235. isotooppi kerääntyy lähemmäksi keskustaa. Kaasuseos pumpataan sylinterin yläosaan. Isotoopeilla on kulunut tie sentrifugin pohjalle, joten niiden on aika erota osittain ja ne valitaan erikseen.

Huolimatta siitä, että menetelmä ei myöskään tarjoa isotooppien 100-prosenttista erotusta ja tarvittavan rikastuvuusasteen saavuttamiseksi sitä on käytettävä toistuvasti, se on taloudellisesti paljon tehokkaampi kuin kaasun diffuusio. Täten rikastettu uraani Venäjällä käyttäen sentrifugitekniikkaa on noin 3 kertaa halvempi kuin amerikkalaisilla kalvoilla saatu.

Rikastettu uraanisovellus

Miksi kaikki tämä monimutkainen ja kallis byrokratia sisältää puhdistuksen, metallien erottamisen oksideista, isotooppien erottamisen? Yksi rikastetun uraanin 235 pesulaite, ydinenergialla käytetyistä (sellaisista "pillereistä" muodostuvat kootut sauvat - polttoainesauvat), painaa 7 grammaa, korvaa noin kolme 200 litran tynnyriä bensiiniä tai noin tonni hiiltä.

Rikastettua ja köyhdytettyä uraania käytetään eri tavalla 235- ja 238-isotooppien puhtaudesta ja suhteesta riippuen.

Isotooppi 235 on energiaintensiivisempi polttoaine. Rikastettua uraania pidetään, kun 235 isotoopin pitoisuus on yli 20%. Tämä on ydinaseiden perusta.

Rikastettuja energiakyllästettyjä raaka-aineita käytetään myös sukellusveneiden ja avaruusalusten ydinreaktorien polttoaineina rajoitetun massan ja koon vuoksi.

Köyhdytetty uraani, joka sisältää pääasiassa 238 isotooppia, on polttoaine paikallaan oleville siviili-ydinreaktoreille. Luonnollisia uraanireaktoreita pidetään vähemmän räjähtävinä.

Muuten, venäläisten taloustieteilijöiden laskelmien mukaan säilyttäen jaksollisen taulukon nykyisen 92 osan tuotantomäärät, sen varannot tutkituissa kaivoksissa ympäri maailmaa ovat jo loppuun mennessä vuoteen 2030 mennessä. Siksi tutkijat odottavat fuusiota tulevaisuuden halvan ja edullisen energian lähteenä.