هل صحيح أنه لا أحد يحتاج اليورانيوم الطبيعي؟ دعونا نلقي نظرة على الاستهلاك.في الوقت الحالي ، هناك طلب على الأنواع التالية من اليورانيوم المخصب في العالم:- 1. اليورانيوم الطبيعي (0.712٪). مفاعلات الماء الثقيل (PHWR) ، مثل CANDU
- 2. اليورانيوم عالي التخصيب (2-3٪ ، 4-5٪). ماء - الجرافيت - الزركونيوم ، مفاعلات الماء - الماء - الزركونيوم ، مفاعلات VVER ، PWR ، RBMK
- 3 - اليورانيوم المخصب المتوسط (15-25٪) ، المفاعلات السريعة ، مفاعلات النقل (كسارات الجليد ، FNPPs) ، محطات الطاقة النووية
- 4. يورانيوم عالي التخصيب (> 50٪) ، TREAU (غواصات) ، مفاعلات بحثية.
يمر اليورانيوم الطبيعي فقط عند النقطة الأولى. إذا افترضنا أن مستهلكي اليورانيوم في عالمنا هم مجرد مفاعلات تجارية ، فإن PHWR منها أقل من 10٪. وإذا كنت تفكر في كل شيء آخر (النقل والبحث) فعندئذ ... باختصار ، اليورانيوم الطبيعي ليس للقرية ولا للمدينة. وهذا يعني أن أي مستهلك تقريبًا يتطلب زيادة في نسبة نظائر الضوء في خليط من 235-238. علاوة على ذلك ، يستخدم اليورانيوم ليس فقط في الطاقة النووية ، ولكن أيضًا في إنتاج الدروع والذخيرة وشيء آخر. وهناك من الأفضل أن يكون قد استنفد اليورانيوم ، الذي يتطلب مبدئياً نفس العمليات ، بل على العكس تمامًا.حول طرق التخصيب وسيكون هناك مقال.كمواد خام للتخصيب ، لا يتم استخدام اليورانيوم المعدني النقي ، ولكن سادس فلوريد اليورانيوم UF 6 ، والذي ، من خلال مجموع خصائصه ، هو المركب الكيميائي الأنسب للتخصيب النظائري. بالنسبة للكيميائيين ، نلاحظ أن فلورة اليورانيوم تحدث في مفاعل بلازما رأسي.على الرغم من وفرة طرق التخصيب حتى الآن ، يتم استخدام طريقتين فقط على نطاق صناعي - نشر الغاز وأجهزة الطرد المركزي. في كلتا الحالتين ، يتم استخدام الغاز - UF 6 .أقرب إلى حالة فصل النظائر. بالنسبة لأي طريقة ، تتميز كفاءة فصل النظائر بمعامل الفصل α - نسبة جزء نظير "الضوء" في "المنتج" إلى جزءه في الخليط الأساسي.بالنسبة لمعظم الطرق ، تكون α أكبر قليلاً من الوحدة ؛ وبالتالي ، للحصول على تركيز نظائري مرتفع ، يجب تكرار عملية فصل نظيرية واحدة عدة مرات (شلالات). على سبيل المثال ، بالنسبة لطريقة نشر الغاز α = 1.00429 ، بالنسبة لأجهزة الطرد المركزي ، تعتمد القيمة بشدة على السرعة الطرفية - عند 250 م / ث α = 1.026 ، عند 600 م / ث α = 1.233. فقط مع الفصل الكهرومغناطيسي ، α هي 10-1000 لكل دورة فصل واحدة. سيكون الجدول المقارن للعديد من المعلمات في النهاية.