Stimmt es, dass niemand natürliches Uran braucht? Schauen wir uns den Verbrauch an.Derzeit sind weltweit folgende Arten von angereichertem Uran gefragt:- 1. Natürliches Uran (0,712%). Schwerwasserreaktoren (PHWR), z.B. CANDU
- 2. Schwach angereichertes Uran (2-3%, 4-5%). Wasser-Graphit-Zirkonium-, Wasser-Wasser-Zirkonium-Reaktoren, VVER-, PWR-, RBMK-Reaktoren
- 3. Mittelangereichertes Uran (15–25%), schnelle Reaktoren, Transportreaktoren (Eisbrecher, FNPPs), Kernkraftwerke
- 4. Hochangereichertes Uran (> 50%), TREAU (U-Boote), Forschungsreaktoren.
Natürliches Uran geht nur am ersten Punkt vorbei. Wenn wir davon ausgehen, dass Uranverbraucher in unserer Welt nur kommerzielle Reaktoren sind, liegt der PHWR von ihnen unter 10%. Und wenn Sie alles andere berücksichtigen (Transport, Forschung), dann ... kurz gesagt, natürliches Uran ist weder für das Dorf noch für die Stadt. Dies bedeutet, dass fast jeder Verbraucher eine Erhöhung des Prozentsatzes an Lichtisotopen in einer Mischung von 235-238 benötigt. Darüber hinaus wird Uran nicht nur in der Kernenergie verwendet, sondern auch zur Herstellung von Rüstungen, Munition und etwas anderem. Und dort ist es besser, Uran abgereichert zu haben, was im Prinzip die gleichen Prozesse erfordert, im Gegenteil.Über Anreicherungsmethoden und es wird einen Artikel geben.Als Rohstoffe für die Anreicherung wird nicht reines metallisches Uran verwendet, sondern Uranhexafluorid UF 6 , das aufgrund seiner Gesamtheit der Eigenschaften die am besten geeignete chemische Verbindung für die Isotopenanreicherung ist. Für Chemiker stellen wir fest, dass die Fluorierung von Uran in einem vertikalen Plasmareaktor erfolgt.Trotz der Fülle an Anreicherungsmethoden werden bisher nur zwei davon im industriellen Maßstab eingesetzt - Gasdiffusion und Zentrifugen. In beiden Fällen wird Gas verwendet - UF 6 .Näher am Fall der Isotopentrennung. Für jedes Verfahren wird die Effizienz der Isotopentrennung durch den Trennungskoeffizienten α charakterisiert - das Verhältnis des Anteils des "leichten" Isotops im "Produkt" zu seinem Anteil im Primärgemisch.Bei den meisten Verfahren ist α nur geringfügig größer als Eins. Um eine hohe Isotopenkonzentration zu erhalten, muss daher ein einzelner Isotopentrennungsvorgang viele Male wiederholt werden (Kaskaden). Beispielsweise hängt bei der Gasdiffusionsmethode α = 1,00429 für Zentrifugen der Wert stark von der Umfangsgeschwindigkeit ab - bei 250 m / s α = 1,026, bei 600 m / s α = 1,233. Nur bei elektromagnetischer Trennung beträgt α 10-1000 pro 1 Trennungszyklus. Eine Vergleichstabelle für mehrere Parameter befindet sich am Ende.Die gesamte Kaskade von Anreicherungsmaschinen ist immer in Schritte unterteilt. In der ersten Stufe der Trennkaskade wird der Strom der Ausgangsmischung in zwei Ströme aufgeteilt: abgereichert (aus der Kaskade entfernt) und angereichert. Angereichert wird der 2. Stufe zugeführt. In der 2. Stufe wird der einmal angereicherte Strom erneut einer Trennung unterzogen:Der angereicherte Strom der 2. Stufe tritt in die 3. Stufe ein, und sein erschöpfter Strom kehrt zum vorherigen (1.) usw. zurück. Aus der letzten Stufe der Kaskade wird ein Endprodukt mit der erforderlichen Konzentration eines bestimmten Isotops ausgewählt.Ich werde kurz auf die wichtigsten Trennmethoden eingehen, die jemals auf der Welt angewendet wurden.Elektromagnetische Trennung
Mit dieser Methode ist es möglich, die Komponenten der Mischung in einem Magnetfeld und mit hoher Reinheit zu trennen. Die elektromagnetische Trennung ist historisch gesehen die erste Methode, die zur Trennung von Uranisotopen entwickelt wurde.Da die Trennung mit Uranionen durchgeführt werden kann, erfolgt die Umwandlung von Uran zu UF 6im Prinzip - nicht erforderlich. Dieses Verfahren ergibt eine hohe Reinheit, aber eine geringe Ausbeute bei hohem Energieverbrauch. Die Substanz, deren Isotope getrennt werden sollen, wird in den Tiegel einer Ionenquelle gegeben, verdampft und ionisiert. Ionen werden durch ein starkes elektrisches Feld aus der Ionisationskammer gezogen. Der Ionenstrahl tritt in einem senkrecht zur Ionenbewegung gerichteten Magnetfeld H in die Vakuumtrennkammer ein. Infolgedessen bewegen sich Ionen entlang ihrer Kreise mit unterschiedlichen (je nach Masse) Krümmungsradien. Es reicht aus, das Bild zu betrachten und sich an den Schulunterricht zu erinnern, in dem wir alle den Radius des Elektrons oder Protons in einem Magnetfeld betrachteten.
