L'uranio è usato come fonte di energia nei reattori nucleari ed è stato usato per fabbricare la prima bomba atomica, che è stata sganciata su Hiroshima nel 1945. L'uranio viene estratto come un minerale chiamato pechblenda ed è composto da diversi isotopi di peso atomico e diversi livelli di radioattività. Per l'uso nelle reazioni di fissione, il numero di isotopi 235U deve essere aumentato a un livello pronto per la fissione nel reattore o nella bomba. Questo processo è chiamato arricchimento dell'uranio e ci sono diversi modi per farlo.
Fare un passo
Metodo 1 di 7: processo di arricchimento di base
Passaggio 1. Decidi per cosa verrà utilizzato l'uranio
La maggior parte dell'uranio estratto contiene solo lo 0,7 percento circa 235U, con la maggior parte del resto essendo l'isotopo 238più stabile U. Il tipo di reazione di fissione che si desidera effettuare con l'uranio determina l'entità dell'aumento 235Devi fare in modo che l'uranio possa essere usato efficacemente.
- L'uranio utilizzato nella maggior parte dei motori nucleari deve essere arricchito al 3-5 percento 235U. (Alcuni reattori nucleari, come il reattore CANDU in Canada e il reattore Magnox nel Regno Unito, sono progettati per utilizzare uranio non arricchito.)
- Al contrario, l'uranio, che viene utilizzato per bombe atomiche e testate, deve essere arricchito al 90 percento 235tu
Passaggio 2. Trasforma il minerale di uranio in gas
La maggior parte dei metodi di arricchimento dell'uranio attualmente disponibili richiedono la conversione del minerale di uranio in un gas a bassa temperatura. Il gas fluoro viene solitamente pompato nella macchina di conversione del minerale; Il gas di ossido di uranio reagisce con il fluoro per produrre esafluoruro di uranio (UF6). Il gas viene quindi elaborato per separare e raccogliere gli isotopi 235tu
Passaggio 3. Arricchire l'uranio
Le sezioni successive di questo articolo descrivono i vari processi disponibili per arricchire l'uranio. Di tutti i processi, la diffusione del gas e la centrifugazione del gas sono i due più comuni, ma si prevede che la separazione degli isotopi laser sostituirà i due.
Passaggio 4. Cambia gas UF6 al biossido di uranio (UO2).
Una volta arricchito, l'uranio deve essere convertito in una forma solida stabile per l'uso desiderato.
Il biossido di uranio utilizzato come combustibile per i reattori nucleari viene trasformato in grani di nucleo ceramico che sono avvolti in tubi metallici in modo che diventino barre alte fino a 4 m
Metodo 2 di 7: Processo di diffusione del gas
Passaggio 1. Pompare il gas UF6 attraverso il tubo.
Passaggio 2. Pompare il gas attraverso un filtro o una membrana porosa
A causa dell'isotopo 235U è più leggero dell'isotopo 238U, UF6 gli isotopi più leggeri si diffondono attraverso la membrana più rapidamente degli isotopi più pesanti.
Passaggio 3. Ripetere il processo di diffusione finché non è sufficiente 235Hai raccolto.
La diffusione ripetuta è detta stratificata. Possono essere necessarie fino a 1.400 filtrazioni attraverso una membrana porosa per ottenere abbastanza 235U per arricchire bene l'uranio.
Passaggio 4. Condensazione del gas UF6 in forma liquida.
Una volta che il gas è stato sufficientemente arricchito, il gas viene condensato in un liquido, quindi stoccato in un contenitore, dove si raffredda e solidifica per essere trasportato e trasformato in grani di combustibile.
A causa della grande quantità di filtraggio richiesta, questo processo richiede molta energia, quindi viene interrotto. Negli Stati Uniti rimane un solo impianto di arricchimento a diffusione di gas, situato a Paducah, nel Kentucky
Metodo 3 di 7: Processo di centrifuga del gas
Passaggio 1. Installare una serie di cilindri rotanti ad alta velocità
Questo cilindro è una centrifuga. La centrifuga è installata in serie o in parallelo.
Passaggio 2. Flusso UF gas6 nello spinner.
La centrifuga utilizza l'accelerazione centripeta per erogare un gas contenente 238più pesante U alla parete della bombola e contenente gas 235più leggero U al centro del cilindro.
Passaggio 3. Estrarre i gas separati
Passaggio 4. Riprocessare i due gas separati in due centrifughe separate
Gas ricco 235Sei stato mandato in una centrifuga dove 235U è ancora più estratto, mentre il gas contenente 235L'U ridotto viene alimentato in un'altra centrifuga per l'estrazione 235Il restante U. Ciò consente alla centrifuga di estrarre molto di più 235U che può essere estratto dal processo di diffusione del gas.