يتم تقسيم سلسلة آلات التخصيب بالكامل دائمًا إلى خطوات. في المرحلة الأولى من سلسلة الفصل ، ينقسم تيار الخليط الأولي إلى تيارين: مستنفد (تم إزالته من السلسلة) وإثرائه. يتم تغذية المخصب إلى المرحلة الثانية. في المرحلة الثانية ، يخضع التيار المخصب مرة أخرى للفصل:يدخل التيار المخصب للمرحلة الثانية المرحلة الثالثة ، ويعود تياره المنضب إلى المرحلة السابقة (الأولى) ، إلخ. من المرحلة الأخيرة من السلسلة التعاقبية ، يتم تحديد منتج نهائي مع التركيز المطلوب لنظير معين.سأتحدث بإيجاز عن طرق الفصل الرئيسية التي تم استخدامها على الإطلاق في العالم.الفصل الكهرومغناطيسي
باستخدام هذه الطريقة ، من الممكن فصل مكونات الخليط في المجال المغناطيسي ، وبنقاوة عالية. يعد الفصل الكهرومغناطيسي تاريخياً الطريقة الأولى التي تم تطويرها لفصل نظائر اليورانيوم.بما أنه يمكن إجراء الفصل باستخدام أيونات اليورانيوم ، فإن تحويل اليورانيوم إلى UF 6من حيث المبدأ - غير مطلوب. تعطي هذه الطريقة درجة نقاء عالية ، ولكن إنتاجية منخفضة عند استهلاك طاقة عالية. يتم وضع المادة التي سيتم فصل نظائرها في بوتقة مصدر أيوني ، وتبخر وتتأين. يتم سحب الأيونات من غرفة التأين بواسطة مجال كهربائي قوي. يدخل الشعاع الأيوني إلى غرفة الفصل الفراغي في مجال مغناطيسي H موجه بشكل عمودي على حركة الأيونات. ونتيجة لذلك ، تتحرك الأيونات على طول دوائرها مع نصف قطر انحناء مختلف (اعتمادًا على الكتلة). يكفي النظر إلى الصورة واستدعاء الدروس المدرسية ، حيث اعتبرنا جميعًا نصف قطر الإلكترون أو البروتون في المجال المغناطيسي.
رسم تخطيطي يوضح مبدأ الفصل الكهرومغناطيسي.ميزة الطريقة هي استخدام تقنية بسيطة نسبيا ( كالوترونات: CAL ifornia U niversity).تم استخدامه لتخصيب اليورانيوم في مصنع Y-12 (الولايات المتحدة الأمريكية) ، وكان لديه 5184 غرفة فصل - كاليوترون ، وللمرة الأولى سمح بالحصول على كميات كيلوغرام من 235U من التخصيب العالي - 80 ٪ أو أعلى.في مشروع مانهاتن ، تم استخدام الكالوتونات بعد الانتشار الحراري - تم توريد 7 ٪ من المواد الخام (ألفا Y-12) إلى ألفا كاليوترون وإثراءها إلى 15 ٪. تم الحصول على اليورانيوم الصالح للأسلحة (حتى 90٪) على بيتا كالوترون في مصنع Y-12. ألفا وبيتا كالوترونات لا علاقة لها بجسيمات ألفا وبيتا ، فهي ببساطة "خطان" من الكالوترونات ، أحدهما للأولي ، والثاني للتخصيب النهائي.تسمح لك الطريقة بفصل أي مجموعة من النظائر ، ولديها درجة عالية من الفصل. كرتان كافيتان لإثراء ما يزيد عن 80٪ من مادة فقيرة بمحتوى أولي أقل من 1٪. يتم تحديد الإنتاجية من خلال قيمة التيار الأيوني وكفاءة التقاط الأيون - حتى عدة جرامات من النظائر يوميًا (الإجمالي لجميع النظائر).