Diagramm, das das Prinzip der elektromagnetischen Trennung zeigt.Der Vorteil der Methode ist die Verwendung einer relativ einfachen Technologie ( Calutrons): CAL ifornia U NIVERSITÄT).Es wurde zur Anreicherung von Uran in der Y-12- Anlage (USA) verwendet, hatte 5184 Trennkammern - Kalyutrons - und konnte zum ersten Mal Kilogrammmengen von 235 U mit hoher Anreicherung von 80% oder mehr erhalten.Im Manhattan-Projekt wurden Kalutonen nach der Wärmediffusion verwendet - 7% der Rohstoffe (Alpha Y-12) wurden Alpha-Kalyutrons zugeführt und auf 15% angereichert. Uran in Waffenqualität (bis zu 90%) wurde mit Beta-Calutrons in der Y-12-Anlage gewonnen. Alpha- und Beta-Calutrons haben nichts mit Alpha- und Beta-Partikeln zu tun, sondern sind lediglich zwei „Linien“ von Calutrons, eine für die vorläufige und die zweite für die endgültige Anreicherung.Die Methode ermöglicht es Ihnen, jede Kombination von Isotopen zu trennen, hat einen sehr hohen Trennungsgrad. Zwei Durchgänge reichen aus, um mehr als 80% einer schlechten Substanz mit einem Anfangsgehalt von weniger als 1% anzureichern. Die Produktivität wird durch den Wert des Ionenstroms und die Effizienz des Ioneneinfangs bestimmt - bis zu mehreren Gramm Isotopen pro Tag (insgesamt für alle Isotope).
Eine der Werkstätten für elektromagnetische Trennung in Oak Ridge (USA).
Riesiges Alpha-Calutron derselben Pflanze.Diffusionsmethoden
Diffusionsmethoden wurden zur anfänglichen Anreicherung verwendet. Zusammen mit der elektromagnetischen Methode - historisch eine der ersten. Das Diffusionsverfahren wird üblicherweise als Gasdiffusion verstanden - wenn Uranhexafluorid auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und durch ein "Sieb" geleitet wird - ein speziell entworfener Filter mit Löchern einer bestimmten Größe.Kurz aus einem Bericht von Cocoin (6. September 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
Der entscheidende Punkt hier ist der Satz über die Größe der Löcher. Ursprünglich wurden die Maschen wie heute mechanisch hergestellt - niemand weiß es. Darüber hinaus sollte das Material bei erhöhten Temperaturen arbeiten und die Löcher selbst sollten nicht verstopft sein, die Größe sollte sich unter dem Einfluss von Korrosion usw. nicht ändern. Die Technologien zur Herstellung von Diffusionsbarrieren sind weiterhin klassifiziert - das gleiche Know-how wie bei Zentrifugen.Weitere Details unter dem Spoiler aus demselben Bericht."Zum Stand der Forschung und praktischen Arbeit des Labors Nr. 2 zur Herstellung von Uran-235 nach der Diffusionsmethode", . (), . , , ,
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Darüber hinaus gibt es ein gutes Vakuum, das eine ausreichend große Kapazität an Kompressorausrüstung und das Vorhandensein einer großen Anzahl von Dichtheitskontrollgeräten erfordert (was in der modernen Welt im Prinzip kein Problem darstellt, aber der Artikel befasste sich mit der Nachkriegszeit, in der alles sofort und schnell benötigt wurde).Es wurde als eine der ersten Stufen der Anreicherung verwendet. Im Manhattan-Projekt hat die K-25- Anlage Uran von 0,86% auf 7% angereichert, dann gingen die Rohstoffe an Calutrons. In der UdSSR - die langleidende Pflanze D-1 sowie die darauf folgenden Pflanzen D-2 und D-3 und so weiter.Auch das "Diffusions" -Trennverfahren wird manchmal als Flüssigkeitsdiffusion verstanden - auch nur in der flüssigen Phase. Physikalisches