Il processo di centrifuga a gas è stato sviluppato per la prima volta negli anni '40, ma non è stato utilizzato in modo significativo fino agli anni '60, quando è diventata importante la sua capacità di eseguire processi di arricchimento dell'uranio a bassa energia. Attualmente, l'impianto di processo con centrifuga a gas negli Stati Uniti si trova a Eunice, nel New Mexico. Al contrario, la Russia ha attualmente quattro stabilimenti di questo tipo, Giappone e Cina ne hanno due ciascuno, mentre Regno Unito, Paesi Bassi e Germania ne hanno uno ciascuno
Metodo 4 di 7: Processo di separazione aerodinamica
Passaggio 1. Creare una serie di cilindri stretti e fissi
Passaggio 2. Iniettare gas UF6 nel cilindro ad alta velocità.
Il gas viene sparato nel cilindro in un modo che fa ruotare il gas come un ciclone, producendo così un tipo di separazione 235tu e 238la stessa U del processo a centrifuga rotante.
Un metodo sviluppato in Sud Africa consiste nell'iniettare gas in bombole affiancate. Questo metodo è attualmente in fase di test con isotopi più leggeri come quelli trovati nel silicio
Metodo 5 di 7: processo di diffusione termica liquida
Passaggio 1. Liquefare il gas UF6 sotto pressione.
Passaggio 2. Crea un paio di tubi per concentrati
Il tubo deve essere abbastanza alto, perché il tubo più alto consente una maggiore separazione degli isotopi 235tu e 238tu
Passaggio 3. Rivestire il tubo con uno strato d'acqua
Questo raffredderà l'esterno del tubo.
Passaggio 4. Pompa UF6 liquido tra i tubi.
Passaggio 5. Riscaldare la camera d'aria con il vapore
Il calore causerà correnti di convezione in UF6 che attirerà l'isotopo 235La U più leggera verso la camera d'aria più calda e spinge l'isotopo 238la U più pesante verso il tubo esterno più freddo.
Questo processo è stato studiato nel 1940 come parte del Progetto Manhattan, ma è stato abbandonato in una fase iniziale di sviluppo quando sono stati sviluppati processi di diffusione del gas più efficienti
Metodo 6 di 7: processo di separazione degli isotopi elettromagnetici
Passaggio 1. Ionizzazione di UF gas6.
Passaggio 2. Passare il gas attraverso un forte campo magnetico
Passaggio 3. Separare gli isotopi dell'uranio ionizzato in base alle tracce lasciate mentre attraversano il campo magnetico
ione 235U lascia una scia con un arco diverso rispetto allo ione 238U. Gli ioni possono essere isolati per arricchire l'uranio.
Questo metodo è stato utilizzato per elaborare l'uranio per la bomba atomica sganciata su Hiroshima nel 1945 ed è anche il metodo di arricchimento utilizzato dall'Iraq nel suo programma di armi nucleari nel 1992. Questo metodo richiede 10 volte più energia della diffusione gassosa, rendendolo impraticabile per il programma.arricchimento su larga scala
Metodo 7 di 7: processo di separazione degli isotopi laser
Passaggio 1. Impostare il laser su un colore specifico
Il raggio laser deve essere completamente di una particolare lunghezza d'onda (monocromatico). Questa lunghezza d'onda prenderà di mira solo gli atomi 235U, e lascia che l'atomo 238Non sei interessato.
Passaggio 2. Puntare un raggio laser sull'uranio
A differenza di altri processi di arricchimento dell'uranio, non è necessario utilizzare il gas esafluoruro di uranio, sebbene la maggior parte dei processi laser lo faccia. È inoltre possibile utilizzare l'uranio e le leghe di ferro come fonte di uranio, che viene utilizzata nel processo di separazione degli isotopi laser a vapore atomico (AVLIS).
Passaggio 3. Estrazione di atomi di uranio con elettroni eccitati
sarà l'atomo 235tu
Suggerimenti
Alcuni paesi rielaborano il combustibile nucleare esaurito per recuperare l'uranio e il plutonio che si sono formati durante il processo di fissione. L'uranio ritrattato deve essere rimosso dall'isotopo 232tu e 236L'U si forma durante la fissione e, se arricchito, deve essere arricchito a un grado superiore rispetto all'uranio "fresco" perché 236U assorbe neutroni inibendo così il processo di fissione. Pertanto, l'uranio ritrattato deve essere immagazzinato separatamente dall'uranio che è stato recentemente arricchito per la prima volta.
Avvertimento
- L'uranio emette solo una debole radioattività; tuttavia, quando viene trasformato in UF.gas6, diventa una sostanza chimica tossica che reagisce con l'acqua formando acido fluoridrico corrosivo. (Questo acido è comunemente chiamato "acido per incisione" perché è usato per incidere il vetro.) Pertanto, gli impianti di arricchimento dell'uranio richiedono le stesse misure protettive degli impianti chimici che lavorano con il fluoro, che includono il tenere a bada il gas UF.6 rimanere a bassa pressione per la maggior parte del tempo e utilizzare un ulteriore livello di contenimento nelle aree in cui è richiesta l'alta pressione.
- L'uranio ritrattato deve essere immagazzinato in contenitori spessi, perché 232La U in esso si decompone in elementi che emettono forti radiazioni gamma.
- L'uranio arricchito di solito può essere riprocessato solo una volta.