إحدى ورشتي الفصل الكهرومغناطيسي في أوك ريدج (الولايات المتحدة الأمريكية) ،
ألفا كالوترون عملاق من نفس النبات.طرق الانتشار
تم استخدام طرق الانتشار للتخصيب الأولي. جنبا إلى جنب مع الطريقة الكهرومغناطيسية - تاريخيا واحدة من الأولى. عادة ما تُفهم طريقة الانتشار على أنها انتشار الغاز - عندما يتم تسخين سادس فلوريد اليورانيوم إلى درجة حرارة معينة ويمر عبر "منخل" - مرشح مصمم خصيصًا بثقوب بحجم معين.باختصار من تقرير من Cocoin (6 سبتمبر 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
النقطة الأساسية هنا هي عبارة عن حجم الثقوب. في البداية ، تم إنشاء الشبكات ميكانيكيًا ، كما هو الحال الآن - لا أحد يعرف. علاوة على ذلك ، يجب أن تعمل المادة في درجات حرارة مرتفعة ، ولا يجب سد الثقوب نفسها ، ولا يجب تغيير حجمها بسبب التآكل ، وما إلى ذلك. لا تزال تقنيات تصنيع حواجز الانتشار مصنفة - نفس الدراية كما هو الحال مع أجهزة الطرد المركزي.مزيد من التفاصيل تحت المفسد ، من نفس التقرير."حول حالة البحث والعمل العملي للمختبر رقم 2 لإنتاج اليورانيوم 235 بطريقة الانتشار", . (), . , , ,
. , . , , . , , . 1/10000 . , 1/10 000 , .
5/1000 , .. 50 . , , , 1/50 . 0,01 , .. . , , . , , 90% ( ), 2000 . 75-100 -235 . 80-100 «», 20-25 . ( ) 8000 2. , , 20 000 .
بالإضافة إلى ذلك ، هناك فراغ جيد ، والذي يتطلب سعة كبيرة بما فيه الكفاية من معدات الضاغط ، ووجود عدد كبير من معدات التحكم بالضيق (والتي ، من حيث المبدأ ، ليست مشكلة في العالم الحديث ، ولكن المقالة تتناول وقت ما بعد الحرب حيث كان كل شيء مطلوبًا ، على الفور وبسرعة).تم استخدامه كواحد من أولى مراحل التخصيب. في مشروع مانهاتن ، قام مصنع K-25 بتخصيب اليورانيوم من 0.86٪ إلى 7٪ ، ثم ذهبت المواد الخام إلى الكالوترونات. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية - النبات الذي عانى طويلا D-1 ، وكذلك النباتات D-2 و D-3 التي تلت ذلك ، وهلم جرا.أيضا ، تُفهم طريقة فصل "الانتشار" أحيانًا على أنها انتشار السائل - أيضًا ، فقط في المرحلة السائلة. المبدأ الفيزيائي - تتجمع الجزيئات الأخف في منطقة أكثر دفئًا. عادة ، يتكون عمود الفصل من أنبوبين مرتبين محوريًا يتم فيه الحفاظ على درجات حرارة مختلفة. يتم إدخال خليط قابل للفصل بينهما. يؤدي اختلاف درجة الحرارة Δ إلى ظهور تدفقات رأسية بالحمل ، ويتم إنشاء تدفق انتشار النظائر بين أسطح الأنابيب ، مما يؤدي إلى ظهور اختلاف في تركيز النظائر في المقطع العرضي للعمود. ونتيجة لذلك ، تتراكم النظائر الأخف بالقرب من السطح الساخن للأنبوب الداخلي وتتحرك للأعلى. تسمح طريقة الانتشار الحراري بفصل النظائر في كل من المرحلة الغازية والسائلة.في مشروع مانهاتن ، هذا مصنعS-50 - يثري اليورانيوم الطبيعي إلى 0.86٪ ، أي زيادة 1.2 مرة فقط التخصيب في اليورانيوم الخامس. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم تنفيذ العمل على نشر السوائل من قبل معهد الراديوم في فترة ما بعد الحرب ، لكن هذا الاتجاه لم يتلق أي تطور.