Prinzip - leichtere Moleküle sammeln sich in einer wärmeren Region. Typischerweise besteht eine Trennsäule aus zwei koaxial angeordneten Rohren, in denen unterschiedliche Temperaturen aufrechterhalten werden. Eine trennbare Mischung wird zwischen ihnen eingeführt. Die Temperaturdifferenz Δ führt zum Auftreten konvektiver vertikaler Strömungen, und zwischen den Rohroberflächen wird ein Diffusionsisotopenfluss erzeugt, der zum Auftreten eines Unterschieds in der Isotopenkonzentration im Querschnitt der Säule führt. Infolgedessen sammeln sich leichtere Isotope in der Nähe der heißen Oberfläche des Innenrohrs an und bewegen sich nach oben. Das Wärmediffusionsverfahren ermöglicht die Trennung von Isotopen sowohl in der gasförmigen als auch in der flüssigen Phase.Im Manhattan-Projekt ist dies eine FabrikS-50 - es hat natürliches Uran auf 0,86% angereichert, d.h. nur 1,2-fach erhöhte Anreicherung im fünften Uran. In der UdSSR wurden vom Radium-Institut in der Nachkriegszeit Arbeiten zur Flüssigkeitsdiffusion durchgeführt, aber diese Richtung wurde nicht weiterentwickelt.
Kaskade von Gasdiffusionsisotopentrennmaschinen.Unterschriften zum Patent - F. Simon, C. Fuchs, R. Peierls.Aerodynamische Trennung
Die aerodynamische Trennung ist eine Art Zentrifugationsoption, aber anstatt das Gas zu verwirbeln, wirbelt es in einer speziellen Düse. Anstelle von tausend Wörtern - siehe die Zeichnung, die sogenannte Becker-Düse zur aerodynamischen Trennung von Uranisotopen (ein Gemisch aus Wasserstoff und Uranhexafluorid) unter vermindertem Druck. Uranhexafluorid ist ein sehr schweres Gas und führt zum Verschleiß kleiner Teile der Düsen (siehe Skala) und kann in Bereichen mit hohem Druck (z. B. am Eingang zur Düse) fest werden, sodass das Hexafluorid mit Wasserstoff verdünnt wird. Es ist klar, dass bei einem Rohstoffgehalt von 4% im Gas und sogar einem verringerten Druck die Wirksamkeit dieser Methode nicht groß ist. Entwickelte diese Methode in Südafrika und Deutschland ausprobiert.
Alles , was Sie über aerodynamische Trennung wissen müssen , ist in diesem Bild. Nozzle
OptionenGaszentrifugation
Wahrscheinlich weiß jeder (und sogar ein Geek!), Der mindestens einmal Atomenergie, Bomben und Anreicherung gehört hat, im Allgemeinen, was eine Zentrifuge ist, wie sie funktioniert und dass es viele Schwierigkeiten, Geheimnisse und Know-how bei der Konstruktion solcher Geräte gibt. Deshalb werde ich ein paar Worte zur Gaszentrifugation sagen. Ehrlich gesagt haben Gaszentrifugen eine sehr reiche Entwicklungsgeschichte und verdienen einen separaten Artikel.Das Funktionsprinzip ist die Trennung aufgrund von Zentrifugalkräften in Abhängigkeit von der absoluten Massendifferenz. Während der Rotation (bis zu 1000 U / s, Umfangsgeschwindigkeit - 100 - 600 m / s) gelangen schwerere Moleküle zur Peripherie, leichter - in der Mitte (am Rotor). Diese Methode ist derzeit die produktivste und billigste (basierend auf dem Preis von $ / EPP).Google ist reich an schematischen Bildern eines Zentrifugengeräts. Ich werde nur ein paar Fotos davon geben, wie die zusammengebaute Kaskade aussieht. In einem solchen Raum ist es übrigens ziemlich heiß - Uranhexafluorid ist weit von Raumtemperatur entfernt, und die gesamte Kaskade muss ebenfalls gekühlt werden.
URENCO-Zentrifugenkaskade. Groß, Meter unter 3 in der Höhe.
Es gibt kleinere, etwa einen halben Meter. Unser Haus.