سلسلة من آلات فصل نظائر الغاز.التوقيعات على براءة الاختراع - F. Simon، C. Fuchs، R. Peierls.فصل الديناميكا الهوائية
يعتبر فصل الديناميكا الهوائية نوعًا من خيارات الطرد المركزي ، ولكن بدلاً من تدوير الغاز ، فإنه يدور في فوهة خاصة. بدلا من ألف كلمة - انظر الرسم ، ما يسمى فوهة بيكر للفصل الديناميكي الهوائي لنظائر اليورانيوم (خليط من الهيدروجين وسادس فلوريد اليورانيوم) تحت ضغط منخفض. سادس فلوريد اليورانيوم هو غاز ثقيل للغاية ويؤدي إلى تآكل أجزاء صغيرة من الفوهات (انظر المقياس) ، ويمكن أن يصبح صلبًا في مناطق الضغط العالي (على سبيل المثال ، عند مدخل الفوهة) ، لذلك يتم تخفيف سداسي فلوريد الهيدروجين. من الواضح أنه مع نسبة 4 ٪ من المواد الخام في الغاز ، وحتى انخفاض الضغط ، فإن فعالية هذه الطريقة ليست كبيرة. طورت هذه الطريقة المجربة في جنوب إفريقيا وألمانيا.
كل ما تحتاج لمعرفته حول الفصل الديناميكي الهوائي في هذه الصورة
خيارات الفوهةالطرد المركزي للغاز
ربما كل شخص (وحتى مهووس!) ، الذي سمع مرة واحدة على الأقل الطاقة الذرية والقنابل والتخصيب ، بشكل عام يعرف ما هو جهاز الطرد المركزي ، وكيف يعمل ، وأن هناك العديد من الصعوبات والأسرار والدراية في تصميم هذه الأجهزة. لذلك ، سأقول بضع كلمات حول الطرد المركزي للغاز. ومع ذلك ، وبصراحة ، فإن أجهزة الطرد المركزي للغاز لها تاريخ غني للغاية في التنمية وتستحق مقالة منفصلة.مبدأ التشغيل هو الفصل بسبب قوى الطرد المركزي ، اعتمادًا على الاختلاف المطلق في الكتلة. أثناء الدوران (حتى 1000 دورة / ثانية ، السرعة المحيطية - 100-600 م / ث) ، تذهب الجزيئات الأثقل إلى المحيط ، أخف - في المركز (في الدوار). هذه الطريقة حاليًا هي الأكثر إنتاجية والأرخص (استنادًا إلى سعر $ / EPP).تزخر Google بالصور التخطيطية لجهاز الطرد المركزي ، وسأعطي فقط صورتين لكيفية ظهور السلسلة المجمعة. بالمناسبة ، في هذه الغرفة يكون الجو حارًا تمامًا - سادس فلوريد اليورانيوم بعيدًا عن درجة حرارة الغرفة ، ويجب تبريد كل هذه السلسلة أيضًا.
سلسلة URENCO للطرد المركزي. كبير ، أمتار أقل من 3 في الارتفاع.
هناك أصغر منها ، حوالي نصف متر. لدينا المحلية.
لفهم المقياس ، أو ما هو "ورشة عمل من الأفق إلى الأفق".تخصيب الليزر
المبدأ الفيزيائي لإثراء الليزر هو أن مستويات الطاقة الذرية للنظائر المختلفة مختلفة قليلاً.يمكن استخدام هذا التأثير لفصل U-235 عن U-238 ، سواء في الشكل الذري - AVLIS أو في الشكل الجزيئي - MLIS.تستخدم الطريقة أزواج اليورانيوم ، والليزر التي يتم ضبطها بدقة على طول موجة معينة ، مما يثير ذرات اليورانيوم 235. بعد ذلك ، تتم إزالة الذرات المتأينة من الخليط بواسطة مجال كهربائي أو مغناطيسي.التكنولوجيا بسيطة للغاية ، وبصفة عامة ، لا تتطلب أي أجهزة ميكانيكية فائقة التعقيد مثل شبكات الانتشار أو أجهزة الطرد المركزي ، فهناك مشكلة أخرى.في سبتمبر 2012 ، حصلت Global Laser Enrichment LLC (GLE) - وهي مجموعة من جنرال إلكتريك وهيتاشي وكاميكو - على ترخيص من اللجنة التنظيمية النووية الأمريكية (NRC) لبناء مصنع لفصل الليزر بسعة تصل إلى 6 ملايين SWU في موقع المشروع المشترك الحالي GE و Toshiba و شركة هيتاشي لتصنيع الوقود في ويلمنجتون بولاية نورث كارولينا. التخصيب المخطط - حتى 8٪. ومع ذلك ، تم تعليق الترخيص بسبب مشاكل في نشر التكنولوجيا. تتطلب تقنيات التخصيب الحديثة (الانتشار والطرد المركزي) معدات خاصة ، خاصة جدًا ، بشكل عام ، إذا كنت ترغب ، بشكل عام ، من خلال مراقبة العقود الدولية ، يمكنك افتراض غير مباشر من سيقوم بتخصيب اليورانيوم "بهدوء" (بدون علم الوكالة الدولية للطاقة الذرية) أو العمل في هذا الاتجاه.وهذا الرصد مستمر بالفعل. إذا أثبتت طريقة التخصيب بالليزر بساطتها وفعاليتها ، يمكن أن يبدأ العمل على اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة حيث لا حاجة إليه حقًا. لذلك ، في حين يتم سحق طريقة الليزر بطريقة أو بأخرى.
يمكن أن تتضمن طرق الليزر أيضًا الطريقة الجزيئية ، استنادًا إلى حقيقة أنه في الترددات بالأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية يحدث امتصاص انتقائي للطيف تحت الأحمر بواسطة 235 UF 6 غاز ، مما يسمح لاحقًا باستخدام طريقة تفكك الجزيئات المستثارة أو الفصل الكيميائي.يمكن زيادة المحتوى النسبي لـ U-235 بترتيب من الحجم في المرحلة الأولى. وبالتالي ، يكفي مرور واحد لتوفير ما يكفي من تخصيب اليورانيوم للمفاعلات النووية.
شرح الطريقة "الجزيئية" مع الفصل الكيميائي.فوائد التخصيب بالليزر:- استهلاك الكهرباء: 20 مرة أقل من الانتشار.
- التعاقب: عدد التعاقبات (من 0.7٪ إلى 3-5٪ من U-235) أقل من 100 مقارنة بـ 150.000 جهاز طرد مركزي.
- تكلفة المصنع أقل بكثير.
- صديق للبيئة: بدلاً من سادس فلوريد اليورانيوم ، يتم استخدام اليورانيوم المعدني الأقل خطورة.
- الحاجة إلى اليورانيوم الطبيعي أقل بنسبة 30٪.
- مخلفات أقل بنسبة 30٪ (مقالب تفريغ).
مقارنة بين الطرق المختلفة
تخصيب اليورانيوم في روسيا
حاليا ، هناك أربعة مصانع تخصيب في روسيا:تمتلك روسيا صناعة قوية لفصل النظائر ~ 40٪ من السوق العالمية ، استنادًا إلى طريقة الطرد المركزي الأكثر اقتصادية (اليوم).لعام 2000 يتم توزيع قدرات التخصيب في روسيا على النحو التالي: 40٪ للاحتياجات المحلية و 13٪ لمعالجة مقالب المستخدمين الأجانب و 30٪ لمعالجة اليورانيوم عالي التخصيب واليورانيوم المنخفض التخصيب و 17٪ للطلبات الخارجية. كل هذا ذرة سلمية. لقد أوقفنا إنتاج اليورانيوم المخصب للأغراض العسكرية منذ عام 1989. بحلول عام 2004 تم معالجة 170 طنًا (من ~ 500 طن) من اليورانيوم عالي التخصيب (اليورانيوم عالي التخصيب) بموجب اتفاقية HEU-LEU.هذا كل شئ. شكرا للانتباه.