Um die Skala zu verstehen, oder was ist ein "Workshop von Horizont zu Horizont".Laseranreicherung
Das physikalische Prinzip der Laseranreicherung besteht darin, dass die Atomenergieniveaus verschiedener Isotope leicht unterschiedlich sind.Dieser Effekt kann verwendet werden, um U-235 von U-238 sowohl in atomarer Form - AVLIS als auch in molekularer Form - MLIS zu trennen.Das Verfahren verwendet Uranpaare und Laser, die genau auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt sind und die Atome des 235. Urans anregen. Als nächstes werden die ionisierten Atome durch ein elektrisches oder magnetisches Feld aus dem Gemisch entfernt.Die Technologie ist sehr einfach und erfordert im Allgemeinen keine superkomplexen mechanischen Vorrichtungen wie Diffusionsgitter oder Zentrifugen. Es gibt ein weiteres Problem.Im September 2012 erhielt Global Laser Enrichment LLC (GLE) - ein Konsortium aus General Electric, Hitachi und Cameco - von der US-amerikanischen Nuclear Regulatory Commission (NRC) eine Lizenz für den Bau einer Lasertrennanlage mit einer Kapazität von bis zu 6 Millionen SWU am Standort des bestehenden Joint Ventures GE, Toshiba und Herstellung von Hitachi-Kraftstoff in Wilmington, North Carolina. Geplante Anreicherung - bis zu 8%. Die Lizenzierung wurde jedoch aufgrund von Problemen mit der Technologiediffusion ausgesetzt. Moderne Anreicherungstechnologien (Diffusion und Zentrifugation) erfordern spezielle Geräte, die so speziell sind, dass Sie im Allgemeinen, wenn Sie möchten, durch Überwachung internationaler Verträge indirekt davon ausgehen können, wer Uran „leise“ (ohne das Wissen der IAEO) anreichern oder in diese Richtung arbeiten wird.Und eine solche Überwachung ist in der Tat noch nicht abgeschlossen. Wenn die Laseranreicherungsmethode ihre Einfachheit und Wirksamkeit unter Beweis stellt, können Arbeiten an waffenfähigem Uran dort durchgeführt werden, wo es nicht wirklich benötigt wird. Daher wird dabei die Lasermethode irgendwie zerkleinert.
Lasermethoden können auch das molekulare Verfahren umfassen, das auf der Tatsache basiert, dass bei Infrarot- oder Ultraviolettfrequenzen eine selektive Absorption des Infrarotspektrums durch 235 UF 6 -Gas auftritt , was anschließend die Verwendung des Verfahrens zur Dissoziation angeregter Moleküle oder zur chemischen Trennung ermöglicht.Der relative Gehalt an U-235 kann in der ersten Stufe um eine Größenordnung erhöht werden. Somit reicht ein einziger Durchgang aus, um eine ausreichende Urananreicherung für Kernreaktoren bereitzustellen.
Erklärungen zur "molekularen" Methode mit chemischer Trennung.Vorteile der Laseranreicherung:- Stromverbrauch: 20-mal geringer als bei der Diffusion.
- Kaskade: Die Anzahl der Kaskaden (von 0,7% bis 3-5% U-235) beträgt weniger als 100 im Vergleich zu 150.000 Zentrifugen.
- Die Kosten der Anlage sind deutlich geringer.
- Umweltfreundlich: Anstelle von Uranhexafluorid wird weniger gefährliches metallisches Uran verwendet.
- Der Bedarf an natürlichem Uran ist 30% geringer.
- 30% weniger Tailings (Dump Dumps).
Vergleich verschiedener Methoden
Urananreicherung in Russland
Derzeit gibt es in Russland vier Anreicherungsanlagen:Russland hat eine starke Industrie für die Isotopentrennung von ~ 40% des Weltmarktes, basierend auf der wirtschaftlichsten (heute) Zentrifugenmethode.Für das Jahr 2000 Die Anreicherungskapazitäten in Russland verteilen sich wie folgt: 40% für den Inlandsbedarf, 13% für die Verarbeitung von Deponien ausländischer Nutzer, 30% für die Verarbeitung von HEU und LEU und 17% für externe Bestellungen. All dies ist ein friedliches Atom. Seit 1989 stellen wir die Produktion von angereichertem Uran für militärische Zwecke ein. Bis 2004 Im Rahmen der Vereinbarung von HEU-LEU wurden 170 Tonnen (von ~ 500 Tonnen) HEU (hochangereichertes Uran) verarbeitet.Das ist alles. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.